Der von Forschern der Universität Cambridge entwickelte Reaktor wird mit Sonnenenergie betrieben und könnte eine billigere, nachhaltigere Alternative zu den derzeitigen Recyclingmethoden auf chemischer Basis darstellen. Nach Ansicht des Teams könnte ihre Methode ein Kreislaufsystem schaffen, bei dem ein Abfallstrom einen anderen löst.
Säure kann Kunststoffe aufbrechen
Weltweit werden mehr als 400 Millionen t Kunststoff pro Jahr produziert, aber nur 18 Prozent davon werden recycelt. Der Rest wird verbrannt, deponiert oder gelangt in die Ökosysteme. Die Forscher sagen, dass ihre Methode, die als solarbetriebene saure Photoreformierung bekannt ist, ein Teil der Lösung für den globalen Plastikmüllberg sein könnte.
Die Forscher haben einen Photokatalysator entwickelt, der robust genug ist, um den stark ätzenden Wirkungen von Säure zu widerstehen und gleichzeitig die Säure in verbrauchten Autobatterien produktiv zu nutzen, die normalerweise neutralisiert und entsorgt wird.
„Die Entdeckung war fast zufällig“, sagte Professor Erwin Reisner vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, der die Forschung leitete. „Früher dachten wir, dass Säure in diesen solarbetriebenen Systemen völlig tabu sei, weil sie einfach alles auflösen würde. Aber der von uns entwickelte Katalysator tat das nicht - und plötzlich eröffnete sich eine ganz neue Welt von Reaktionen.„
„Säuren werden schon seit langem verwendet, um Kunststoffe aufzubrechen, aber wir hatten nie einen billigen und skalierbaren Photokatalysator, der ihnen standhalten konnte“, sagt Hauptautor Kay Kwarteng, ein Doktorand in Reisners Forschungsgruppe, der den Photokatalysator entwickelt hat. „Sobald wir dieses Problem gelöst hatten, wurden die Vorteile dieser Art von System offensichtlich.“
Fortschritt gegenüber derzeitigen Technologien
Bei der von Kwarteng, Reisner und ihren Kollegen entwickelten Methode werden zunächst Kunststoffabfälle mit der Säure aus Autobatterien behandelt, wobei die langen Polymerketten in chemische Bausteine wie Ethylenglykol zerlegt werden, die der Photokatalysator dann bei Sonneneinstrahlung in Wasserstoff und Essigsäure (den Hauptbestandteil von Essig) umwandelt. I´n Labortests erzielte der Reaktor eine hohe Wasserstoffausbeute und produzierte Essigsäure mit hoher Selektivität. Außerdem lief er mehr als 260 h ohne Leistungseinbußen.
Der Ansatz funktioniert für verschiedene Arten von Kunststoffabfällen, sogar für solche, die derzeit schwer zu recyceln sind, wie Nylon und Polyurethan. Dies ist ein echter Fortschritt gegenüber den derzeitigen Upcycling-Technologien, die nur für PET geeignet sind.
Der Ansatz funktioniert nicht nur mit neuer Säure in Laborqualität, sondern auch mit der aus Autobatterien zurückgewonnenen Säure. Diese Batterien enthalten zwischen 20 und 40 Prozent ihres Volumens an Säure und werden jedes Jahr weltweit in großer Zahl ausgetauscht. Das Blei in diesen Batterien wird in der Regel für den Wiederverkauf extrahiert, aber die Säure verursacht zusätzlichen Abfall, sobald sie sicher neutralisiert ist.
„Das ist eine ungenutzte Ressource“, sagt Kwarteng. „Wenn wir die Säure auffangen können, bevor sie neutralisiert wird, können wir sie immer wieder verwenden, um Kunststoffe abzubauen: Das ist eine echte Win-Win-Situation, da wir die Umweltkosten für die Neutralisierung der Säure vermeiden und sie gleichzeitig zur Erzeugung von sauberem Wasserstoff nutzen können.
Die Forscher sagen, dass ihre Methode eine potenzielle Kostenreduzierung um eine Größenordnung im Vergleich zu anderen Photoreforming-Ansätzen bietet, vor allem weil die Säure höhere Wasserstoffproduktionsraten ermöglicht und wiederverwendet werden kann, anstatt verbraucht oder verschwendet zu werden.
Laut Kwarteng sind zwar noch einige Herausforderungen zu bewältigen, zum Beispiel muss sichergestellt werden, dass die Reaktoren den korrosiven Bedingungen standhalten können, aber die chemischen Grundlagen sind solide. „Diese Säuren werden in der Industrie bereits sicher gehandhabt“, sagte er. „Die Frage, die sich jetzt stellt, ist die technische: Wie bauen wir Reaktoren, die kontinuierlich betrieben werden können und mit realen Abfällen umgehen können?“
Wert schaffen – obwohl Problem bestehen bleibt
Die Forscher sagen, dass ihr Ansatz das herkömmliche Recycling nicht ersetzen wird, aber er könnte es ergänzen, indem er verunreinigte oder gemischte Kunststoffe behandelt, für die es derzeit keinen gangbaren Weg zur Wiederverwendung gibt.
„Wir versprechen nicht, dass wir das globale Kunststoffproblem lösen werden“, so Reisner. „Aber es zeigt, wie Abfall zu einer Ressource werden kann. Die Tatsache, dass wir mit Hilfe von Sonnenlicht und ausrangierter Batteriesäure aus Kunststoffabfällen einen Wert schaffen können, macht dieses Verfahren wirklich vielversprechend.“
Das Team plant, dieses Verfahren mit Unterstützung von Cambridge Enterprise, dem Innovationszweig der Universität, und einem UKRI Impact Acceleration Account zu kommerzialisieren. Die Forschung wurde zum Teil vom Cambridge Trust, der Royal Academy of Engineering, dem Leverhulme Trust, dem Isaac Newton Trust und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), einem Teil des UK Research and Innovation (UKRI), unterstützt. Erwin Reisner ist Mitglied des St John's College, Cambridge. Kay Kwarteng ist Mitglied des Churchill College, Cambridge.
