Plastik kohlenstoffweise recyceln

Ein Team von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)und UC Berkeley haben eine neue Technik zum Recycling von Polyethylen-Plastiktüten und Lebensmittelverpackungen zu Propylen oder Propengas entwickelt, einem wertvollen Ausgangsmaterial für kommerzielle Kunststoffe und Grundchemikalien.

Das Recycling von Polyethylenkunststoff zu neuen, recycelbaren Kunststoffen könnte dazu beitragen, die Kohlenstoffemissionen im Zusammenhang mit der Plastikverschmutzung und der Mülldeponie zu reduzieren.

„Die Welt produziert mehr als 200 Milliarden Pfund Polyethylen“, sagte der Wissenschaftler John Hartwig, der leitende Autor der Science-Studie, die über die neue Technik berichtet. „Wir sind auf Polyethylene angewiesen. Sie bieten große Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen, von Rohren und Baumaterialien bis hin zur Lebensmittelkonservierung. Die Abfallformen dieser Kunststoffe könnten eine Kohlenstoffquelle sein, aber das Recycling dieser Materialien ist sehr schwierig. Unsere Arbeit geht dieses Problem an, indem wir eine neue Strategie für das Recycling von Polyethylen zur Herstellung von Chemikalien anbieten, die wir normalerweise aus fossilen Quellen beziehen.“

Hartwig ist leitender Fakultätswissenschaftler in der Abteilung für chemische Wissenschaften am Berkeley Lab und Professor für Chemie an der UC Berkeley. Er ist außerdem Programmleiter für Katalyse und chemische Transformationen am Berkeley Lab.

Polyethylen ist eine Polymerkette aus Molekülen oder Monomeren, die aus zwei Kohlenstoffatomen und vier Wasserstoffatomen besteht: C2H4. Seit vielen Jahren suchen Forscher nach einer Möglichkeit, Polyethylen chemisch zu recyceln, indem sie die Monomere zurückgewinnen, um neue Polyethylenpolymere herzustellen, als Alternative zu einer Recyclingtechnik namens Pyrolyse, bei der die Ketten des Polyethylens bei sehr hohen Temperaturen gespalten werden, um eine Kettenmischung zu erzeugen . Das Problem bei der Pyrolyse besteht darin, dass es schwierig ist, die Produkte mit einer bestimmten Kettenlänge, die Sie für einen bestimmten Zweck benötigen (z. B. für Schmierstoffe oder als Vorläufer von Kraftstoffen), von den Produkten zu trennen, die zu kurz oder zu lang sind, um verwendet zu werden.

Um Polyethylen chemisch zu recyceln, müssen Sie also seine chemischen Bindungen aufbrechen. Polyethylen wird durch ungewöhnlich unreaktive Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zusammengehalten, die sehr schwer zu brechen sind, aber laut Hartwig „haben wir einen Weg gefunden, eine Reihe von Katalysatoren zu verwenden, um diese Bindungen im Polyethylen sehr selektiv zu spalten, um Propylen, ein Ausgangsmaterial, herzustellen.“ chemisch."

In einem Schlüsselexperiment lösten Hartwig und sein Team Proben von hochdichtem Polyethylen (HDPE) (dem Kunststoff in Behälterdeckeln, Milchkännchen und Shampooflaschen) mit Ethylengas und einem Katalysator in einem Lösungsmittel in einem Druckgefäß auf. Die Forscher sagten voraus, dass diese Bedingungen Wasserstoff aus einigen der Monomereinheiten verdrängen würden – und ein solcher Wasserstoffverlust, so ihre Überlegungen, würde wiederum eine Reihe von Reaktionen zwischen dem dehydrierten Polymer und Ethylen in Gegenwart zusätzlicher Katalysatoren zur Herstellung von Propylen ermöglichen.

Zur Überraschung der Forscher reagierten 87 % der Kohlenstoffatome in einer HDPE-Polymerkette mit Ethylen und wurden in nur 18 Stunden zu Propylen, obwohl Wasserstoff nur aus 1,9 % der Monomereinheiten entfernt wurde. Das bedeutet, dass sich jedes zweite Monomer in einer Kette von 1.000 Monomereinheiten in Propylengas verwandelte – mit anderen Worten: „Es war kein Polymer mehr übrig“, sagte Hartwig. „Ich war ziemlich schockiert, dass es so gut funktioniert hat.“

Experimente in der Molecular Foundry des Berkeley Lab bestätigten, dass Änderungen des Molekulargewichts des Materials während der Reaktionen wie geplant auftraten.

Hartwig sagte, dass die Technik zwar noch nicht für den Einsatz im industriellen Maßstab bereit sei, ihre Ergebnisse jedoch wichtige Auswirkungen auf das Recycling von Polyethylenkunststoff zu Kohlenstoffrohstoffen für neue Kunststoffe, Industrieschmierstoffe, Flugzeugtreibstoffe und Rohstoffchemikalien hätten.

In zukünftigen Experimenten planen er und sein Team, die kommerzielle Durchführbarkeit der Technik mit wiederverwertbaren Katalysatoren zu verbessern. Sie möchten diese Arbeit auch nutzen, um den Grundstein für die Entwicklung neuer Arten von chemisch recycelbarem Kunststoff zu legen.

Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science unterstützt.

Die Molecular Foundry ist eine nanowissenschaftliche Nutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Die Technologie (UC Case 2022-099) kann über das Office of Technology Licensing der UC Berkeley lizenziert werden.

Mehr:

„Der Prozess wandelt Polyethylenbeutel und Kunststoffe in Polymerbausteine ​​um“, Pressemitteilung der UC Berkeley vom 29. September 2022

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