Kunststoffabfälle als Rohstoff für Waschmittel

Veröffentlicht amAutorgh

Dank verbesserter katalytischer Methode

Das exponentielle Wachstum der weltweiten Verwendung von Kunststoffen und der Erzeugung von Kunststoffabfällen hat zu einer immer deutlicher sichtbaren Umweltbelastung geführt und den Ruf nach einer breiteren Palette von Recyclingstrategien zur Entschärfung des Problems laut werden lassen. Doch für Forscher der University of California Santa Barbara ist die Einwegverpackung des einen ein nützliches Rohmaterial des anderen. In einer am 21.08.2023 in der Fachzeitschrift Chem veröffentlichten Arbeit haben sie den Wert von Einwegkunststoffen neu definiert und ein innovatives Verfahren verbessert, mit dem Polyolefine, die häufigste Polymerart in Einwegverpackungen, in wertvolle Alkylaromaten umgewandelt werden können – Moleküle, die Tensiden, den Hauptbestandteilen von Waschmitteln und anderen nützlichen Chemikalien, zugrunde liegen.

Plastikabfall – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Wir haben es geschafft, so viel Plastikmüll anzuhäufen, dass es beängstigend ist, darüber nachzudenken, was man mit den Tonnen an nicht biologisch abbaubarem Abfall machen könnte. Und so sehr wir uns auch bemühen, unsere Abhängigkeit von Einwegplastik zu verringern, so sehr vergrößern wir doch den globalen Plastikmüllhaufen weiter. Ereignisse wie die COVID-19-Pandemie haben ihre Verwendung für persönliche Schutzausrüstungen sowie Einweg- und Take-away-Verpackungen nur noch verstärkt.

„Wenn wir diese Tenside jetzt aus fossilen Brennstoffen herstellen und man sie aus Kunststoffabfällen herstellen könnte, würden wir keine fossilen Brennstoffe mehr für die Herstellung von Tensiden verwenden und den Kohlenstoff, der in die Kunststoffe geflossen ist, einer anderen Verwendung zuführen“, sagte Susannah Scott, Professorin für Chemieingenieurwesen und Inhaberin des Mellichamp-Lehrstuhls für nachhaltige katalytische Verarbeitung an der UCSB. Anstatt sie zu verbrennen oder auf Mülldeponien zu vergraben – Praktiken, mit denen wir derzeit hauptsächlich Plastikmüll behandeln – werden die Kunststoffe in einem Verfahren wiederverwendet, das herkömmliche „schmutzige“ Prozesse zur Herstellung von Tensiden abkürzt und Einwegkunststoffen eine weitere Chance gibt, nützlich zu sein.

Die Umwandlung von Polyolefinabfällen in großtechnische Chemikalien hat das Potenzial, Kunststoffabfälle von Mülldeponien und kommunalen Verbrennungsanlagen fernzuhalten, fossile Rohstoffe für die herkömmliche chemische Produktion zu ersetzen und wirtschaftliche Anreize für Sammlung und Recycling zu schaffen. Im Chem-Bericht wirken starke Brønsted-Säuren mit Pt-Nanopartikeln zusammen, um die selektive Umwandlung von Polyethylen in aromatische Chemikalien mit Tensiden zu beschleunigen. Die bifunktionalen Katalysatoren verbessern die Durchführbarkeit des chemischen Upcyclings von Altpolyolefinen als alternative Strategie ergänzend zum mechanischen Recycling.

Die katalytische Umwandlung von Abfallpolyolefinen in wertsteigernde Alkylaromaten könnte zum Kohlenstoffrecycling beitragen. Verglichen mit der Tandem-Hydrogenolyse/Aromatisierung von Polyethylen (PE), die durch Pt/?-Al2O3 bei 280°C katalysiert wird, wurden sowohl eine fünffache Steigerung der C-C-Bindungsspaltungsrate als auch eine Verdoppelung der molaren Ausbeute an Alkylaromaten erreicht, wenn stattdessen ein saurerer Pt/F-Al2O3-Katalysator verwendet wurde. Bifunktionelle (Metall/Säure) Katalysatoren erzeugen auch alkylaromatische Produkte mit niedrigeren durchschnittlichen Kohlenstoffzahlen (ca. C20), ähnlich wie herkömmliche anionische Tenside. Da auch physikalische Mischungen von schwach saurem Pt/?-Al2O3 oder nicht saurem Pt/SiO2 mit stark Brønsted-saurem Cl-Al2O3 oder F-Al2O3 wirksam sind, ist für die Tandemreaktion keine Nähe im Nanobereich zwischen den aktiven Stellen von Metall und Säure erforderlich. Kinetische Studien unter Verwendung von Triacontan (Norm-C30H62) als Modell für PE zeigen, dass die Pt-katalysierten Dehydrierungs-/Hydrierungsreaktionen quasi ausgeglichen sind, während die säurekatalysierte C-C-Bindungsspaltung und Skelettumwandlungen (Isomerisierung und Zyklisierung) die Gesamtraten der Depolymerisierung und der aromatischen Bildung bestimmen.

