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Eine neue Methode zur Umwandlung von Kunststoffabfällen mit geringer Dichte in Kraftstoff und Rohstoffe verspricht, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen. Bildnachweis: Kunst von Melanie Hess-Robinson | Nationales Labor des pazifischen Nordwestens

Ein neues Verfahren produziert Kraftstoff schnell bei milder Temperatur und mit wenigen Nebenprodukten.

In gebrauchten Gesichtsmasken, Einkaufstüten und Lebensmittelverpackungen sind viele potenziell nützliche Rohstoffe gebunden. Aber es war viel billiger, mehr aus diesen Einwegkunststoffen herzustellen, als sie zurückzugewinnen und zu recyceln. Jetzt hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der des Energieministeriums Pacific Northwest National Laboratory hat den Code geknackt, der frühere Versuche zum Abbau dieser hartnäckigen Kunststoffe behinderte. Sie berichteten in der heutigen Ausgabe (23. Februar 2023) des Journals über ihre Entdeckung Wissenschaft.

Typischerweise erfordert das Recycling von Kunststoffen das „Aufbrechen“ oder Aufspalten der zähen und stabilen Bindungen, die sie auch in der Umwelt so langlebig machen. Dieser Crackschritt erfordert hohe Temperaturen, was ihn teuer und energieintensiv macht.

Neu ist hier die Kombination des Crack-Schrittes mit einem zweiten Reaktionsschritt, der die Umwandlung in einen flüssigen benzinähnlichen Kraftstoff ohne unerwünschte Nebenprodukte sofort abschließt. Im zweiten Reaktionsschritt werden sogenannte Alkylierungskatalysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren sorgen für eine chemische Reaktion, die derzeit von der Erdölindustrie eingesetzt wird, um die Oktanzahl von Benzin zu verbessern. Entscheidend in der aktuellen Studie ist, dass die Alkylierungsreaktion unmittelbar auf den Crackschritt in einem einzigen Reaktionsgefäß nahe Raumtemperatur (70 Grad C/158 Grad F) folgt.

Ein neu entwickeltes Kunststoff-Upcycling-Verfahren funktioniert für Produkte aus Polyethylen niedriger Dichte (LDPE, Kunstharz-Code #4), wie Kunststofffolien und Quetschflaschen, und Polypropylen-Produkte (PP, Kunstharz-Code #5), die normalerweise nicht am Straßenrand gesammelt werden -Side-Recycling-Programme in den Vereinigten Staaten. Kredit: Animation von Sara Levine | PNNL

„Das Knacken, nur um die Bindungen zu brechen, führt dazu, dass sie auf unkontrollierte Weise eine weitere bilden, und das ist ein Problem bei anderen Ansätzen“, sagte Oliver Y. Gutiérrez, Studienautor und Chemiker bei PNNL. „Die Geheimformel dabei ist: Wenn Sie in unserem System eine Bindung auflösen, machen Sie sofort gezielt eine andere, die Ihnen das gewünschte Endprodukt liefert. Das ist auch das Geheimnis, das diese Umwandlung bei niedriger Temperatur ermöglicht.“

In ihrer Studie wies das Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung von Wissenschaftlern der Technischen Universität München, Deutschland, auf separate, neuere Entwicklungen der Erdölindustrie hin, um den zweiten Teil des hier beschriebenen Verfahrens zur Rohölverarbeitung zu kommerzialisieren. „Die Tatsache, dass die Industrie diese neuen Alkylierungskatalysatoren erfolgreich eingesetzt hat, zeigt ihre stabile, robuste Natur“, sagte Johannes Lercher, leitender Autor der Studie, Direktor des PNNL-Instituts für Integrierte Katalyse und Professor für Chemie an der TUM. „Diese Studie weist auf eine praktische neue Lösung hin, um den Kohlenstoffkreislauf für Kunststoffabfälle zu schließen, die der Umsetzung näher ist als viele andere, die vorgeschlagen werden.“

In ihrer Studie stellen die Forscher eine Einschränkung ihrer Ergebnisse fest. Das Verfahren funktioniert für Polyethylenprodukte mit niedriger Dichte (LDPE, Kunstharzcode #4), wie Kunststofffolien und Quetschflaschen, und Polypropylenprodukte (PP, Kunstharzcode #5), die normalerweise nicht in Recyclingprogrammen am Straßenrand gesammelt werden in den Vereinigten Staaten. Hochdichtes Polyethylen (HPDE, Kunststoffharz Code Nr. 2) würde eine Vorbehandlung erfordern, um dem Katalysator den Zugang zu den Bindungen zu ermöglichen, die er zum Aufbrechen benötigt.

Auf Erdöl basierende Kunststoffabfälle sind eine ungenutzte Ressource, die als Ausgangsmaterial für nützliche langlebige Materialien und für Kraftstoffe dienen kann. Mehr als die Hälfte der 360 Millionen Tonnen Kunststoffe, die jedes Jahr weltweit produziert werden, sind die Kunststoffe, auf die diese Studie abzielt. Aber einen Berg Plastik zu betrachten und seinen Wert zu erkennen, erfordert die Denkweise eines Innovators, den Einfallsreichtum eines Chemikers und das Verständnis eines Realisten für die damit verbundenen wirtschaftlichen Zusammenhänge. Diese Wissenschaftler versuchen, die Dynamik zu ändern, indem sie ihr Fachwissen zum effizienten Aufbrechen chemischer Bindungen einsetzen.

„Um das Problem des hartnäckigen Plastikabfalls zu lösen, müssen wir einen kritischen Punkt erreichen, an dem es sinnvoller ist, ihn zu sammeln und wieder zu verwenden, als ihn als Wegwerfartikel zu behandeln“, sagte Lercher. „Wir haben hier gezeigt, dass wir diese Umstellung schnell und zu milden Bedingungen durchführen können, was einen der Anreize darstellt, diesen Wendepunkt zu erreichen.“ Referenz: „Low-temperature upcycling of polyolefins into liquid alkanes via tandem cracking-alkylation“ 24. Februar 2023, Wissenschaft. DOI: 10.1126/science.ade7485

Diese am 24. Februar 2023 veröffentlichte Forschungsstudie wurde vom Department of Energy Office of Science unterstützt.

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