Plastikmüll bindet Kohlendioxid oder wird zu Wasserstoff

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Wasserstoff aus Plastik – Labor der Rice University verwandelt schwer zu verarbeitenden Abfall in Muster der Kohlenstoffspeicherung

Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben eine Methode entwickelt, mit der Kunststoffabfälle mittels Pyrolyse in Wasserstoff umgewandelt werden können. Und: Noch eine weitere Möglichkeit, mit dem Berg an gebrauchtem Plastik umzugehen: Es soll überschüssiges Kohlendioxid aufnehmen. Forscher eines Labors der Rice-Universität in Hoston haben eine nach eigenen Angaben am 07.04.2022 als Win-Win-Situation für zwei drängende Umweltprobleme bezeichnete Technik gefunden, mit der sich Kunststoffabfälle in ein effektives Kohlendioxid (CO2)-Sorptionsmittel für die Industrie verwandeln lassen.

Plastikmüll an einem Strand von Havanna – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Der Rice-Chemiker James Tour und seine Mitautoren Wala Algozeeb, Paul Savas und Zhe Yuan, berichten in ACS Nano der American Chemical Society, dass durch Erhitzen von Kunststoffabfällen in Gegenwart von Kaliumacetat Partikel mit Poren im Nanometerbereich entstehen, die Kohlendioxidmoleküle einschließen können. Diese Partikel können zur Entfernung von CO2 aus Rauchgasströmen verwendet werden, so die Forscher. „Punktuelle CO2-Emissionsquellen wie Kraftwerksschornsteine können mit diesem aus Kunststoffabfällen gewonnenen Material ausgestattet werden, um enorme Mengen an CO2 zu entfernen, die normalerweise in die Atmosphäre gelangen würden“, so Tour. „Das ist eine großartige Möglichkeit, ein Problem, nämlich Kunststoffabfälle, mit einem anderen Problem, nämlich CO2-Emissionen, zu lösen.“

Ein derzeitiges Verfahren zur Pyrolyse von Kunststoffen, das als chemisches Recycling bekannt ist, erzeugt Öle, Gase und Wachse, aber das Kohlenstoff-Nebenprodukt ist nahezu nutzlos, sagte er. Bei der Pyrolyse von Kunststoff in Gegenwart von Kaliumacetat entstehen jedoch poröse Partikel, die bei Raumtemperatur bis zu 18 % ihres Eigengewichts an CO2 aufnehmen können. Während das übliche chemische Recycling für Polymerabfälle mit geringem gebundenem Kohlenstoffgehalt nicht funktioniert, um CO2-Sorptionsmittel zu erzeugen, wie z. B. Polypropylen und Polyethylen hoher und niedriger Dichte, die Hauptbestandteile von Siedlungsabfällen, eignen sich diese Kunststoffe besonders gut für die CO2-Bindung, wenn sie mit Kaliumacetat behandelt werden.

Das Labor schätzt die Kosten für die Abscheidung von Kohlendioxid aus einer punktuellen Quelle wie Rauchgas nach der Verbrennung auf 21 Dollar pro Tonne, was weitaus günstiger ist als das energieintensive Verfahren auf Aminbasis, das üblicherweise zur Abscheidung von Kohlendioxid aus Erdgas eingesetzt wird und 80 bis 160 $/t kostet.

Wie aminbasierte Materialien kann auch das Sorptionsmittel wiederverwendet werden. Durch Erhitzen auf etwa 75 Grad Celsius wird das eingeschlossene Kohlendioxid aus den Poren gelöst, wodurch etwa 90 % der Bindungsstellen des Materials regeneriert werden. Da es bei 75 Grad Celsius zyklisch arbeitet, reichen Polyvinylchloridbehälter aus, um die teuren Metallbehälter zu ersetzen, die normalerweise erforderlich sind. Die Forscher stellten fest, dass das Sorptionsmittel voraussichtlich eine längere Lebensdauer als flüssige Amine hat und die Ausfallzeiten aufgrund von Korrosion und Schlammbildung verringert.

Zur Herstellung des Materials werden Kunststoffabfälle zu Pulver verarbeitet, mit Kaliumacetat gemischt und 45 Minuten lang auf 600 °C erhitzt, um die Poren zu optimieren, von denen die meisten etwa 0,7 Nanometer groß sind. Höhere Temperaturen führten zu breiteren Poren. Bei dem Verfahren entsteht auch ein Wachsnebenprodukt, das zu Reinigungs- oder Schmiermitteln recycelt werden kann, so die Forscher.

Kunststoffabfälle in Wasserstoff umwandeln

Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben eine neue Methode entwickelt, mit der Kunststoffabfälle durch Pyrolyse, einem chemischen Hochtemperaturprozess, in Wasserstoff umgewandelt werden können. Im Gegensatz zu PET-Plastikflaschen, die leicht recycelt werden können, ist Plastikmüll, der verunreinigte Lebensmittelverpackungen, Styropor und Plastiktüten enthält, schwer zu recyceln und wird derzeit verbrannt oder auf Mülldeponien gelagert, was zu einer Verschmutzung von Wasser und Boden führt.

Mit der neuen Methode können NTU-Wissenschaftler nun Kunststoffabfälle in zwei Hauptprodukte umwandeln: Wasserstoff und eine Form von festem Kohlenstoff, die so genannten Kohlenstoff-Nanoröhren – ein hochwertiges Material, das in biomedizinischen und industriellen Anwendungen eingesetzt wird. Wasserstoff ist nützlich für die Stromerzeugung und den Betrieb von Brennstoffzellen, wie sie in Elektrofahrzeugen zu finden sind, wobei als einziges Nebenprodukt sauberes Wasser entsteht.

Die Entwicklung solcher Wasserstofftechnologien ist Teil des Plans Singapurs, Wasserstofftechnologien im Rahmen seiner Bemühungen um eine Diversifizierung der Energiequellen zu erforschen, da sie fossile Brennstoffe wie Erdgas ersetzen und gleichzeitig die CO2-Bilanz des Landes verringern könnten.

Für dieses Forschungsprojekt zur Umwandlung von Abfällen in Wasserstoff wurde in Zusammenarbeit mit dem Ocean Purpose Project, einer Nichtregierungsorganisation und einem Sozialunternehmen, Meeresmüll aus den örtlichen Gewässern gesammelt. Zusammen mit dem Industriepartner Bluefield Renewable Energy zeigt das gemeinsame Projekt, dass alle nicht wiederverwertbaren Kunststoffe in Kraftstoffe und hochwertige Materialien umgewandelt werden können.

Die Ausweitung dieser Technologie auf den industriellen Maßstab wird für Singapur einen großen Schritt nach vorn bedeuten und eine alternative saubere Energiequelle erschließen, während es seinen ersten Zero Waste Masterplan umsetzt. Das Land ist derzeit bestrebt, die Abfallmenge, die auf der Semakau-Deponie entsorgt wird, bis 2030 um 30 Prozent zu reduzieren, was dazu beitragen wird, die Lebensdauer der Deponie über 2035 hinaus zu verlängern.

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