Unsere Kunststoffabfälle können dank einer verbesserten katalytischen Methode als Rohstoff für Waschmittel verwendet werden
Wir haben es geschafft, so viel Plastikmüll anzuhäufen, dass es beängstigend ist, darüber nachzudenken, was man mit den Tonnen von nicht biologisch abbaubarem Abfall machen könnte. Und so sehr wir uns auch bemühen, unsere Abhängigkeit von Einwegplastik zu verringern, so sehr vergrößern wir doch weiterhin den globalen Plastikmüllhaufen. Ereignisse wie die COVID-19-Pandemie haben ihre Verwendung für persönliche Schutzausrüstungen sowie Einweg- und Take-away-Verpackungen nur noch verstärkt.
Doch für die Forscher der UC Santa Barbara ist die Einwegverpackung des einen ein nützliches Rohmaterial des anderen. In einer 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.
"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 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 sie.
Der Schlüssel zu ihrer Methode ist die Erhöhung des Säuregehalts des ursprünglichen Aluminiumoxid-Katalysators durch die Zugabe von Chlor oder Fluor. Durch die hinzugefügten sauren Stellen konnte das Team die Geschwindigkeit und die Selektivität ihres Verfahrens steigern.
"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- zu 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, was 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 Tenside umwandeln, die in Seifen, Waschmitteln, Reinigungsmitteln und anderen Detergenzien enthalten sind.
"Idealerweise 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 aufgewendete Energie und die emittierten Treibhausgase berechnet werden. Durch die Verwendung von Abfallmaterial wird sichergestellt, dass keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen für die Herstellung des Ausgangsmaterials entstehen, aber die Energie, die für den Betrieb des katalytischen Prozesses und die Trennung 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, getan zu werden."
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Originalveröffentlichung
"Bifunctional tandem catalytic upcycling of polyethylene to surfactant-range alkylaromatics Article Publication Date"; Chem.
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