Die Zukunft des Kunststoffrecyclings könnte bald viel einfacher, weniger frustrierend und weniger mühsam werden. In einer neuen Studie haben Chemiker der Northwestern University ein Verfahren zum Upcycling von Kunststoffen vorgestellt. Damit lässt sich die mühsame Vorsortierung gemischter Kunststoffabfälle drastisch reduzieren oder vielleicht sogar ganz umgehen.
Verfahren zum Upcycling von Polyolefinen ohne Vorsortierung
Das Verfahren nutzt einen neuen, kostengünstigen Katalysator auf Nickelbasis, der Polyolefin-Kunststoffe, also Einwegkunststoffe, die fast zwei Drittel des weltweiten Kunststoffverbrauchs ausmachen, selektiv abbaut. Das bedeutet, dass industrielle Anwender den Katalysator auf große Mengen unsortierter Polyolefinabfälle anwenden könnten.
Beim Abbau der Polyolefine durch den Katalysator verwandeln sich die minderwertigen festen Kunststoffe in flüssige Öle und Wachse, die zu höherwertigen Produkten wie Schmiermitteln, Kraftstoffen und Kerzen upcycelt werden können. Der neue Katalysator kann nicht nur mehrfach verwendet werden, sondern baut auch Kunststoffe ab, die mit Polyvinylchlorid (PVC) kontaminiert sind. PVC ist ein giftiges Polymer, das Kunststoffe bekanntermaßen „nicht recycelbar“ macht.
„Eine der größten Hürden beim Kunststoffrecycling war schon immer die Notwendigkeit, Kunststoffabfälle sorgfältig nach Art zu sortieren“, sagte Tobin Marks von der Northwestern University, der leitende Autor der Studie. „Unser neuer Katalysator könnte diesen kostspieligen und arbeitsintensiven Schritt für gängige Polyolefin-Kunststoffe umgehen und das Recycling effizienter, praktischer und wirtschaftlicher machen als derzeitige Strategien.“
„Wenn Menschen an Kunststoff denken, dann wahrscheinlich an Polyolefine“, sagte Yosi Kratish von der Northwestern University, Mitautor der Studie. „Im Grunde genommen besteht fast alles in Ihrem Kühlschrank aus Polyolefinen: Spritzflaschen für Gewürze und Salatdressings, Milchkannen, Plastikfolie, Müllbeutel, Einweggeschirr, Saftkartons und vieles mehr. Diese Kunststoffe haben eine sehr kurze Lebensdauer und sind daher meist Einwegprodukte. Wenn es keine effiziente Recyclingmöglichkeit gibt, landen sie auf Deponien und in der Umwelt, wo sie jahrzehntelang verbleiben, bevor sie zu schädlichen Mikroplastikpartikeln zerfallen.“
Das Dilemma der Polyolefine
Von Joghurtbechern und Snackverpackungen bis hin zu Shampooflaschen und medizinischen Masken – die meisten Menschen kommen mehrmals am Tag mit Polyolefin-Kunststoffen in Berührung. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit sind Polyolefine die am häufigsten verwendeten Kunststoffe weltweit. Schätzungen zufolge produziert die Industrie jährlich mehr als 220 Millionen t Polyolefin-Produkte. Laut einem Bericht der Fachzeitschrift Nature aus dem Jahr 2023 ist die Recyclingquote für Polyolefin-Kunststoffe jedoch alarmierend niedrig und liegt weltweit zwischen 0,1 Prozent und 10 Prozent.
Der Hauptgrund für diese enttäuschende Quote ist die robuste und hartnäckige Zusammensetzung von Polyolefinen. Sie enthalten kleine Moleküle, die durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen miteinander verbunden sind. Diese sind bekanntermaßen schwer zu brechen. „Wenn wir Katalysatoren entwickeln, zielen wir auf Schwachstellen ab“, sagte Kratish. „Aber Polyolefine haben keine Schwachstellen. Jede Bindung ist unglaublich stark und chemisch nicht reaktiv.“
Probleme mit den derzeitigen Verfahren
Derzeit gibt es nur wenige, nicht ganz ideale Verfahren, mit denen Polyolefine recycelt werden können. Sie können zu Flocken zerkleinert werden, die dann geschmolzen und zu minderwertigen Kunststoffgranulaten downcycelt werden. Da verschiedene Kunststoffarten jedoch unterschiedliche Eigenschaften und Schmelzpunkte haben, müssen die Arbeiter die verschiedenen Kunststoffarten sorgfältig voneinander trennen. Selbst geringe Mengen anderer Kunststoffe, Lebensmittelreste oder nicht-plastischer Materialien können eine ganze Charge unbrauchbar machen. Und diese unbrauchbaren Chargen landen direkt auf der Deponie.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Kunststoffe auf unglaublich hohe Temperaturen von 400 bis 700 °C zu erhitzen. Dieser Prozess zerlegt Polyolefin-Kunststoffe zwar in eine nützliche Mischung aus Gasen und Flüssigkeiten, ist jedoch extrem energieintensiv. „Natürlich kann man alles verbrennen“, sagte Kratish. „Wenn man genug Energie aufwendet, kann man alles in Kohlendioxid und Wasser umwandeln. Aber wir wollten einen eleganten Weg finden, um mit einem Minimum an Energie ein Produkt mit maximalem Wert zu erhalten.“
Präzisionstechnik
Um diese elegante Lösung zu finden, wandten sich Marks, Kratish und ihr Team der Hydrogenolyse zu, einem Verfahren, bei dem Polyolefin-Kunststoffe mithilfe von Wasserstoffgas und einem Katalysator in kleinere, nutzbare Kohlenwasserstoffe zerlegt werden. Zwar gibt es bereits Hydrogenolyse-Verfahren, doch erfordern diese in der Regel extrem hohe Temperaturen und teure Katalysatoren aus Edelmetallen wie Platin und Palladium.
