Ein neues Recyclingverfahren könnte Millionen von Tonnen Kunststoffabfällen einsparen.

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Mehrschichtkunststoffe sind in Lebensmittel- und medizinischen Versorgungsverpackungen allgegenwärtig, zumal Schichtpolymere diesen Folien spezifische Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit oder Sauerstoff- und Feuchtigkeitskontrolle verleihen können. Doch trotz ihres Nutzens sind diese allgegenwärtigen Kunststoffe mit herkömmlichen Methoden nicht recycelbar.

Weltweit werden jährlich etwa 100 Millionen Tonnen mehrschichtige Thermoplaste – die jeweils aus bis zu 12 Schichten unterschiedlicher Polymere bestehen – produziert. Vierzig Prozent dieser Gesamtmenge sind Abfall aus dem Herstellungsprozess selbst, und da es keine Möglichkeit gab, die Polymere zu trennen, landet fast der gesamte Kunststoff auf Deponien oder in Verbrennungsanlagen.

Jetzt haben Ingenieure der University of Wisconsin-Madison Pionierarbeit geleistet und eine Methode zur Rückgewinnung der Polymere in diesen Materialien mit Hilfe von Lösungsmitteln entwickelt, eine Technik, die sie als Solvent-Targeted Recovery and Precipitation (STRAP)-Verarbeitung bezeichnet haben. Ihr Proof-of-Concept wird heute (20. November 2020) in der Zeitschrift Science Advances ausführlich beschrieben.

Unter Verwendung einer Reihe von Lösungsmittelwaschungen, die sich an thermodynamischen Berechnungen der Polymerlöslichkeit orientieren, setzten die UW-Madison-Professoren für Chemie- und Bioingenieurwesen George Huber und Reid Van Lehn und ihre Studenten das STRAP-Verfahren ein, um die Polymere in einem kommerziellen Kunststoff zu trennen, der aus den üblichen Schichtmaterialien Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol und Polyethylenterephthalat besteht.

Das Ergebnis? Die getrennten Polymere erscheinen chemisch ähnlich wie die zur Herstellung des Originalfilms verwendeten Polymere.

Das Team hofft nun, die zurückgewonnenen Polymere zur Herstellung neuer Kunststoffmaterialien zu verwenden und damit zu zeigen, dass das Verfahren dazu beitragen kann, den Recyclingkreislauf zu schließen. Insbesondere könnte es den Herstellern von Mehrschichtkunststoffen ermöglichen, die 40 Prozent der Kunststoffabfälle, die während der Produktions- und Verpackungsprozesse anfallen, zurückzugewinnen.

“Wir haben dies mit einem Mehrschichtkunststoff demonstriert”, sagt Huber. “Wir müssen andere Mehrschichtkunststoffe ausprobieren und diese Technologie skalieren”.

Mit zunehmender Komplexität der Mehrschichtkunststoffe steigt auch die Schwierigkeit, Lösungsmittel zu identifizieren, die die einzelnen Polymere auflösen können. Aus diesem Grund stützt sich STRAP auf einen von Van Lehn verwendeten rechnergestützten Ansatz, das so genannte Conductor-like Screening Model for Realistic Solvents (COSMO-RS), um den Prozess zu steuern.

COSMO-RS ist in der Lage, die Löslichkeit von Zielpolymeren in Lösungsmittelmischungen bei unterschiedlichen Temperaturen zu berechnen und so die Anzahl potenzieller Lösungsmittel, die ein Polymer auflösen könnten, einzugrenzen. Das Team kann dann die in Frage kommenden Lösungsmittel experimentell untersuchen.

“Dies ermöglicht es uns, diese viel komplexeren Systeme in Angriff zu nehmen, was notwendig ist, wenn man tatsächlich eine Delle in der Recyclingwelt machen will”, sagt Van Lehn.

Ziel ist es, schließlich ein Computersystem zu entwickeln, mit dem die Forscher Lösemittelkombinationen finden können, um alle Arten von Mehrschichtkunststoffen zu recyceln. Das Team hofft auch, die Auswirkungen der von ihm verwendeten Lösungsmittel auf die Umwelt zu untersuchen und eine Datenbank grüner Lösungsmittel aufzubauen, die es ihm ermöglicht, die Wirksamkeit, die Kosten und die Umweltauswirkungen verschiedener Lösungsmittelsysteme besser auszubalancieren.

Das Projekt beruht auf dem Fachwissen von UW-Madison auf dem Gebiet der Katalyse. Seit Jahrzehnten leisten die Forscher der Universität auf dem Gebiet der chemischen und biologischen Verfahrenstechnik Pionierarbeit bei lösungsmittelbasierten Reaktionen zur Umwandlung von Biomasse – wie Holz oder landwirtschaftliche Abfälle – in nützliche Chemikalien oder Brennstoffvorläufer. Ein Großteil dieses Fachwissens wird auch im lösungsmittelbasierten Polymerrecycling umgesetzt.

Das Team setzt seine Forschungen zur STRAP-Verarbeitung durch das neu gegründete Multi-University Center on Chemical Upcycling of Waste Plastics unter der Leitung von Huber fort. Die Forscher des vom US-Energieministerium mit 12,5 Millionen Dollar geförderten Zentrums untersuchen mehrere chemische Wege für die Rückgewinnung und das Recycling von Polymeren.

Referenz: ”

Recycling of multilayer plastic packaging materials by solvent-targeted recovery and precipitation” von Theodore W. Walker, Nathan Frelka, Zhizhang Shen, Alex K. Chew, Jesse Banick, Steven Grey, Min Soo Kim, James A. Dumesic, Reid C. Van Lehn und George W. Huber, 20. November 2020, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.aba7599

Diese Forschung wurde durch einen Zuschuss des US-Energieministeriums (DE-SC0018409) unterstützt.

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