Chemisches Recycling: Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Plastikmüll aus Polyethylen in nur einer Stunde in Flüssigkraftstoff wie Kerosin umwandeln lässt. Möglich wird dies durch einen Ruthenium-Kohlenstoff-Katalysator, der das langkettige Polymer zerteilt und so die kürzeren, für Kerosin und andere Kraftstoffe typischen Kohlenwasserketten erzeugt. Dieser Prozess läuft schon bei 220 Grad ab und erfordert daher vergleichsweise wenig Energie, wie die Wissenschaftler berichten.
Die Welt erstickt im Plastikmüll – auch weil bislang nicht einmal 20 Prozent aller Kunststoffabfälle recycelt werden. Es fehlt an chemischen Verfahren, durch die auch gemischtes Plastik wiederverwertet werden kann und selbst bei sortenreinen Kunststoffen sind die Möglichkeiten eher begrenzt – noch. Doch inzwischen gibt es einige vielversprechende Ansätze, bei denen beispielsweise Mikroben, Enzyme oder spezielle Katalysatoren den Plastikabfall abbauen und in anderweitig nutzbare Kohlenwasserstoffe umwandeln.
Vom Plastik zum Kraftstoff in 60 Minuten
Einen neuen Ansatz stellen nun Forschende der Washington State University in Seattle um Hongfei Lin vor. Sie experimentieren schon seit einigen Jahren mit kohlenstoffhaltigen Katalysatoren, die Kunststoffe wie Polyethylen chemisch spalten und in kürzere Kohlenwasserstoffketten zerlegen können. Damit gelang es ihnen bereits, aus Plastik den Flugzeugkraftstoff Kerosin herzustellen. Allerdings krankte diese Methode noch daran, dass dieses chemische Recycling hohe Temperaturen und längere Zeit benötigte.
Jetzt hat das Team den Prozess so optimiert, dass er schon bei vergleichsweise milden Temperaturen von 220 Grad abläuft und nur eine Stunde benötigt. Polyethylen wird dabei zu 90 Prozent in Ketten von acht bis 16 Kohlenstoffatomen Länge zerlegt – und damit in Einheiten, die für Flugzeugtreibstoff oder Schmiermittel typisch sind. „Die Anwendung dieses Prozesse könnte daher eine vielversprechender Ansatz sein, um hochwertige Produkte aus Abfall-Polyethylen und ähnlichen Polymeren zu erzeugen“, so die Forschenden.
Ruthenium als Kettenspalter
Möglich wird diese schnelle und relativ effiziente Zerlegung des Polyethylens durch Zusatz von Wasserstoffgas und einem Lösungsmittel, sowie einen speziellen Katalysator. Er besteht aus Ruthenium-Nanopartikeln, die auf einer Kohlenstoffoberfläche verteilt sind. „Dieser Ruthenium-Katalysator ist dafür bekannt, dass er die C-C-Bindung aufbrechen kann“, erklären Lin und sein Team.
Um diese Zerlegung zu optimieren, lösten die Wissenschaftler zunächst das Polyethylen in n-Hexan, einem gängigen organischen Lösungsmittel. Dann gaben sie diese Lösung zum Katalysator hinzu, erhitzten das Ganze und leiteten unter 30 Bar Druck stehendes Wasserstoffgas ein. Es zeigte sich: Schon innerhalb der ersten Stunde spaltete der Katalysator die Polymerketten so effizient auf, dass nach Ablauf dieser Zeit 90 Prozent des Kunststoffs in flüssige, als Kraftstoff nutzbare Kohlenwasserstoffketten umgewandelt waren.
„Damit haben wir einen effizienten Hydrolyseprozess demonstriert, der in der flüssigen Phase abläuft und hochdichtes Polyethylen selektiv depolymerisiert“, konstatieren Lin und sein Team.
Chemisches Recycling wird schneller und günstiger
Nach Ansicht des Forschungsteams eröffnet diese Methode neue Möglichkeiten, Plastikabfälle wie Polyethylen schnell und vergleichsweise einfach zu Kraftstoffen, Schmiermitteln oder Grundstoffen für die chemische Industrie zu recyceln. Der große Vorteil sei dabei der vergleichsweise geringe Energieverbrauch, weil der Prozess schon bei geringer Hitze und in kurzer Zeit ablaufe. Das reduziert Aufwand und Kosten des Recyclings.
„In der Recycling-Industrie sind die Kosten für das Recycling der entscheidende Faktor“, erklärt Lin. „Daher ist diese Arbeit ein wichtiger Durchbruch, um diese neue Technologie auf den Weg zur Kommerzialisierung zu bringen.“ Positiv auch: Tests ergaben, dass die Wirkung des Katalysators zwar nach dem ersten Reaktionszyklus leicht nachlässt, dann aber stabil bleibt. Er ist daher immer wieder einsetzbar – auch das spart Geld und Rohstoffe.
Wie die Forschenden erklären, kann der Prozess zudem durch Veränderung der Prozessbedingungen auch so angepasst werden, dass beispielsweise statt Kerosin organische Schmierstoffe oder andere Kohlenwasserstoffe entstehen. „Man kann je nach Markt gezielt das Produkt erzeugen, das man gerade braucht“, so Lin. „Das bringt Flexibilität.“ (Chem Catalysis, 2021; doi: 10.1016/j.checat.2021.04.002)
Quelle: Washington State University
