Kunststoffrecycling mit Wasser und Sauerstoff ohne Katalysator

Forschende haben eine Methode entdeckt, mit der sich alltägliche Kunststoffabfälle allein mithilfe von Wasser und Sauerstoff in wertvolle Chemikalien zerlegen lassen – ganz ohne Katalysator.

Wird geschmolzener Kunststoff in Wasser kräftig gerührt, verteilt er sich in mikroskopisch kleine Tröpfchen. Die Reaktion, welche die widerstandsfähigen Polymerketten aufspaltet, setzt dann von selbst ein.

Dabei entstehen kurzkettige Säuren, die in der Industrie bereits in grossen Mengen für Arzneimittel, Lebensmittelzusatzstoffe und biologisch abbaubare Kunststoffe eingesetzt werden.

Da das Verfahren die kostspieligen Katalysatoren umgeht, auf die die meisten Recyclingverfahren angewiesen sind, könnte Kunststoffrecycling deutlich günstiger und einfacher werden.

Spaltung ohne Katalysator

Die Forschungsarbeit stammt von einem Team unter Leitung von Professor Yong Wang an der Zhejiang University (ZJU) in Hangzhou, China, das mit Chemikern der Cardiff University und weiterer Einrichtungen zusammenarbeitete.

Die Forschenden nutzten eine ungewöhnliche Eigenschaft winziger Wassertröpfchen aus.

An der Oberfläche dieser Mikrotröpfchen entstehen starke elektrische Felder. Dadurch kann gewöhnliches Wasser spontan reaktive Moleküle bilden, die in grösseren Wassermengen nicht vorkommen.

Nach Einschätzung der Forschenden ziehen diese Felder Elektronen aus Wassermolekülen ab und erzeugen so Hydroxylradikale, welche chemische Bindungen schnell aufbrechen.

Winzige Tröpfchen übernehmen die Arbeit

In diesem System bildet der Kunststoff selbst die Tröpfchen. Wird festes Polyethylen über seinen Schmelzpunkt erhitzt und intensiv gerührt, zerfällt es in ölige, einige Mikrometer grosse Kügelchen, die im Wasser schweben.

Während dieses Vorgangs wird die Mischung trüb; beim Abkühlen klärt sie sich wieder. An der Grenzfläche zwischen jedem öligen Kügelchen und dem umgebenden Wasser entstehen die Radikale – und dort entfalten sie auch ihre Wirkung.

Wie chemische Scheren kürzen sie die langen Polymerketten schrittweise, bis nur noch kleine Säuren übrig bleiben.

Polyethylen gehört zu den chemisch widerstandsfähigsten jemals hergestellten Materialien, was dieses Ergebnis besonders bemerkenswert macht.

Nachweise im Wasser

Mehrere Befunde zeigen, dass Wasser nicht nur als Lösungsmittel dient, sondern der aktive Bestandteil ist. Der entscheidende Hinweis ergab sich, als es ersetzt wurde.

Der Austausch von normalem Wasser gegen schweres Wasser verlangsamte die Reaktion um etwa das Siebenfache und bestätigte damit die Rolle des Wassers im Prozess.

In einem weiteren Versuch verwendete das Team Wasser mit einer schwereren Sauerstoffform und verfolgte, wohin dieser Sauerstoff gelangte.

Der überwiegende Teil fand sich in den Säureprodukten wieder. Das zeigt, dass Wasser den Sauerstoff für die entstehenden Chemikalien liefert.

Messgeräte erfassten zudem das charakteristische Signal von Hydroxylradikalen in der reagierenden Mischung.

Der gesamte Prozess läuft bei etwa 121 °C ab – deutlich unter den mehr als 400 °C, die für den Abbau von Polyethylen allein durch Hitze üblicherweise nötig sind.

Von Kunststoff zu Säure

Als Testmaterial nutzte das Team minderwertiges Polyethylen und setzte davon nahezu die gesamte Menge um. Etwa 69 Prozent wurden zu kurzkettigen Dicarbonsäuren. Eine Säure überwog dabei klar.

