PVC, oder Polyvinylchlorid, ist einer der am meisten produzierten Kunststoffe in den Vereinigten Staaten und der dritthäufigste in der Welt. Diese Kunststoffart macht einen großen Teil der Kunststoffe aus, die wir täglich verwenden. Ein großer Teil des Kunststoffs, der in Krankenhausausrüstungen verwendet wird – Schläuche, Blutbeutel, Masken und vieles mehr – besteht aus PVC, ebenso wie die meisten Rohre, die in modernen Sanitäranlagen verwendet werden. Fensterrahmen, Hausverkleidungen, Verkleidungen und Fußböden bestehen aus PVC oder enthalten PVC. Es ummantelt elektrische Leitungen und lässt sich in den Materialien von Duschvorhängen, Zelten, Planen und Kleidung finden. Außerdem liegt die Recyclingquote in den Vereinigten Staaten bei null Prozent.
Die Chemikerin Anne McNeil und die Postdoktorandin Danielle Fagnani von der University of Michigan haben nun einen Weg gefunden, Polyvinylchlorid-Kunststoff zu recyceln, einen Kunststoff, der in den USA bisher nicht wiederverwertet wird. Jetzt haben Forscher der Universität Michigan unter der Leitung der Erstautorin der Studie, Danielle Fagnani, und der Studienleiterin Anne McNeil einen Weg gefunden, PVC chemisch zu recyceln und in brauchbares Material umzuwandeln. Das Erfreulichste an der Studie? Die Forscher fanden einen Weg, die Phthalate in den Weichmachern – eine der schädlichsten Komponenten von PVC – als Vermittler für die chemische Reaktion zu nutzen.
„PVC ist die Art von Kunststoff, mit der niemand etwas zu tun haben will, weil es eine Reihe von Problemen mit sich bringt“, so Fagnani, der die Arbeit als Postdoktorand am Department of Chemistry der U-M abgeschlossen hat. „PVC enthält in der Regel eine Menge Weichmacher, die alles im Recyclingstrom verunreinigen und in der Regel sehr giftig sind. Außerdem setzt es bei etwas Hitze sehr schnell Salzsäure frei.“
Normalerweise wird Kunststoff recycelt, indem er eingeschmolzen und in die minderwertigeren Materialien umgewandelt wird (mechanisches Recycling). Wenn PVC jedoch erhitzt wird, werde einer seiner Hauptbestandteile, die so genannten Weichmacher, sehr leicht aus dem Material herausgelöst, so McNeil. Sie können dann in andere Kunststoffe im Recyclingstrom übergehen. Außerdem löst sich Salzsäure bei Hitze leicht aus dem PVC. Sie könnte die Recyclinganlagen korrodieren und chemische Verätzungen an Haut und Augen verursachen – nicht ideal für die Arbeiter in einer Recyclinganlage. Darüber hinaus sind Phthalate – ein gängiger Weichmacher – hochgiftige endokrine Disruptoren, das heißt sie können die Schilddrüsen-, Wachstums- und Fortpflanzungshormone von Säugetieren, einschließlich des Menschen, beeinträchtigen.
Weniger Schadstoffe dank neuer Technik?
Um einen Weg zu finden, PVC zu recyceln, der keine Hitze erfordert, begann Fagnani mit der Elektrochemie. Dabei entdeckten sie und ihr Team, dass der Weichmacher, der eines der größten Probleme beim Recycling darstellt, in der Methode zum Abbau von PVC verwendet werden kann. Tatsächlich verbessert der Weichmacher die Effizienz der Methode, und die elektrochemische Methode löst das Problem mit der Salzsäure.
„Wir haben festgestellt, dass immer noch Salzsäure freigesetzt wird, aber viel langsamer und kontrollierter“, so Fagnani. Laut Fagnani ist PVC ein Polymer mit einem Kohlenwasserstoffgerüst, das aus einzelnen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen besteht. An jede zweite Kohlenstoffgruppe ist eine Chlorgruppe gebunden. Bei Wärmeaktivierung springt die Salzsäure schnell ab, was zu einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung entlang des Polymerrückgrats führt.
Großes Potenzial
Das Forscherteam nutzt jedoch die Elektrochemie, um ein Elektron in das System einzubringen, wodurch das System negativ geladen wird. Dadurch wird die Kohlenstoff-Chlorid-Bindung gebrochen und es entsteht ein negativ geladenes Chlorid-Ion. Da die Forscher die Elektrochemie nutzen, können sie die Geschwindigkeit, mit der Elektronen in das System eingebracht werden, messen – und damit steuern, wie schnell Salzsäure produziert wird.
Die Säure kann dann von der Industrie als Reagenz für andere chemische Reaktionen verwendet werden. Die Chloridionen können auch verwendet werden, um kleine Moleküle, die Arene, zu chlorieren. Diese Arene können in pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Komponenten verwendet werden. Von dem Polymer ist noch Material übrig, für das die Gruppe laut McNeil noch nach einer Verwendung sucht. Laut Fagnani zeige die Studie, dass auch Wissenschaftler über das chemische Recycling anderer schwieriger Materialien nachdenken sollten.
„Wir müssen strategisch mit den Additiven in den Kunststoffformulierungen umgehen. Wir sollten über die Verwendung während des Gebrauchs und am Ende des Gebrauchs aus der Perspektive der Zusatzstoffe nachdenken“, sagte Fagnani, der jetzt als Forscher bei Ashland arbeitet, einem Unternehmen, das sich auf die Herstellung biologisch abbaubarer Spezialzusatzstoffe für Konsumgüter wie Waschmittel, Sonnenschutzmittel und Shampoos konzentriert. „Die derzeitigen Gruppenmitglieder versuchen, die Effizienz dieses Prozesses noch weiter zu verbessern.“
Fokus Wiederverwertung
Der Schwerpunkt von McNeil liegt auf der Entwicklung von Verfahren zur chemischen Wiederverwertung verschiedener Kunststoffarten. Durch die Zerlegung von Kunststoffen in ihre Bestandteile könnten nicht abgebaute Materialien gewonnen werden, die die Industrie wieder in die Produktion einbeziehen kann.
„Es ist ein Versagen der Menschheit, diese erstaunlichen Materialien geschaffen zu haben, die unser Leben in vielerlei Hinsicht verbessert haben, aber gleichzeitig so kurzsichtig zu sein, dass wir nicht darüber nachgedacht haben, was wir mit dem Abfall machen sollen“, sagte McNeil. „In den Vereinigten Staaten haben wir immer noch eine Recyclingquote von 9 Prozent, und das sind nur einige wenige Kunststoffarten. Und selbst bei den Kunststoffen, die wir recyceln, führt dies zu immer schlechteren Polymeren. Unsere Getränkeflaschen werden nie wieder zu Getränkeflaschen. Sie werden zu Textilien oder Parkbänken, die dann auf einer Mülldeponie landen.“
