Polyester wird für die Umweltverschmutzung verantwortlich gemacht und kann dabei helfen, sie zu retten

Juan Hinestroza, Rebecca Q. Morgan '60-Professor für Faserwissenschaft und Bekleidungsdesign, und ein multidisziplinäres Team aus Chemikern und Ingenieuren der Cornell University haben eine Möglichkeit entwickelt, alte Polyesterkleidung aufzuspalten und einige ihrer Verbindungen wiederzuverwenden, um eine Vielzahl neuer Produkte herzustellen - und den Kreislauf der Textilabfallvermehrung zu durchbrechen.

Vor mehr als einem Jahrzehnt landete der unter Jetlag leidende Textilexperte Juan Hinestroza in Xintang, China, und machte einen Spaziergang in der Nähe eines großen Baches. Er bemerkte, dass das Wasser eine seltsame Farbe hatte – Indigoblau, das von hochgiftigen Farbstoffen, Pigmenten und Lacken stammte, die aus einer benachbarten Textilfabrik entsorgt wurden.

„Die Gesichter der Menschen erschienen blau. Die Häuser waren blau. Die Luft war blau. Textilpflanzen werfen Schadstoffe in die Flüsse – dort, wo Menschen schwimmen, wo Menschen ihr Trink- und Kochwasser beziehen“, sagt Hinestroza, Rebecca Q. Morgan '60-Professorin für Faserwissenschaft und Bekleidungsdesign am College of Human Ecology.

Juan Hinestroza im Gebäude für Humanökologie.

„Da wusste ich, dass ich den Schwerpunkt meiner Forschung ändern musste“, sagt er. „Als Chemieingenieur und Textilchemiker wurde mir klar, dass ich zur Lösung einiger dieser komplexen Probleme beitragen konnte – sie verschwinden nicht auf magische Weise.“

Jetzt greifen Hinestroza und ein multidisziplinäres Team aus Cornell-Chemikern und Ingenieuren in einen Chemie-Werkzeugkasten, um einen weiteren gewaltigen Umweltfeind zu beseitigen: Polyester-Textilabfälle.

Das Team hat eine Möglichkeit entwickelt, alte Polyesterkleidung abzubauen und einige ihrer Verbindungen wiederzuverwenden, um Stoffe herzustellen, die feuerbeständig, antibakteriell oder knitterfrei sind – und um die Ausbreitung von Bekleidungsabfällen auf Mülldeponien zu stoppen.

Es handelt sich um einen zirkulären Ansatz, der im Einklang mit dem Umweltprogramm der Vereinten Nationen steht, das weltweite Anstrengungen unternommen hat, um dem übermäßigen Bekleidungskonsum in den Industrieländern ein Ende zu setzen. Dem Programm zufolge ist die Häufigkeit, mit der Kleidung getragen wird, in den letzten zwei Jahrzehnten um 36 % zurückgegangen.

Im Jahr 2015 schätzte die US-Umweltschutzbehörde, dass jeder Mensch in den Vereinigten Staaten jährlich mehr als 70 Pfund Textilien wegwirft. Was noch schlimmer ist, heißt es in dem Bericht: Mehr als 85 % der Textilabfälle landen auf Mülldeponien.

„Irgendwann wird uns der Platz ausgehen“, sagt Hinestroza. „Uns werden die Länder ausgehen, in die wir unseren Textilmüll schicken können. Die Konsequenzen sind ziemlich traurig, aber die Lösung ist möglich und liegt in uns selbst.“

Den normalen Geschäftsbetrieb stören

Yelin Ko steht vor dem leisen Summen eines Laborabzugs im Gebäude für Humanökologie und steht drei Magnetrührern gegenüber. Sie lädt einen Fingerhut voller bunter Polyesterstoffstreifen in einen kleinen Rundkolben und gießt dann eine Natriumhydroxidlösung ein, um das Textil zu bedecken.

Durch Rühren, ein wenig Hitze, Ethanol und Kühlwasser werden diese winzigen Polyesterstoffstücke – hergestellt aus Polyethylenterephthalat, der Art Schleim, aus dem auch Plastikflaschen für Limonaden hergestellt werden – zu einer Laborsuppe.

Anschließend können die Wissenschaftler die Monomere des alten Stoffes aus der Suppe extrahieren und daraus Linker herstellen, die zu metallorganischen Gerüsten, kurz MOFs, zusammengesetzt werden. Diese MOF-Strukturen können verwendet werden, um Beschichtungen auf Kleidung zu erzeugen, die Menschen vor Keimen oder schädlichen Gasen schützen, um Feuerwehrleute vor Bränden oder anderen noch unvorstellbaren Verwendungszwecken zu schützen, sagt Ko, ein Doktorand auf dem Gebiet der Faserwissenschaft und Empfänger eines Fulbright-Stipendiums arbeitet in Hinestrozas Labor.

„Anstatt giftige Lösungsmittel zu verwenden, um die Monomere zur Verknüpfung der MOFs zurückzugewinnen, verwenden wir Ethanol und Wasser als Lösungsmittel – und wir gewinnen die Monomere deutlich schneller zurück“, sagt sie.

Phill Milner, Assistenzprofessorin für Chemie und chemische Biologie am College of Arts and Sciences, und Jin Suntivich, außerordentliche Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Cornell Engineering, arbeiten ebenfalls mit Hinestroza zusammen, um diese neuen Chemietechniken zu entwickeln.

Im Hinestroza-Labor wird eine Reihe metallorganischer Gerüste aus Polyesterfasern gezeigt. Kleinere Veränderungen in der chemischen Struktur können eine Vielzahl von Farben erzeugen.

