Mit metallischem Trick lässt sich Polyethylen-Kunststoff besser recyceln

3. Oktober 2022

Ellen Phiddian ist Wissenschaftsjournalistin bei Cosmos. Sie hat einen BSc (Honours) in Chemie und Wissenschaftskommunikation sowie einen MSc in Wissenschaftskommunikation, beide von der Australian National University.

Polyethylen ist eine der häufigsten Kunststoffarten weltweit.

Obwohl es einfach herzustellen ist, ist es höllisch schwierig, es wieder zu zerlegen, was die Wiederverwendung und das Recycling schwierig macht.

Doch ein Team amerikanischer Chemiker hat einen neuen Weg gefunden, Polyethylen wieder in Einzelteile zu verwandeln – eine Entdeckung, die eines Tages zu einer vollständigen Kreislaufwirtschaft führen könnte.

„In dem Maße, in dem sie recycelt werden, werden viele Polyethylen-Kunststoffe in minderwertige Materialien umgewandelt. Man kann nicht eine Plastiktüte nehmen und daraus dann eine andere Plastiktüte mit den gleichen Eigenschaften herstellen“, sagt Professor John Hartwig, ein metallorganischer Chemiker an der University of California in Berkeley, USA.

Hartwig ist leitender Autor eines Artikels in Science, in dem er beschreibt, wie die lange Molekülkette (Polymer) von Polyethylen in Propylen, auch Propen genannt, zerlegt werden kann: ein nützlicher Rohstoff für eine Vielzahl verschiedener Dinge.

„Wenn Sie diesen Polymerbeutel in seine Monomere zurückverwandeln, ihn in kleine Stücke zerlegen und erneut polymerisieren können, dann ziehen Sie nicht noch mehr Kohlenstoff aus dem Boden, sondern nutzen ihn als Kohlenstoffquelle für die Herstellung anderer Dinge – zum Beispiel Polypropylen.“ “, sagt Hartwig.

„Wir würden für diesen Zweck oder für die anderen Verwendungszwecke von Propen weniger Schiefergas verwenden und um die sogenannte Propylenlücke zu schließen.“

Polyethylen besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einer langen Kette miteinander verbunden sind, wobei seitlich Wasserstoffatome abzweigen.

Die Bindung zwischen Kohlenstoffatomen – die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung – ist schwer zu brechen und noch schwieriger, sie systematisch zu brechen.

Die Innovation der Forscher bestand darin, mehrere verschiedene Metalle zu verwenden, um zwei verschiedene Reaktionen zu katalysieren.

Die erste beruht auf einem Katalysator aus Iridium oder Platin und Zink, um die robuste Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zu modifizieren.

„Wir nehmen einen gesättigten Kohlenwasserstoff – allesamt Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen – und entfernen ein paar Wasserstoffmoleküle aus dem Polymer, um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen zu bilden, die reaktiver sind als Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen“, sagt Hartwig.

„Einige Leute hatten sich diesen Prozess angesehen, aber niemand hatte es mit einem echten Polymer geschafft.“

Dann fanden die Forscher heraus, dass ein Katalysator auf Palladiumbasis diese Bindung ausnutzen und sie nutzen könnte, um das Polymer mit einer Substanz namens Ethylen schrittweise aufzubrechen.

„Sobald wir eine lange Kette mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung am Ende haben, nimmt unser Katalysator diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung und isomerisiert sie, einen Kohlenstoff nach innen“, sagt Hartwig.

„Ethylen reagiert mit diesem anfänglichen isomerisierten Produkt zu Propylen und einem nahezu identischen, nur kürzeren Polymer mit einer Doppelbindung am Ende.

„Und dann macht es immer wieder das Gleiche. Es geht einen Schritt hinein, spaltet sich; kommt herein, spaltet sich; kommt hinein und spaltet sich, bis das gesamte Polymer in Stücke mit drei Kohlenstoffatomen zerschnitten ist. Von einem Ende der Kette aus zerkaut es einfach die Kette und spuckt Propylen aus, bis keine Kette mehr übrig ist.“

Sie konnten 80 % ihres Polyethylens in Propylen umwandeln: kleine Moleküle mit jeweils drei Kohlenstoffatomen.

Es gibt noch viel zu tun, bevor das Verfahren industrialisiert werden kann.

Derzeit müssen beispielsweise beide Katalysatoren in flüssiger Form vorliegen – die Forscher hoffen, stattdessen feste Katalysatoren zu finden, weil diese einfacher wiederzuverwenden sind.

Hartwig sagt, die Technik sei „noch weit von einer Kommerzialisierung entfernt“.

„Aber es ist leicht zu erkennen, wie dieses neue Verfahren die größte Menge an Kunststoffabfällen in einen riesigen chemischen Rohstoff umwandeln würde – natürlich mit viel weiterer Entwicklung.“

Ursprünglich veröffentlicht von Cosmos als Ein bisschen Metall kann lästiges Plastik in einen nachhaltigen Rohstoff verwandeln