Neben dem Klimawandel, der hauptsächlich auf unsere Kohlendioxidemissionen (CO2) zurückzuführen ist, ist die Verschmutzung durch Plastik eines der kritischsten Umweltprobleme dieses Jahrzehnts. Die schiere Menge an weggeworfenem und verlegtem Plastik richtet irreparable Schäden an den Ökosystemen der Erde an, beeinträchtigt unsere Ernten und kontaminiert unsere Wasservorräte. Wenn wir uns zu wirklich nachhaltigen Gesellschaften entwickeln wollen, müssen wir effiziente Wege finden, um weggeworfene Kunststoffe wiederzuverwenden. Aber was wäre, wenn wir Feuer mit Feuer oder in diesem Fall Kohlenstoff mit Kohlenstoff bekämpfen könnten?
Auf dem sich schnell entwickelnden Gebiet der CO2-Abscheidungstechnologien gelten aus Kunststoffabfällen gewonnene poröse Materialien, die CO2 aus Rauchgas adsorbieren können, als attraktive Option, um gleichzeitig die Kunststoffverschmutzung und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Während die meisten bekannten Materialien für die CO2-Abscheidung kostspielig in der Verwendung und Herstellung sind, kann billiger poröser Kohlenstoff aus Plastikflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) synthetisiert werden, einer Hauptquelle der Plastikverschmutzung auf der ganzen Welt. An dieser Front wurden viele Synthesewege und -techniken im Labormaßstab demonstriert. Es ist jedoch noch nicht klar, wie gut diese Ansätze unter Berücksichtigung von Umweltvorteilen und wirtschaftlicher Machbarkeit für Anwendungen im industriellen Maßstab hochskaliert werden könnten.
Vor diesem Hintergrund versuchte ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Yong Sik Ok und Dr. Xiangzhou Yuan von der Korea University herauszufinden, ob aus PET gewonnener poröser Kohlenstoff wirklich in nachhaltigen großtechnischen CCS-Systemen aus praktischer, ökologischer und ökologischer Sicht machbar ist wirtschaftliche Standpunkte. „Die primären Schritte zur Etablierung einer neuen Technologie umfassen die Synthese und Simulation ihrer Prozesse außerhalb des Labors, um ihre verbesserte Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz gegenüber etablierteren Techniken zu rechtfertigen“, erklärt Dr. Yuan.
In ihrem Artikel veröffentlicht in Grüne Chemie, das auf der Titelseite der Zeitschrift vorgestellt wurde, verfolgte das Team drei Hauptziele: Bewertung der Leistung verschiedener PET-abgeleiteter poröser Kohlenstoffmaterialien im Labormaßstab, Bestimmung, ob solche Materialien in einem wirtschaftlich nachhaltigen industriellen Maßstab nützlich sein könnten Prozesse und Quantifizierung der Umweltauswirkungen jedes Ansatzes. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Forschern anderer Institutionen durchgeführt, darunter Prof. Hankwon Lim vom Ulsan National Institute of Science and Technology, Korea, und Prof. Shauhrat S. Chopra von der City University of Hong Kong, China.
Das Team sammelte zunächst weggeworfene PET-Flaschen und verarbeitete sie auf unterschiedliche Weise, um drei Arten von porösen Kohlenstoffmaterialien zu synthetisieren. Durch Experimente im Labormaßstab analysierten sie die Morphologie, Zusammensetzung und Leistung dieser drei Materialien, um nützliche Informationen für nachfolgende numerische Simulationen im industriellen Maßstab zu sammeln. Für diese Simulationen modellierte das Team den gesamten Prozess, von der Zerkleinerung und dem Transport von PET-Flaschen und der Synthese von porösem Kohlenstoff bis hin zur sauberen Rauchgasausgabe, einschließlich sekundärer Systeme zur Stromerzeugung aus Abwärme. Schließlich verglichen sie die Umweltauswirkungen und die Wirtschaftlichkeit der Synthesewege der drei aus PET gewonnenen porösen Kohlenstoffmaterialien, um das Ausmaß der Klimaschutzmaßnahmen und der Einnahmen (aus dem Verkauf des Materials und der erzeugten Elektrizität) aus jedem Material abzuschätzen.
Basierend auf den Gesamtergebnissen lautet das Urteil, dass CO2-Abscheidungssysteme, die PET-abgeleiteten porösen Kohlenstoff verwenden, geschlossene Kunststoff- und Kohlenstoffkreisläufe in industriellen Anwendungen realisieren können. Solche Mehrzwecksysteme könnten zu einer praktikablen Alternative sowohl zu herkömmlichen Technologien zur CO2-Abscheidung als auch zur Entsorgung von Kunststoffabfällen werden, und die Ergebnisse dieser Studie könnten dazu beitragen, den Entscheidungsprozess von Early Adopters und politischen Entscheidungsträgern gleichermaßen zu lenken.
Am wichtigsten ist, dass die vorgeschlagenen Syntheserouten ein großes Potenzial haben, die von den Vereinten Nationen aufgestellten Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs) zu erreichen. „Das Upcycling von aus Plastikabfällen gewonnenem porösem Kohlenstoff zur CO2-Abscheidung ist ein vielversprechender Ansatz, um mehrere SDGs zu erfüllen, da es gleichzeitig den Klimawandel und die Plastikverschmutzung eindämmen und ein nachhaltiges Recycling von weggeworfenen PET-Plastikflaschen in städtischen Gebieten erleichtern kann“, spekuliert Prof. OK.
Xiangzhou Yuan et al., Von Nachhaltigkeit inspiriertes Upcycling von Polyethylenterephthalat-Abfällen zu porösem Kohlenstoff zur CO2-Abscheidung, Grüne Chemie (2022). DOI: 10.1039/d1gc03600a
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