Ein neuer Recyclingprozess könnte Märkte für „schrottigen“ Plastikmüll erschließen

Minderwertiger Kunststoffabfall kann in einem neuen Verfahren, das von UW-Madison-Forschern entwickelt wurde, in hochwertige Chemikalien umgewandelt werden. Joel Hallberg

Obwohl viele Amerikaner ihren Plastikmüll jede Woche pflichtbewusst in die entsprechenden Behälter werfen, sind viele dieser Materialien, darunter flexible Folien, mehrschichtige Materialien und viele farbige Kunststoffe, mit herkömmlichen mechanischen Recyclingmethoden nicht recycelbar. Letztendlich werden in den USA nur etwa 9 Prozent des Kunststoffs jemals wiederverwendet, oft in minderwertigen Produkten. Mit einer neuen Technik verwandeln Chemieingenieure der University of Wisconsin-Madison jedoch minderwertigen Kunststoffabfall in hochwertige Produkte.

Die neue Methode, die in der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 11. August beschrieben wurde, könnte die wirtschaftlichen Anreize für das Kunststoffrecycling erhöhen und die Tür zum Recycling neuer Kunststoffarten öffnen. Die Forscher schätzen, dass ihre Methoden auch die Treibhausgasemissionen aus der konventionellen Produktion dieser Industriechemikalien um rund 60 Prozent reduzieren könnten.

Die neue Technik basiert auf einigen bestehenden chemischen Verarbeitungstechniken. Die erste ist die Pyrolyse, bei der Kunststoffe in einer sauerstofffreien Umgebung auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Das Ergebnis ist Pyrolyseöl, ein flüssiges Gemisch aus verschiedenen Verbindungen. Pyrolyseöl enthält große Mengen an Olefinen – einer Klasse einfacher Kohlenwasserstoffe, die ein zentraler Baustein heutiger Chemikalien und Polymere sind, darunter verschiedene Arten von Polyestern, Tensiden, Alkoholen und Carbonsäuren.

In aktuellen energieintensiven Prozessen wie dem Dampfcracken produzieren Chemiehersteller Olefine, indem sie Erdöl extrem hoher Hitze und Druck aussetzen. In diesem neuen Verfahren gewinnt das UW-Madison-Team Olefine aus Pyrolyseöl zurück und verwendet sie in einem viel weniger energieintensiven chemischen Prozess namens homogene Hydroformylierungskatalyse. Dieser Prozess wandelt Olefine in Aldehyde um, die dann weiter zu wichtigen Industriealkoholen reduziert werden können.

„Diese Produkte können zur Herstellung einer breiten Palette hochwertigerer Materialien verwendet werden“, sagt George Huber, Professor für Chemie- und Biotechnik, der die Arbeit zusammen mit dem Postdoktoranden Houqian Li und dem Doktoranden Jiayang Wu leitete.

Zu diesen höherwertigen Materialien gehören Inhaltsstoffe, die zur Herstellung von Seifen und Reinigungsmitteln verwendet werden, sowie andere nützlichere Polymere.

Mit einem Verfahren namens Hydroformylierung gelingt es Professor George Huber (links) und dem Postdoktoranden Houqian Li, die Olefine in einem Öl aus Kunststoffabfällen zurückzugewinnen und in hochwertige Chemikalien umzuwandeln. Joel Hallberg

„Wir sind wirklich begeistert von den Auswirkungen dieser Technologie“, sagt Huber, der auch das vom Energieministerium finanzierte Zentrum für das chemische Upcycling von Kunststoffabfällen leitet. „Es handelt sich um eine Plattformtechnologie zur Aufwertung von Kunststoffabfällen mithilfe der Hydroformylierungschemie.“

Die Recyclingindustrie könnte das Verfahren bald übernehmen; In den letzten Jahren haben mindestens zehn große Chemieunternehmen Anlagen zur Herstellung von Pyrolyseölen aus Kunststoffabfällen gebaut oder entsprechende Pläne angekündigt. Viele von ihnen lassen das Pyrolyseöl durch Steamcracker laufen, um minderwertige Verbindungen herzustellen. Die neue chemische Recyclingtechnik könnte eine nachhaltigere und lukrativere Möglichkeit zur Verwendung dieser Öle bieten.

„Derzeit haben diese Unternehmen keinen wirklich guten Ansatz, das Pyrolyseöl aufzuwerten“, sagt Li. „In diesem Fall können wir aus Kunststoffabfällen, die nur etwa 100 US-Dollar pro Tonne wert sind, hochwertige Alkohole im Wert von 1.200 bis 6.000 US-Dollar pro Tonne gewinnen. Darüber hinaus nutzt dieser Prozess vorhandene Technologien und Techniken. Die Skalierung ist relativ einfach.“

Die Studie sei eine Gemeinschaftsarbeit verschiedener Abteilungen der UW-Madison gewesen, sagt Huber. Clark Landis, Vorsitzender der Fakultät für Chemie und weltweiter Experte für Hydroformylierung, schlug die Möglichkeit vor, die Technik auf Pyrolyseöle anzuwenden. Professor für Chemie- und Biotechnik, Manos Mavrikakis, nutzte fortschrittliche Modellierung, um Einblicke auf molekularer Ebene in die chemischen Prozesse zu gewinnen. Und Professor Victor Zavala für Chemie- und Bioingenieurwesen leistete Hilfe bei der Analyse der Wirtschaftlichkeit der Technik und des Lebenszyklus des Kunststoffabfalls.

Der nächste Schritt für das Team besteht darin, den Prozess zu optimieren und besser zu verstehen, welche recycelten Kunststoffe und Katalysatorkombinationen welche chemischen Endprodukte erzeugen.

„Es gibt so viele verschiedene Produkte und so viele Wege, die wir mit dieser Plattformtechnologie verfolgen können“, sagt Huber. „Es gibt einen riesigen Markt für die Produkte, die wir herstellen. Ich denke, es könnte die Kunststoffrecyclingindustrie wirklich verändern.“

George Huber ist Richard L. Antoine-Professor. Manos Mavrikakis ist Ernest Micek Distinguished Chair, James A. Dumesic Professor und Vilas Distinguished Achievement Professor. Victor Zavala ist der Baldovin-DaPra-Professor. Weitere UW-Madison-Autoren sind Zhen Jiang und Jiaze Ma.

Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung des US-Energieministeriums, des Office of Energy Efficiency and Renewable Energy und des Bioenergy Technologies Office unter der Auszeichnungsnummer DEEE0009285; Das National Energy Research Scientific Computing Center, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, unterstützt vom DOE, Office of Science, unter der Vertrags-Nr. DE-AC02-05CH11231 unter Verwendung der NERSC-Auszeichnung BES-ERCAP0022773; Das Center for Nanoscale Materials, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Argonne National Laboratory, unterstützt durch den DOE-Vertrag DE-AC02-06CH11357; und das UW-Madison Center for High Throughput Computing, unterstützt von UW-Madison, der Advanced Computing Initiative, der Wisconsin Alumni Research Foundation, den Wisconsin Institutes for Discovery und der National Science Foundation.

Schlagworte: Chemie- und Biotechnik, The Wisconsin Idea