„Mit den richtigen Metallsalzen, wie etwa einigen Kupfersalzen, können wir das organische Molekül chemisch aus den Monomeren herausfiltern, die aus diesen verdauten Textilien gewonnen werden“, sagte Milner.

Innerhalb von 30 Minuten wird der Polyester bei Raumtemperatur sicher und ohne Umweltzerstörung depolymerisiert.

„Die gesamte Chemie wird von dieser Idee der Selbstorganisation bestimmt, die darin besteht, dass die Komponenten selbst eine geordnete Struktur bilden wollen“, sagt Milner. Die Wissenschaftler fügen einer Säure Kupfersalze hinzu, um eine Vorläuferlösung zu erzeugen, die sie dann in die Suppe aus depolymerisiertem Polyester einbringen. „Der natürliche Prozess läuft weiter, bis sich eine ausgedehnte Struktur – die MOFs – aufbaut, die dann aus der Lösung entsteht.“

Das Team glaubt, dass die neuen Techniken die normalen Textil- und Bekleidungsprozesse stören können, die ihrer Meinung nach nicht nachhaltig sind, sagt Suntivich, ein Elektrochemiker und Materialwissenschaftler. „Kunststoffrecycling ist natürlich eine Herausforderung, deshalb nehmen wir uns dieser Herausforderung in diesem Zusammenhang an. Für mich sind MOFs einfach eine Möglichkeit, das Recycling des Materials zu ermöglichen.“

Allerdings wissen die Professoren, dass ihre Technik für den Erfolg an bestehende Branchenpraktiken anpassbar sein muss, sagt Hinestroza.

Im Idealfall hofft das Team, dass Hersteller die MOF-Chemie in der bestehenden Infrastruktur nutzen. „Der Versuch, neue Geräte in neue Prozesse zu integrieren, ist immer schwierig“, sagt er. „Man kann eine einzigartige Chemie entwickeln, aber wenn man neue Geräte zur Verarbeitung des Materials benötigt, wird es großen Widerstand geben.“

Wasserreinigung mit Textilien

Textilien mit diesen MOFs können auch gefärbtes und verschmutztes Wasser reinigen, sagt Hinestroza.

Um dies zu erreichen, vereint er die neuen Techniken der Chemie mit seinem Fachwissen in den Bereichen Filtration und Faserwissenschaft.

In früheren Forschungsprojekten hatte Hinestroza natürliche Fasermaterialien entwickelt, um aggressive Schadstoffe wie Farbstoffe aus der Textilherstellung, Arsen aus Fracking, Quecksilber und Zyanid aus dem Kohlebergbau sowie Insektizide und Düngemittel aus der landwirtschaftlichen Produktion selektiv aufzufangen oder zu zersetzen.

Der Grundstein für diese Projekte wurde gelegt, als Hinestroza in seiner Heimat Kolumbien unterwegs war. Er bemerkte, dass große Beutel zum Verpacken von Kaffeebohnen aus einer starken Faser namens Fique hergestellt wurden. Unter dem Mikroskop zeigten die Fasern Hohlräume, in denen sich Manganoxid festsetzen kann. Als das Fasertuch in verschmutztes Wasser gelegt wurde, zersetzte das Manganoxid innerhalb von Minuten 99 % des Indigofarbstoffs – und machte das Wasser klar.

Die Doktorandin Yelin Ko arbeitet in einem Labor an der Herstellung metallorganischer Gerüste aus recyceltem Polyester.

Auf der Suche nach einem lokalen Material, das das Gleiche tun würde, dachte Hinestroza daran, Fasern zu verwenden, die aus den Schalen von Cortland-Äpfeln hergestellt werden, die in Cornell Orchards angebaut werden, und den Stielen von Weintrauben, die auf dem Ithaca Farmers Market verkauft werden. Vor sechs Jahren zeigte er, wie aus diesen natürlichen Materialien hergestellte Nanostäbe auch Giftstoffe in Gewässern abbauen können.

Hinestroza glaubt an dasselbe Konzept, allerdings könnte die Verwendung der MOF-Textilien dazu beitragen, einen Teil der Umweltverschmutzung zu stoppen, die durch die Textil- und Bekleidungsherstellung entsteht.

„Zusätzlich zu Orten in Asien habe ich danteske Szenarien der Umweltverschmutzung an Orten wie Tirappur in Indien und vielen anderen Orten in Mittelamerika gesehen“, sagt Hinestroza.

„Ich habe gesehen, wie die Farben der Flüsse lila, grün oder rosa waren“, sagt er. „Manchmal steckt im Humor etwas Wahres, denn man kann an den Flüssen in einigen dieser Textilfabrikstädte erkennen, welche Farben in New York oder Paris angesagt sind.“

Einige Modeunternehmen behaupten auf ihren Social-Media-Kanälen, umweltfreundlich zu sein, sagt Hinestroza, doch die Realität sieht ganz anders aus. „Bildungseinrichtungen – wie Cornell – sind einzigartig positioniert, um wissenschaftlich fundierte Lösungen anzubieten, die zur Bewältigung dieser komplexen Probleme geeignet sind.

„Wir müssen proaktiv Antworten für dieses Geschäft finden, und das ist eine wichtige Motivation für unsere Forschungsarbeit“, sagt Hinestroza. „Das bedrohliche Problem sind nicht nur die Abfälle, die bei der künftigen Textil- und Bekleidungsproduktion anfallen, sondern auch die Abfälle und die Umweltverschmutzung, die bereits entstanden sind und nicht plötzlich verschwinden werden.“

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