„Die Produktion von Polyolefinen ist enorm, aber die weltweiten Edelmetallreserven sind sehr begrenzt“, sagte Lai. „Wir können nicht die gesamten Metallvorräte für die Chemie verwenden. Und selbst wenn wir das täten, würde es immer noch nicht ausreichen, um das Plastikproblem zu lösen. Deshalb interessieren wir uns für Metalle, die auf der Erde reichlich vorhanden sind.“
Für seinen Polyolefin-Recycling-Katalysator hat das Team der Northwestern University kationisches Nickel ausgewählt, das aus einer reichlich vorhandenen, kostengünstigen und im Handel erhältlichen Nickelverbindung synthetisiert wird. Während andere Katalysatoren auf Nickel-Nanopartikelbasis mehrere Reaktionsstellen haben, hat das Team einen molekularen Katalysator mit einer einzigen Reaktionsstelle entwickelt.
Durch das Design mit einer einzigen Stelle wirkt der Katalysator wie ein hochspezialisiertes Skalpell, das bevorzugt Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen durchtrennt, anstatt wie ein weniger kontrollierbares stumpfes Instrument, das wahllos die gesamte Struktur des Kunststoffs aufbricht. Dadurch ermöglicht der Katalysator den selektiven Abbau von verzweigten Polyolefinen (wie isotaktischem Polypropylen), wenn diese mit unverzweigten Polyolefinen gemischt sind, und trennt sie so chemisch effektiv voneinander.
„Im Vergleich zu anderen Katalysatoren auf Nickelbasis verwendet unser Verfahren einen Single-Site-Katalysator, der bei einer um 100 °C niedrigeren Temperatur und bei der Hälfte des Wasserstoffgasdrucks arbeitet“, sagte Kratish. „Außerdem verwenden wir zehnmal weniger Katalysator und unsere Aktivität ist zehnmal höher. Wir sind also in allen Kategorien überlegen.“
Beschleunigt durch Verunreinigungen
Mit seiner einzigen, genau definierten und isolierten aktiven Stelle verfügt der nickelbasierte Katalysator über eine beispiellose Aktivität und Stabilität. Der Katalysator ist thermisch und chemisch so stabil, dass er selbst bei Kontakt mit Verunreinigungen wie PVC seine Kontrollfunktion beibehält. PVC wird in Rohren, Bodenbelägen und medizinischen Geräten verwendet und sieht ähnlich aus wie andere Kunststoffe, ist jedoch bei Erwärmung deutlich weniger stabil. Bei der Zersetzung setzt PVC Chlorwasserstoffgas frei, ein stark korrosives Nebenprodukt, das in der Regel Katalysatoren deaktiviert und den Recyclingprozess stört.
Erstaunlicherweise widerstand der Katalysator der Northwestern University nicht nur der PVC-Kontamination, sondern PVC beschleunigte sogar seine Aktivität. Selbst wenn das Gesamtgewicht der Abfallmischung zu 25 Prozent aus PVC bestand, stellten die Wissenschaftler fest, dass ihr Katalysator immer noch mit verbesserter Leistung arbeitete. Dieses unerwartete Ergebnis deutet darauf hin, dass die Methode des Teams eine der größten Hürden beim Recycling von gemischten Kunststoffen überwinden könnte – nämlich den Abbau von Abfällen, die derzeit aufgrund von PVC-Verunreinigungen als „nicht recycelbar” gelten. Der Katalysator kann auch durch eine einfache Behandlung mit kostengünstigem Alkylaluminium über mehrere Zyklen hinweg regeneriert werden. „Das Hinzufügen von PVC zu einer Recyclingmischung war schon immer verboten“, sagte Kratish. „Aber anscheinend verbessert es unseren Prozess sogar noch. Das ist verrückt. Damit hätte definitiv niemand gerechnet.“
Aus dem Englisch übersetzt mit DeepL.
