Neue Methode zur Wiederverwertung von Kunststoffen
2020 erzeugten die Vereinigten Staaten laut einer Untersuchung mehr Plastikmüll als jedes andere Land – etwa 46,3 Millionen Tonnen oder 130 kg pro Person und Jahr. Die Recyclingquote von 9 % wird damit nicht Schritt halten können. Warum so niedrig? Die Chemie der heutigen Kunststoffe erschwert die Wiederverwertung der meisten. Selbst thermoplastische Kunststoffe, die eingeschmolzen werden können, werden bei jeder Wiederverwendung schwächer. Und das führt zum eigentlichen Hindernis für das Recycling – der Wirtschaftlichkeit. Es gibt einfach keinen Gewinnanreiz. Doch nun hat eine Gruppe von Chemikern an der University of North Carolina (UNC) in Chapel Hill den Spieß umgedreht und eine Methode entdeckt, mit der Kunststoffe aufgespalten werden können, um ein neues Material zu schaffen, das stärker und zäher ist als das ursprüngliche – und damit potenziell wertvoller.
Plastikmüll am Strand von Havanna – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
„Unser Ansatz betrachtet Kunststoffabfälle als eine potenziell wertvolle Ressource für die Herstellung neuer Moleküle und Materialien“, so Frank Leibfarth, Assistenzprofessor für Chemie am UNC College of Arts & Sciences. „Wir hoffen, dass diese Methode einen wirtschaftlichen Anreiz für das Recycling von Kunststoffen schaffen und so buchstäblich Müll in einen Schatz verwandeln kann.“ Leibfarth und der auf chemische Synthese spezialisierte UNC-Chapel Hill-Professor Erik Alexanian beschreiben in Science den Ansatz, der den Kreislauf des Plastikrecyclings schließen könnte.
Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen gehören zu den stärksten chemischen Bindungen in der Natur. Diese Stabilität erschwert die Umwandlung von Naturprodukten in Arzneimittel und das Recycling von Standardkunststoffen. Durch die Veränderung der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, die in Polymeren, den Bausteinen für moderne Kunststoffe, wie sie in Einkaufstüten, Getränke- und Wasserflaschen, Lebensmittelverpackungen, Autoteilen und Spielzeug verwendet werden, häufig vorkommen, könnte die Lebensdauer von Polymeren jedoch über den Einwegkunststoff hinaus verlängert werden.
Mit einem neu identifizierten Reagenz, das Wasserstoffatome von medizinischen Verbindungen und Polymeren abspalten kann, konnten die UNC-Chemiker neue Bindungen an Stellen herstellen, die bisher als nicht reaktionsfähig galten. „Die Vielseitigkeit unseres Ansatzes besteht darin, dass er viele wertvolle Umwandlungen von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in einem breiten Spektrum wichtiger Verbindungen ermöglicht“, so Alexanian.
Müll in einen Schatz verwandeln
Die Leibfarth-Gruppe in Carolina konzentriert sich auf die Entwicklung von Polymeren, die intelligenter, funktioneller und nachhaltiger sind. Mit Unterstützung des NC Policy Collaboratory entwickelte das Team ein superabsorbierendes Polymer, das gefährliche Chemikalien aus dem Trinkwasser entfernen kann. Die Forscher wollen diesen innovativen Ansatz nutzen, um schwer zu recycelnde Kunststoffabfälle in eine hochwertige Klasse von Polymeren umzuwandeln.
Sie begannen mit Schaumstoffverpackungen, die zum Schutz von Elektronikgeräten während des Versands verwendet werden und ansonsten auf Mülldeponien landen. Muster des gebrauchten Schaumstoffs wurden von High Cube LLC, einem Recyclingunternehmen in Durham, N.C., zur Verfügung gestellt. Der Schaumstoff besteht aus einem Kunststoff mit geringer Dichte, einem so genannten Polyolefin.
Durch die selektive Entnahme von Wasserstoffatomen aus dem Polyolefin gelang es den Chemikern, die Lebensdauer des Einwegkunststoffs in einen hochwertigen Kunststoff, ein so genanntes Ionomer, zu verlängern. Beliebte Ionomere sind SURLYNTM von Dow, ein beliebtes Material, das in einer Vielzahl von Lebensmittelverpackungen verwendet wird.
Der größte Teil des recycelten Kunststoffs wird zu minderwertigen Produkten wie Teppichen oder Polyesterkleidung weiterverarbeitet, die immer noch auf Mülldeponien landen können. Weggeworfene Kunststoffe in den Gewässern gefährden Meereslebewesen, wenn Schildkröten Plastik im Meer mit Nahrung verwechseln. Aber wenn die Chemie wiederholt auf Polymere angewandt werden kann, um sie immer wieder zu recyceln, „könnte das unsere Sichtweise auf Plastik verändern“, so Leibfarth. Zu den Koautoren der Studie gehören Timothy Fazekas, Jill W. Alty, Eliza K. Neidhart und Austin S. Miller. Die Studie wurde vom National Institute of General Medical Sciences, dem Air Force Office of Scientific Research, der National Science Foundation und dem UNC Department of Chemistry finanziert.
->Quellen:
- chem.unc.edu/alexanian-and-leibfarth-groups-creating-a-better-plastic
- pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35113718
- Timothy J. Fazekas, W. Alty, Eliza K. Neidhart, Austin S. Miller, Frank A. Leibfart, Erik J. Alexanian: Diversification of aliphatic C–H bonds in small molecules and polyolefins through radical chain transfer“; Science; 03.02.2022, science.org/doi/10.1126/science.abh4308