Wissenschaftler recyceln bisher nicht recycelbaren Kunststoff

Von der University of Michigan, 21. Januar 2023

Beim Recycling handelt es sich um den Prozess der Umwandlung von Abfallstoffen in neue Produkte. Dies trägt zur Schonung natürlicher Ressourcen bei und reduziert die Menge an auf Deponien verbrachten Abfällen. Es ist eine einfache und effektive Möglichkeit, die Umweltauswirkungen von Abfällen zu reduzieren und die Nachhaltigkeit zu fördern.

PVC oder Polyvinylchlorid ist in den Vereinigten Staaten und weltweit ein weit verbreiteter Kunststoff und liegt mengenmäßig an dritter Stelle weltweit.

Es findet sich in einer Vielzahl alltäglicher Produkte, darunter Krankenhausausrüstung wie Schläuche, Blutbeutel und Masken sowie Sanitärrohre. PVC wird auch in Baumaterialien wie Fensterrahmen, Gehäuseverkleidungen, Verkleidungen und Bodenbelägen verwendet. Darüber hinaus wird es in Beschichtungen für elektrische Leitungen und in verschiedenen Artikeln wie Duschvorhängen, Zelten, Planen und Kleidung verwendet.

Auch in den Vereinigten Staaten liegt die Recyclingquote bei null Prozent.

Jetzt haben Forscher der University of Michigan unter der Leitung der Erstautorin der Studie, Danielle Fagnani, und der Hauptforscherin Anne McNeil eine Möglichkeit entdeckt, PVC chemisch zu verwertbarem Material zu recyceln. Der zufälligste Teil der Studie? Die Forscher fanden einen Weg, die Phthalate in den Weichmachern – einen der schädlichsten Bestandteile von PVC – als Vermittler für die chemische Reaktion zu nutzen. Ihre Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

"PVC is the kind of plastic that no one wants to deal with because it has its own unique set of problems," said Fagnani, who completed the work as a postdoctoral researcher in the U-M Department of Chemistry. "PVC usually contains a lot of plasticizers, which contaminate everything in the recycling stream and are usually very toxic. It also releases hydrochloric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">mit etwas Hitze sehr schnell säuern.

Kunststoff wird typischerweise recycelt, indem man ihn einschmilzt und in einem Prozess, der mechanisches Recycling genannt wird, in minderwertige Materialien umwandelt. Wenn jedoch Hitze auf PVC einwirkt, löst sich einer seiner Hauptbestandteile, sogenannte Weichmacher, sehr leicht aus dem Material, sagt McNeil.

Sie können dann im Recyclingstrom in andere Kunststoffe gelangen. Darüber hinaus löst sich Salzsäure bei Hitze leicht aus PVC. Es könnte die Recyclingausrüstung angreifen und Verätzungen an Haut und Augen verursachen – nicht ideal für Arbeiter in einer Recyclinganlage.

Darüber hinaus sind Phthalate – ein häufiger Weichmacher – hochgiftige endokrine Disruptoren, was bedeutet, dass sie das Schilddrüsenhormon, die Wachstumshormone und die Hormone, die an der Fortpflanzung von Säugetieren, einschließlich Menschen, beteiligt sind, beeinträchtigen können.

Um einen Weg zu finden, PVC zu recyceln, der keine Hitze erfordert, begann Fagnani mit der Erforschung der Elektrochemie. Unterwegs entdeckten sie und ihr Team, dass der Weichmacher, der eines der größten Recyclingschwierigkeiten darstellt, bei der Methode zum Abbau von PVC verwendet werden könnte. Tatsächlich verbessert der Weichmacher die Effizienz der Methode und die elektrochemische Methode löst das Problem mit Salzsäure.

„Wir haben herausgefunden, dass es immer noch Salzsäure freisetzt, aber mit einer viel langsameren und kontrollierteren Geschwindigkeit“, sagte Fagnani.

PVC ist ein Polymer mit einem Kohlenwasserstoff-Rückgrat, das aus einzelnen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen besteht, sagt Fagnani. An jede zweite Kohlenstoffgruppe ist eine Chlorgruppe gebunden. Bei der Hitzeaktivierung löst sich Salzsäure schnell auf, was zu einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung entlang des Polymergerüsts führt.

Stattdessen nutzt das Forschungsteam die Elektrochemie, um ein Elektron in das System einzuführen, wodurch das System eine negative Ladung erhält. Dadurch wird die Kohlenstoff-Chlorid-Bindung aufgebrochen und es entsteht ein negativ geladenes Chlorid-Ion. Da die Forscher Elektrochemie nutzen, können sie die Geschwindigkeit messen, mit der Elektronen in das System eingeführt werden – was wiederum steuert, wie schnell Salzsäure produziert wird.

Die Säure kann dann von der Industrie als Reagens für andere chemische Reaktionen verwendet werden. Die Chloridionen können auch zur Chlorierung kleiner Moleküle, sogenannter Arene, verwendet werden. Diese Arene können in pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Komponenten verwendet werden. Von dem Polymer ist noch Material übrig, für das die Gruppe laut McNeil immer noch nach einer Verwendung sucht. Fagnani sagt, die Studie zeige, wie Wissenschaftler über das chemische Recycling anderer schwieriger Materialien denken könnten.

„Lasst uns strategisch mit den Additiven umgehen, die in Kunststoffformulierungen enthalten sind. Lasst uns aus der Perspektive der Additive über die Verwendungsdauer und das Ende der Verwendung nachdenken“, sagte Fagnani, der jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Ashland ist, einem Unternehmen, das sich darauf konzentriert Herstellung biologisch abbaubarer Spezialzusätze für Konsumgüter wie Waschmittel, Sonnenschutzmittel und Shampoos. „Aktuelle Gruppenmitglieder versuchen, die Effizienz dieses Prozesses noch weiter zu verbessern.“

Der Schwerpunkt von McNeils Labor lag auf der Entwicklung von Möglichkeiten zum chemischen Recycling verschiedener Arten von Kunststoffen. Durch die Zerlegung von Kunststoffen in ihre Bestandteile könnten nicht abgebaute Materialien entstehen, die die Industrie wieder in die Produktion einbauen kann.

„Es ist ein Versagen der Menschheit, diese erstaunlichen Materialien geschaffen zu haben, die unser Leben in vielerlei Hinsicht verbessert haben, gleichzeitig aber so kurzsichtig zu sein, dass wir nicht darüber nachgedacht haben, was wir mit dem Abfall machen sollen“, sagte McNeil. „In den Vereinigten Staaten stecken wir immer noch bei einer Recyclingquote von 9 % fest, und das sind nur wenige Arten von Kunststoffen. Und selbst bei den Kunststoffen, die wir recyceln, führt dies zu immer minderwertigeren Polymeren. Unsere Getränkeflaschen werden nie recycelt.“ Getränkeflaschen wieder. Sie werden zu einem Textil oder einer Parkbank, die dann auf der Mülldeponie landet.

Referenz: „Verwendung von Abfallpoly(vinylchlorid) zur Synthese von Chlorarenen durch weichmachervermittelte Elektro(de)chlorierung“ von Danielle E. Fagnani, Dukhan Kim, Sofia I. Camarero, Jose F. Alfaro und Anne J. McNeil, 14. November 2022 , Nature Chemistry.DOI: 10.1038/s41557-022-01078-w