Die Zukunft des Recyclings könnte eines Tages darin bestehen, Kunststoffe mit Strom aufzulösen

Jun 16, 2023

5. Juli 2023

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von Daniel Strain, University of Colorado in Boulder

Chemiker der CU Boulder haben eine neue Methode zum Recycling einer häufigen Kunststoffart entwickelt, die in Limonadenflaschen und anderen Verpackungen vorkommt. Die Methode des Teams basiert auf Elektrizität und einigen raffinierten chemischen Reaktionen und ist so einfach, dass Sie zusehen können, wie das Plastik vor Ihren Augen auseinanderbricht.

Ihren neuen Ansatz zum chemischen Recycling beschrieben die Forscher in der Fachzeitschrift Chem Catalysis.

Die Studie befasst sich mit dem weltweit zunehmenden Problem des Plastikmülls. Nach Angaben der Environmental Protection Agency produzierten allein die Vereinigten Staaten im Jahr 2018 fast 36 Millionen Tonnen Kunststoffprodukte. Ein Großteil des Abfalls landet auf Mülldeponien, sagte die Co-Autorin der Studie, Oana Luca.

„Wir klopfen uns auf die Schulter, wenn wir etwas in den Papierkorb werfen, aber der größte Teil des wiederverwertbaren Plastiks wird nie recycelt“, sagte Luca, Assistenzprofessor am Fachbereich Chemie. „Wir wollten herausfinden, wie wir molekulare Materialien, die Bausteine ​​von Kunststoffen, zurückgewinnen können, damit wir sie wieder verwenden können.“

Mit der neuen Forschung sind sie und ihre Kollegen diesem Ziel einen Schritt näher gekommen.

Die Gruppe konzentrierte sich auf eine Art Kunststoff namens Polyethylenterephthalat (PET), dem Verbraucher täglich in Wasserflaschen, Blisterverpackungen und sogar einigen Polyesterstoffen begegnen. In kleinen Laborexperimenten vermischten die Forscher Teile dieses Kunststoffs mit einem speziellen Molekül und legten dann eine kleine elektrische Spannung an. Innerhalb weniger Minuten begann das PET zu zerfallen.

Das Team hat noch viel zu tun, bevor sein Recycling-Tool das weltweite Plastikmüllproblem realistisch angehen kann. Aber es habe trotzdem Spaß gemacht, zuzusehen, wie der Müll, der jahrhundertelang in Müllhaufen herumliegen kann, innerhalb von Stunden oder Tagen verschwindet, sagte der Hauptautor der Studie, Phuc Pham.

„Es war großartig, den Reaktionsfortschritt tatsächlich in Echtzeit zu beobachten“, sagte Pham, ein Doktorand der Chemie. „Die Lösung nimmt zunächst eine tiefrosa Farbe an und wird dann klar, wenn das Polymer auseinanderbricht.“

Luca sagte, es sei eine ganz neue Art, über die Möglichkeiten von Müll nachzudenken. Sie stellte fest, dass Recyclingbehälter eine gute Lösung für das weltweite Kunststoffproblem sein könnten. Aber die meisten Kommunen auf der ganzen Welt haben Mühe, den kleinen Müllberg, den die Menschen jeden Tag produzieren, zu sammeln und zu sortieren. Das Ergebnis: Weniger als ein Drittel des gesamten PET-Kunststoffs in den USA wird auch nur annähernd recycelt (andere Kunststoffarten hinken sogar noch weiter hinterher). Selbst dann können Methoden wie das Schmelzen von Kunststoffabfällen oder das Auflösen in Säure die Materialeigenschaften im Prozess verändern.

„Am Ende verändert man die Materialien mechanisch“, sagte Luca. „Wenn man mit aktuellen Recyclingmethoden eine Plastikflasche schmilzt, kann man zum Beispiel eine dieser Einweg-Plastiktüten herstellen, für die wir jetzt im Supermarkt Geld bezahlen müssen.“

Sie und ihr Team hingegen wollen einen Weg finden, die Grundzutaten alter Plastikflaschen für die Herstellung neuer Plastikflaschen zu nutzen. Es ist, als würde man sein Lego-Schloss zerschlagen, um die Blöcke zurückzuholen und ein völlig neues Gebäude zu errichten.

Um dieses Kunststück zu erreichen, wandte sich die Gruppe einem Prozess namens Elektrolyse zu – oder der Verwendung von Elektrizität, um Moleküle auseinanderzubrechen. Chemiker wissen beispielsweise seit langem, dass sie an mit Wasser und Salzen gefüllte Bechergläser eine Spannung anlegen können, um diese Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffgas aufzuspalten.

Aber PET-Kunststoff ist viel schwerer zu teilen als Wasser. In der neuen Studie zermahlte Pham Plastikflaschen und mischte das Pulver dann zu einer Lösung. Als nächstes fügten er und seine Kollegen der Lösung einen zusätzlichen Inhaltsstoff hinzu, ein Molekül namens [N-DMBI]+-Salz. Pham erklärte, dass dieses Molekül in Gegenwart von Elektrizität einen „reaktiven Vermittler“ bildet, der sein zusätzliches Elektron an das PET abgeben kann, wodurch sich die Kunststoffkörner auflösen. Stellen Sie sich das wie das chemische Äquivalent vor, als würde man einen Karatehieb auf ein Holzbrett schlagen.

Die Forscher versuchen immer noch zu verstehen, wie genau diese Reaktionen ablaufen, aber es gelang ihnen, das PET in seine Grundbausteine ​​zu zerlegen – die die Gruppe dann zurückgewinnen und möglicherweise für die Herstellung von etwas Neuem nutzen konnte.

Indem sie in ihrem Labor ausschließlich Tischgeräte einsetzten, berichteten die Forscher, dass sie über mehrere Stunden hinweg etwa 40 Milligramm (eine kleine Prise) PET abbauen konnten.

„Obwohl dies ein großartiger Anfang ist, glauben wir, dass noch viel Arbeit geleistet werden muss, um den Prozess zu optimieren und zu skalieren, damit er schließlich im industriellen Maßstab angewendet werden kann“, sagte Pham.

Zumindest Luca hat einige große Ideen für die Technologie.

„Wenn ich als verrückter Wissenschaftler meinen Willen durchsetzen würde, würde ich diese elektrochemischen Methoden nutzen, um viele verschiedene Arten von Kunststoffen auf einmal zu zersetzen“, sagte Luca. „Auf diese Weise könnte man zum Beispiel zu diesen riesigen Müllflecken im Meer gehen, den gesamten Müll in einen Reaktor leiten und viele nützliche Moleküle zurückbekommen.“

Mehr Informationen: Phuc H. Pham et al., Elektrizitätsgetriebenes Recycling von Esterkunststoffen mittels Ein-Elektronen-Elektroorganokatalyse, Chem Catalysis (2023). DOI: 10.1016/j.checat.2023.100675

Zur Verfügung gestellt von der University of Colorado in Boulder