Mehr als die Hälfte der Ausbeute bestand aus Bernsteinsäure, einer vielseitig verwendeten Chemikalie zur Herstellung von Arzneimitteln, Lebensmittelzutaten und biologisch abbaubaren Materialien.

Chemiker wussten bereits, wie sich Polyethylen in dieselben Säuren umwandeln lässt, doch frühere Verfahren stützten sich dafür auf Metallkatalysatoren.

Ein Verfahren aus dem Jahr 2023 erzielte mithilfe eines Rutheniumkatalysators hohe Ausbeuten. Die neue Methode erreicht ein vergleichbares Ergebnis ohne einen solchen Katalysator.

Damit entfallen sowohl Katalysatorvergiftung als auch die damit verbundenen Kosten. Ebenso wichtig ist, dass die Reaktion keine Mikroplastikfragmente zurücklässt: Sie spaltet die Ketten vollständig zu sauberen, wasserlöslichen Säuren.

„Indem wir die Notwendigkeit teurer oder toxischer Katalysatoren vollständig beseitigt haben, haben wir eines der grössten wirtschaftlichen und ökologischen Hindernisse für die industrielle Einführung des chemischen Kunststoffrecyclings entfernt“, sagte Wang.

Mehr als sauberer Laborkunststoff

Der Ansatz funktionierte auch mit einer gemischten Auswahl realer Abfälle. Einkaufstüten, Flaschendeckel, Handschuhe, Polypropylen, Polystyrol aus Schaumstoffbechern und sogar geschredderte Gummireifen zerfielen zu Säuren.

Die Forschenden merkten an, dass sich die widerstandsfähigeren Materialien bei höheren Temperaturen verteilen mussten. Handelsübliche Kunststoffe enthalten zahlreiche Farbstoffe, Stabilisatoren und weitere Zusatzstoffe, die herkömmliche Katalysatoren beeinträchtigen oder unwirksam machen.

Hier spielten sie keine Rolle. Die Reaktion verlief in Leitungswasser und Meerwasser ebenso gut wie in gereinigtem Laborwasser – ein Hinweis darauf, dass sie mit realem, verunreinigtem Ausgangsmaterial umgehen könnte.

Diese Toleranz ist entscheidend, weil keine Mikroplastikreste zurückbleiben. Einer Schätzung zufolge befinden sich allein im Nordatlantik etwa 24,5 Millionen Tonnen Nanoplastikpartikel.

Die Reaktion wurde auf Chargen von rund 283 Gramm Kunststoff ausgeweitet.

„Wir werden von Kunststoffabfällen überschwemmt, und wir brauchen praktikable Lösungen für ihr wirksames Recycling“, sagte Professor Graham Hutchings von der Cardiff University.

Ein Weg zur Skalierung

Bislang fehlte eine Möglichkeit, diese Tröpfchenchemie in einem Massstab und zu Kosten umzusetzen, die für die Industrie tatsächlich nutzbar sind.

Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass einfache Wasser-Mikrotröpfchen spontan Wasserstoffperoxid und verwandte reaktive Spezies erzeugen. Der Effekt blieb jedoch auf winzige Experimente beschränkt.

Die Kostenanalyse des Teams deutet darauf hin, dass sich eine Anlage, die jährlich Zehntausende Tonnen verarbeitet, in etwa drei Jahren amortisieren könnte.

Die Analyse ergab ausserdem, dass der Prozess im kleinen Umfang eine Netto-Kohlenstoffsenke bildet – anders als die Verbrennung von Kunststoffabfällen.

Weil nur Wasser, Sauerstoff und Wärme erforderlich sind, könnte das Verfahren auch in abgelegenen Regionen und Entwicklungsländern mit begrenzter Recyclinginfrastruktur eingesetzt werden.

Eine Chemie, die einst auf mikroskopische Tröpfchen begrenzt war, besitzt nun einen plausiblen Weg zur Anwendung im praktischen Massstab.