- Unser Planet erstickt an Plastik, insbesondere an Polypropylen und Polyethylen. Diese Kunststoffe benötigen Jahrzehnte zum Abbau und produzieren dabei Methan. Forscher an der University of California, Berkeley, haben eine Methode entwickelt, diese Polymere mithilfe von Katalysatoren zu recyceln. Der eingesetzte Recyclingprozess ist als isomerisierende Ethenolyse bekannt. Diese Methode ist wirtschaftlicher und effektiver, obwohl hohe Temperaturen erforderlich sind.
Unser Planet erstickt an Plastik. Besonders problematisch sind Polypropylen, das für Lebensmittelverpackungen und Stoßfänger verwendet wird, und Polyethylen, das in Plastiktüten, Flaschen, Spielzeugen und sogar Mulch zu finden ist. Diese Kunststoffe benötigen Jahrzehnte, um auf Deponien abzubauen und produzieren dabei oft große Mengen Methan, ein starkes Treibhausgas. Beide sind Polyolefine, das Ergebnis der Polymerisierung von Ethylen und Propylen, Rohmaterialien, die hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Die Bindungen von Polyolefinen sind berüchtigt schwer zu brechen.
Nun haben Forscher an der University of California, Berkeley, eine Methode entwickelt, diese Polymere mithilfe von Katalysatoren zu recyceln, die ihre Bindungen leicht aufbrechen und in Propylen und Isobutylen umwandeln, die bei Raumtemperatur gasförmig sind. Diese Gase können dann zu neuen Kunststoffen recycelt werden.
Die Entkopplung der Polyolefine
Der eingesetzte Recyclingprozess ist als isomerisierende Ethenolyse bekannt, der auf einem Katalysator basiert, der Olefin-Polymerketten in ihre kleinen Moleküle aufspaltet. Die Bindungen in Polyethylen und Polypropylen sind sehr widerstandsfähig gegen chemische Reaktionen, da beide Polyolefine lange Ketten aus einfachen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen besitzen. Im Gegensatz dazu haben die meisten Polymere mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, die viel leichter zu brechen ist.
Die Forscher hatten isomerisierende Ethenolyse bereits zuvor ausprobiert, aber die damaligen Katalysatoren waren teure Metalle, die nicht lange genug rein blieben, um das gesamte Plastik in Gas umzuwandeln. Die Verwendung von Natrium auf Aluminiumoxid, gefolgt von Wolframoxid auf Siliziumdioxid, erwies sich als viel wirtschaftlicher und effektiver, obwohl die für die Reaktion erforderlichen hohen Temperaturen die Kosten etwas erhöhten.
In beiden Kunststoffen brach die Einwirkung von Natrium auf Aluminiumoxid jede Polymerkette in kürzere Ketten auf und erzeugte an den Enden brechbare Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die Ketten brachen wiederholt weiter. Anschließend durchliefen sie einen zweiten Prozess, bekannt als Olefin-Metathese.
Erfolgreiche Reaktion
Während der Olefin-Metathese wurden die Polymere einem Strom von Ethylengas ausgesetzt, der in eine Reaktionskammer einströmt, während sie gleichzeitig Wolframoxid auf Siliziumdioxid ausgesetzt wurden. Dies führte zum Bruch der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Die Reaktion bricht alle Bindungen in Polyethylen und Polypropylen, wobei die Kohlenstoffatome, die während dieses Prozesses freigesetzt werden, an Moleküle von Ethylen gebunden werden.
„Das Ethylen ist für diese Reaktion entscheidend, da es ein Korreagenz ist“, erklärte der Forscher R.J. Conk. „Die gebrochenen Bindungen reagieren dann mit Ethylen, das die Bindungen von der Kette entfernt. Ohne Ethylen kann die Reaktion nicht stattfinden.“
Die gesamte Kette wird katalysiert, bis Polyethylen vollständig in Propylen und Polypropylen in eine Mischung aus Propylen und Isobutylen umgewandelt ist.
Optimierung der Kunststoffmischung
Diese Methode weist eine hohe Selektivität auf, was bedeutet, dass sie eine große Menge des gewünschten Produkts produziert: Propylen aus Polyethylen und sowohl Propylen als auch Isobutylen aus Polypropylen. Beide Chemikalien sind sehr gefragt; Propylen ist ein wichtiges Rohmaterial für die chemische Industrie, während Isobutylen ein häufig verwendetes Monomer in vielen verschiedenen Polymeren ist, einschließlich synthetischem Gummi und einem Benzinadditiv.
Da Kunststoffe in Recyclingzentren oft gemischt werden, wollten die Forscher herausfinden, was passiert, wenn Polypropylen und Polyethylen gemeinsam einer isomerisierenden Ethenolyse unterzogen werden. Die Reaktion war erfolgreich und verwandelte die Mischung in Propylen und Isobutylen, wobei leicht mehr Propylen als Isobutylen entstand.
Mischungen enthalten auch typischerweise Verunreinigungen in Form von zusätzlichen Kunststoffen. Das Team wollte ebenfalls überprüfen, ob die Reaktion bei Vorhandensein von Verunreinigungen funktioniert. Sie experimentierten mit Plastikobjekten, die normalerweise weggeworfen würden, einschließlich einer Zentrifuge und einer Brottüte, die beide Spuren anderer Polymere neben Polypropylen und Polyethylen enthielten. Die Reaktion ergab nur geringfügig weniger Propylen und Isobutylen als bei unvermischten Polyolefinen.
Ein weiterer Test bestand darin, verschiedene Kunststoffe wie PET und PVC zu Polypropylen und Polyethylen hinzuzufügen, um zu sehen, ob dies einen Unterschied macht. Diese verringerten die Ausbeute erheblich. Damit dieser Ansatz erfolgreich ist, müssen alle bis auf die geringsten Spuren von Verunreinigungen aus Produkten entfernt werden, bevor sie recycelt werden.
Während diese Recyclingmethode wie eine Lösung für massive Plastikabfälle erscheint, muss sie in großem Maßstab umgesetzt werden. Als das Forschungsteam das Experiment vergrößerte, erzielte es die gleichen Ergebnisse, was vielversprechend für die Zukunft aussieht. Dennoch muss erhebliche Infrastruktur aufgebaut werden, bevor dies einen spürbaren Effekt auf unsere Plastikabfälle haben könnte.
„Wir hoffen, dass die beschriebene Arbeit zu praktischen Methoden für die Herstellung neuer Polymere führt“, erklärten die Forscher. „Damit könnte die Nachfrage nach der Produktion dieser essenziellen Chemikalien aus fossilen Kohlenstoffquellen und die damit verbundenen Treibhausgasemissionen erheblich reduziert werden.“
