Unser Planet erstickt an Plastik. Zu den schlimmsten Übeltätern, deren Abbau auf Mülldeponien Jahrzehnte dauern kann, gehören Polypropylen, das für Gegenstände wie Lebensmittelverpackungen und Stoßstangen verwendet wird, und Polyethylen, das in Plastiktüten, Flaschen, Spielzeug und sogar Mulch zu finden ist.
Polypropylen und Polyethylen können recycelt werden, der Prozess kann jedoch schwierig sein und oft große Mengen an Methan, einem Treibhausgas, produzieren. Bei beiden handelt es sich um Polyolefine, die aus der Polymerisation von Ethylen und Propylen entstehen, also Rohstoffen, die hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Außerdem sind Polyolefinbindungen bekanntermaßen schwer zu brechen.
Jetzt haben Forscher der UC Berkeley eine Methode zum Recycling dieser Polymere entwickelt, die Katalysatoren verwendet, die ihre Bindungen leicht aufbrechen und sie in Propylen und Isobutylen umwandeln, die bei Raumtemperatur Gase sind. Diese Gase können dann zu neuen Kunststoffen recycelt werden.
„Da Polypropylen und Polyethylen zu den Kunststoffen gehören, die in einem gemischten Abfallstrom am schwierigsten und teuersten voneinander zu trennen sind, ist dies von entscheidender Bedeutung [a recycling] Der Prozess gilt für beide Polyolefine“, sagte das Forschungsteam in einer kürzlich in Science veröffentlichten Studie.
Zerlege es
Der Recyclingprozess, den das Team verwendet, ist als isomerisierende Ethenolyse bekannt und beruht auf einem Katalysator, der Olefinpolymerketten in kleine Moleküle zerlegt. Polyethylen- und Polypropylenbindungen sind gegenüber chemischen Reaktionen sehr beständig, da beide Polyolefine lange Ketten einzelner Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweisen. Die meisten Polymere verfügen über mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, die viel leichter zu brechen ist.
Obwohl die gleichen Forscher bereits zuvor eine isomerisierende Ethenolyse versucht hatten, handelte es sich bei den bisherigen Katalysatoren um teure Metalle, die nicht lange genug rein blieben, um den gesamten Kunststoff in Gas umzuwandeln. Die Verwendung von Natrium auf Aluminiumoxid, gefolgt von Wolframoxid auf Siliciumdioxid, erwies sich als viel wirtschaftlicher und effektiver, obwohl die für die Reaktion erforderlichen hohen Temperaturen die Kosten etwas erhöhten.
Bei beiden Kunststoffen brach die Einwirkung von Natrium auf dem Aluminiumoxid jede Polymerkette in kürzere Polymerketten auf und erzeugte an den Enden spaltbare Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die Ketten rissen immer wieder. Beide durchliefen dann einen zweiten Prozess namens Olefinmetathese. Sie wurden einem Strom von Ethylengas ausgesetzt, der in einer Reaktionskammer zirkulierte, während sie in Wolframoxid auf Siliciumdioxid eingeleitet wurden, was zum Abbau von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen führte.
Durch die Reaktion werden alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Polyethylen und Polypropylen aufgebrochen, wobei sich die beim Aufbrechen dieser Bindungen freigesetzten Kohlenstoffatome schließlich an die Ethylenmoleküle binden. „Ethylen ist für diese Reaktion unerlässlich, da es ein Co-Reaktant ist“, sagte der Forscher RJ Conk, einer der Autoren der Studie, gegenüber Ars Technica. „Die gebrochenen Glieder reagieren dann mit Ethylen, wodurch die Glieder aus der Kette entfernt werden. Ohne Ethylen kann die Reaktion nicht stattfinden.
Die gesamte Kette wird katalysiert, bis das Polyethylen vollständig in Propylen umgewandelt wird und das Polypropylen in eine Mischung aus Propylen und Isobutylen umgewandelt wird.
Diese Methode weist eine hohe Selektivität auf, was bedeutet, dass sie eine große Menge des gewünschten Produkts produziert: Propylen, abgeleitet von Polyethylen, sowie Propylen und Isobutylen, abgeleitet von Polypropylen. Beide Chemikalien sind sehr gefragt; Propylen ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie, während Isobutylen ein Monomer ist, das häufig in vielen verschiedenen Polymeren verwendet wird, darunter synthetischer Kautschuk und ein Benzinadditiv.
Mischen
Da Kunststoffe in Recyclingzentren häufig gemischt werden, wollten die Forscher herausfinden, was passieren würde, wenn Polypropylen und Polyethylen gemeinsam einer isomerisierenden Ethenolyse unterzogen würden. Die Reaktion verlief erfolgreich und wandelte die Mischung in Propylen und Isobutylen um, wobei etwas mehr Propylen als Isobutylen vorhanden war.
Meist enthalten die Mischungen auch Verunreinigungen in Form weiterer Kunststoffe. Daher wollte das Team auch sehen, ob die Reaktion auch in Gegenwart von Verunreinigungen funktionieren würde. Sie experimentierten mit Plastikgegenständen, die sonst weggeworfen würden, darunter ein Entsafter und ein Brotbeutel, die beide Spuren anderer Polymere als Polypropylen und Polyethylen enthielten. Die Reaktion ergab nur geringfügig weniger Propylen und Isobutylen als bei den reinen Versionen der Polyolefine.
Bei einem weiteren Test wurden verschiedene Kunststoffe wie PET und PVC in Polypropylen und Polyethylen eingebracht, um zu sehen, ob sich dadurch ein Unterschied ergibt. Diese reduzierten den Ertrag tatsächlich erheblich. Damit dieser Ansatz erfolgreich ist, müssen alle bis auf kleinste Spuren von Verunreinigungen aus Polypropylen- und Polyethylenprodukten entfernt werden, bevor sie recycelt werden.
Auch wenn mit dieser Recyclingmethode tonnenweise Abfall vermieden werden könnte, muss sie dafür deutlich ausgeweitet werden. Als das Forschungsteam das Experiment vergrößerte, lieferte es das gleiche Ergebnis, das für die Zukunft vielversprechend aussieht. Bevor wir unseren Plastikmüll reduzieren können, müssen wir jedoch eine beträchtliche Infrastruktur aufbauen.
„Wir hoffen, dass die beschriebene Arbeit… zu praktischen Methoden für… führen wird. [producing] neue Polymere“, sagten die Forscher in derselben Studie. „Dadurch könnten die Nachfrage nach der Produktion dieser lebenswichtigen Chemikalien aus fossilen Kohlenstoffquellen und die damit verbundenen Treibhausgasemissionen deutlich reduziert werden. »
Diese Geschichte wurde ursprünglich auf veröffentlicht Ars Technica.