Die Forscher bauten auf früheren Arbeiten auf, in denen sie eine katalytische Methode vorstellten, um die starken Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu brechen, die Kunststoff zu dem schwer abbaubaren Material machen, das er ist, und dann die Molekülketten in alkylaromatische Ringe umzuordnen. Das ursprüngliche Verfahren, das auf einem Platin-auf-Tonerde-Katalysator basierte, war zwar effektiv, aber langsam und die Ausbeute an alkylaromatischen Molekülen war gering. „Wir haben in dieser Arbeit gezeigt, wie man es viel besser machen kann“, sagte Scott.

Der Schlüssel zu ihrer Methode ist die Erhöhung des Säuregehalts des ursprünglichen Aluminiumoxid-Katalysators durch die Zugabe von Chlor oder Fluor. Mit den hinzugefügten sauren Stellen konnte das Team die Geschwindigkeit und die Selektivität ihres Prozesses erhöhen. „Es ist einfach zum Schreien“, sagte Scott. „Es macht die Alkylaromaten schneller, und wir können es so abstimmen, dass wir die Moleküle in der richtigen Größe herstellen. In der neuen Arbeit konzentrierten sie sich darauf, das optimale Verhältnis von Säure- und Metallstellen in ihrem Katalysator zu finden, erklärte sie. „Es hat sich herausgestellt, dass sie zusammenarbeiten. Sie haben unterschiedliche Aufgaben, aber beide müssen vorhanden sein und im richtigen Verhältnis zueinander stehen, damit der katalytische Zyklus an keiner Stelle ins Stocken gerät.“

Darüber hinaus arbeitet ihr Eintopfverfahren bei moderaten Temperaturen und erfordert einen geringen Energieaufwand. Während die Methode ursprünglich 24 Stunden benötigte, um Kunststoff in alkylaromatische Moleküle umzuwandeln, kann das verbesserte Verfahren die Aufgabe innerhalb von ein paar Stunden erledigen, wodurch sich die Menge an Kunststoff, die in einem Reaktor vernünftiger Größe umgewandelt werden kann, erhöht.

Mit weiteren Verbesserungen könnte diese Methode auf dem Weg zu einem brauchbaren kommerziellen Verfahren sein, so Scott. Das ultimative Ziel ist eine breite Anwendung, die die Rückgewinnung von Einwegkunststoffen ermöglichen und fördern würde. Unter Verwendung von Kunststoffabfällen als reichlich vorhandenem Rohstoff könnten Chemieunternehmen die bei diesem Verfahren entstehenden alkylaromatischen Moleküle in die Tenside umwandeln, die in Seifen, Waschmitteln, Reinigungsmitteln und anderen Detergenzien enthalten sind.

„Im Idealfall möchte man Kunststoffabfälle für einen Zweck wiederverwenden, für den es eine ausreichend große Produktionsmenge und eine erhebliche Nachfrage gibt, um das Kunststoffproblem in den Griff zu bekommen“, erklärte Scott. Um festzustellen, ob diese Methode wirklich nachhaltig ist, so Scott weiter, müsste sie einer Lebenszyklusanalyse unterzogen werden, bei der für jeden Schritt die verbrauchte Energie und die emittierten Treibhausgase berechnet werden. Die Verwendung von Abfallmaterial stellt sicher, dass keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen bei der Herstellung des Ausgangsmaterials entstehen, aber die Energie, die für den Betrieb des katalytischen Prozesses und die Abtrennung der gewünschten Moleküle erforderlich ist, müsste vor einer Ausweitung des Verfahrens berücksichtigt werden, so Scott. Wenn das Verfahren erfolgreich ist, könnte es die fossilen Brennstoffe, die für die Herstellung von Tensiden benötigt werden, ersetzen. „Wir brauchen mehrere Ziele, um das Problem der Kunststoffabfälle in den Griff zu bekommen, aber dies ist ein ziemlich großes“, sagte Scott. „Das ist es wert, unternommen zu werden.“

Weitere Artikel zum Thema (in Science, nach GEO)

  1. Li et al. berichten, dass bei der Pyrolyse von Polyethylen und Polypropylen Olefinmischungen entstehen, die direkt einer Hydroformylierung unterzogen werden können. Bei der bekannten kobaltkatalysierten Reaktion entstehen Aldehyde, welche die Autoren anschließend hydriert haben, um Alkohole und Diole herzustellen. (science.org/science.adh0993)
  2. Xu et al. zeigen, dass dieselben Kunststoffe bei präziser Temperaturkontrolle während des Erhitzens in Wachse aufgespalten werden können, die dann leicht über Mangankatalysatoren oxidiert werden können, um wertvolle Tenside herzustellen. (science.org/science.adh1853)

->Quellen und Originalpublikation: