Kunststoff ist aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken – ob in Wasserflaschen, Einkaufstüten oder Armaturenbrettern von Autos. Doch sobald er weggeworfen wird, gehört er zu den Materialien auf der Erde, die am schwersten zu recyceln sind. Bei den meisten Recyclingverfahren muss Kunststoff zunächst nach Sorten sortiert werden – ein Schritt, der sowohl aufwendig als auch kostspielig ist. Deshalb werden tatsächlich nur 9 Prozent des weggeworfenen Kunststoffs recycelt, während 79 Prozent auf Deponien landen und weitere 12 Prozent verbrannt werden, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird.
Nun hat ein Team unter der gemeinsamen Leitung von Forschern der UCLA Samueli School of Engineering und der Ewha Womans University in Südkorea einen neuen chemischen Ansatz vorgestellt, der eine Mischung aus den drei gängigsten Kunststoffen bei Temperaturen, die weit unter denen der herkömmlichen Vergasung liegen, direkt in hochreinen Wasserstoff als Brennstoff umwandelt. Bei diesem Verfahren wird Kohlendioxid als festes Mineral gebunden, ohne dass das Treibhausgas in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Wie ATT drei Kunststoffarten gleichzeitig verarbeitet
Die Studie zeigt, dass die alkalische thermische Behandlung (ATT) – ein Verfahren, bei dem Natriumhydroxid unter Hitzeeinwirkung mit organischem Material reagiert, um die Wasserstoffproduktion anzutreiben – gemischte Abfälle aus Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) in einem einzigen Reaktor effizient verarbeiten und dabei Wasserstoffgas mit einer Reinheit von über 90 Prozent erzeugen, ohne dass eine Sortierung der Kunststoffarten erforderlich ist.
„Wir lösen zwei dringende globale Probleme gleichzeitig“, sagte die Mitautorin Ah-Hyung „Alissa“ Park, Ronald- und Valerie-Sugar-Dekanin der UCLA Samueli und Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik. „Plastikmüll häuft sich in alarmierendem Ausmaß an, und sauberer Wasserstoff ist für die Dekarbonisierung der Energieversorgung unverzichtbar. Diese Technologie geht beide Herausforderungen auf kreative und skalierbare Weise an.“
Das ATT-Verfahren wurde aus einer Methode abgeleitet, die ursprünglich von Park und dem Mitautor der Studie, Woo-Jae Kim, Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der Ewha Womans University, als klimaneutrale Methode zur Umwandlung von Biomasse wie Seetang in Wasserstoffgas entwickelt wurde. In Laborexperimenten nutzte das Team das modifizierte ATT-Verfahren, um PET, PE und PP in hochreinen Wasserstoff umzuwandeln. Der Ansatz lieferte deutlich mehr Wasserstoff aus PET, während er bei Temperaturen arbeitete, die 300 bis 400 °C niedriger waren als bei der herkömmlichen Dampfvergasung.
Im Gegensatz zu PET waren Polyethylen und Polypropylen bei der Erzeugung von Wasserstoffgas zunächst weniger effektiv, da sie ausschließlich aus Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bestehen und unter alkalischen Bedingungen chemisch inert sind. Um sie zu aktivieren, entwickelten die Forscher eine thermische Oxidationsvorbehandlung, bei der die Kunststoffe vor der Hauptreaktion kurz milder Wärme an der Luft ausgesetzt werden. Dieser Schritt führt sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen in die Polymerketten ein und schafft so reaktive Stellen, an denen die alkalische Behandlung wirken kann.
Effiziente Zersetzung von Kunststoffen
Nach der Aktivierung zersetzen sich alle drei Kunststoffe effizient. Der bei der Reaktion freigesetzte Kohlenstoff wird vom Natriumhydroxid-Reagenz gebunden und in festes Natriumcarbonat umgewandelt, anstatt als Kohlendioxid in die Atmosphäre zu entweichen. Eine Analyse nach der Reaktion ergab, dass mehr als 75 Prozent des ursprünglichen Kohlenstoffs aus dem Kunststoff entweder als stabiles Carbonat oder als flüssige organische Rückstände verbleiben. Weniger als 13 Prozent treten in gasförmiger Form auf, und die direkte Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre während der Reaktion ist vernachlässigbar. Das Natriumcarbonat kann wiederum durch ein einfaches Rückgewinnungsverfahren in Kalziumcarbonat umgewandelt werden, wodurch der Kohlenstoff dauerhaft in einem Mineral gebunden wird, das in traditionell kohlenstoffintensiven Industrien weit verbreitet ist.
Bisherige Niedertemperaturverfahren zur Umwandlung von Kunststoffabfällen in Wasserstoff, wie beispielsweise die solarbetriebene Photoreformierung und die elektrochemische Umwandlung, funktionieren nur bei sauerstoffhaltigen Kunststoffen wie PET – wodurch Polyethylen und Polypropylen, zwei der am häufigsten vorkommenden Kunststoffe im Abfallstrom, unberücksichtigt bleiben. Die Hochtemperaturvergasung kann unsortierte Kunststoffgemische verarbeiten, setzt dabei jedoch erhebliche Mengen an Kohlendioxid frei. ATT ist die erste Anwendung der vom Team entwickelten Methode, mit der alle drei Einschränkungen gleichzeitig überwunden werden.
„Durch die Senkung der Sortierkosten und der Prozesskomplexität, die bislang wesentliche Hindernisse für die Kommerzialisierung darstellten, hat diese Technologie das Potenzial, zu einer Kerntechnologie der nächsten Generation zu werden, die sowohl die Wasserstoffwirtschaft als auch die Kreislaufwirtschaft unterstützt“, so Kim.
Die Forscher weisen darauf hin, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, um den Prozess zu optimieren und seine wirtschaftliche Tragfähigkeit zu bewerten, bevor er in großem Maßstab eingesetzt werden kann.
Die Forschung wurde von der National Research Foundation of Korea unterstützt. Zu den weiteren Autoren zählen Jieun Park, Hyerin Seo und Jiwon Lee von der Ewha Womans University; Hyunah Kim von der Korea Aerospace University; Hyung-Kyu Lim von der Kangwon National University sowie Wonho Jung von der Sogang University.
