Wissenschaftler verbessern die Recyclingfähigkeit von Kunststoffabfällen

14. März 2023

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von Savannah Mitchem, Argonne National Laboratory

Kunststoffe sind unglaubliche Materialien mit Eigenschaften, die für das Funktionieren unserer modernen Welt von unschätzbarem Wert sind. Sie sind stark, flexibel, vielseitig, langlebig und kostengünstig. Insbesondere hochdichtes Polyethylen (HDPE) ist in Einweganwendungen wie Verpackungen und Behältern allgegenwärtig. Möglicherweise haben Sie es mit der Nummer zwei innerhalb des dreieckigen Recyclingsymbols gesehen.

Aber die Art und Weise, wie wir HDPE produzieren und unsere derzeitigen Recyclingmethoden stellen eine Gefahr für unsere eigene Gesundheit und die unseres Planeten dar. Viele HDPE-Produkte werden aus fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas oder Kohle) hergestellt und haben einen enormen CO2-Fußabdruck. Und anstatt wiederverwendet oder recycelt zu werden, werden die meisten HDPE-Abfälle verbrannt, auf Mülldeponien gelagert oder verunreinigen die Umwelt. Beim Recycling nimmt die Qualität des Materials ab.

Wissenschaftler des Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP) des US-Energieministeriums (DOE) haben eine neue Methode zum Recycling von HDPE entwickelt. Mithilfe eines neuartigen katalytischen Ansatzes haben die iCOUP-Wissenschaftler vom Argonne National Laboratory des DOE und der Cornell University HDPE-Abfälle aus Kunststoff in ein neues Material umgewandelt, das ohne Qualitätsverlust wiederholt recycelt werden kann.

Ein Artikel, der ihre Arbeit beschreibt, wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

„Kunststoffe werden uns für immer begleiten. Sie bieten Funktionen, die kein anderes Material bieten kann. Wir müssen Wege finden, die schädlichen Auswirkungen der Verwendung von Kunststoffen durch eine Verbesserung der Recyclingfähigkeit zu reduzieren“, sagte Massimiliano Delferro von Argonne, Wissenschaftler an der Studie.

Der neue Ansatz des Teams wandelt gebrauchtes HDPE in ein vollständig recycelbares und potenziell biologisch abbaubares Material mit denselben mechanischen und thermischen Eigenschaften wie der ursprüngliche Einwegkunststoff um. Bei breiter Anwendung könnten Ansätze wie dieser letztendlich dazu beitragen, den mit HDPE verbundenen Kohlenstoffausstoß und die Umweltverschmutzung zu reduzieren.

„Wir nutzen Plastikabfälle als Quelle statt fossiler Brennstoffe“, sagte Geoffrey Coates von der Cornell University, ein weiterer Wissenschaftler an der Studie. „Anstatt nach Öl zu bohren und die Umwelt zu verschmutzen, verwenden wir Dinge, die sonst verbrannt oder auf einer Mülldeponie gelagert würden.“

Wie andere Kunststoffe besteht HDPE aus langen Atomketten, den sogenannten Polymerketten. Der neue Ansatz des Teams nutzt eine Reihe von Katalysatoren – oder Chemikalien, die chemische Reaktionen beschleunigen –, um die HDPE-Polymerketten in kürzere Stücke zu brechen, die an den Enden reaktive Atomgruppen enthalten. Diese Teile können dann wieder zusammengesetzt oder repolymerisiert werden, um neue Kunststoffprodukte zu bilden. Die reaktiven Endgruppen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sich der neue Kunststoff leichter zersetzen lässt, sowohl im Labor als auch möglicherweise in der Natur.

Das Argonne-Team führte die erste Katalyserunde an gebrauchten HDPE-Produkten durch, darunter Wasserkrüge und Verpackungen. Die Katalysatoren wählen zufällig aus, welche Stellen in den Polymerketten verändert werden sollen, um sie reaktiv zu machen. Je länger die Wissenschaftler das HDPE mit dem Katalysator belassen, desto stärker werden die Ketten aktiviert.

Dann nahm das Cornell-Team diese aktivierten Polymerketten und setzte sie einem anderen Katalysator aus. In diesem Stadium bricht der Katalysator die Ketten auf und verändert die Enden weiter, um den Wiederzusammenbau zu ermöglichen.

Die größte Herausforderung bestand darin, die gleichen Materialeigenschaften von HDPE – wie Festigkeit und Flexibilität im Vergleich zu Sprödigkeit – im neuen Material zu reproduzieren. Wenn die Katalysatoren das HDPE aufbrechen, ist es wichtig, dass genügend lange Polymerketten übrig bleiben, die sich wie Fäden aneinander binden und das Material widerstandsfähiger gegen Belastungen machen.

Als das Cornell-Team das katalysierte Material ursprünglich repolymerisierte, war es viel spröder als das Ausgangs-HDPE. Anschließend optimierten sie die Katalysatoren so, dass sie die Polymerketten so aufbrechen, dass bei der Repolymerisation des Materials ein kontrolliertes Maß an Verzweigung erreicht wird. Diese Verzweigung ermöglicht die Bildung von Ketten aus den Endgruppen, wodurch die durchschnittliche Länge der Ketten im resultierenden Material erhöht wird. Dieser Ansatz führte zu einem Material mit den gleichen Eigenschaften wie das Ausgangs-HDPE und einer besseren Recyclingfähigkeit.

Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die biologische Abbaubarkeit des neuen Materials zu bewerten und die Menge des für den Katalysator verwendeten wertvollen Metalls zu reduzieren, um die gesamten Recyclingkosten zu senken. Das Team hofft, seine Strategie auch auf andere gängige Kunststoffe anwenden zu können.

Zu den Autoren gehören neben Coates und Delferro auch Alejandra Arroyave aus Argonne und Shilin Cui, Andrew Kocen, Anne LaPointe und Jaqueline Lopez von der Cornell University.

Mehr Informationen: Alejandra Arroyave et al., Katalytisches chemisches Recycling von Post-Consumer-Polyethylen, Journal of the American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c11949