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Forscher recyceln bisher nicht verwertbares Plastik

Publiziert

PVC, oder Polyvinylchlorid, ist einer der am meisten produzierten Kunststoffe in den Vereinigten Staaten und der dritthäufigste in der Welt. Team der U-Michigan hat einen Weg gefunden, PVC chemisch zu verwerten.

PVC macht einen grossen Teil der Kunststoffe aus, die wir täglich verwenden. Ein Grossteil der in Krankenhausausrüstungen verwendeten Kunststoffe - Schläuche, Blutbeutel, Masken und vieles mehr - besteht aus PVC, ebenso wie die meisten Rohre in modernen Sanitäranlagen. Fensterrahmen, Hausverkleidungen, Verkleidungen und Bodenbeläge bestehen aus PVC oder enthalten PVC. Es ummantelt elektrische Leitungen und besteht aus Materialien wie Duschvorhängen, Zelten, Planen und Kleidung. Ausserdem liegt die Recyclingquote in den Vereinigten Staaten bei null Prozent.

PVC wird chemisch rezyklierbar
Forscher der University of Michigan unter der Leitung der Erstautorin der Studie, Danielle Fagnani, und der Studienleiterin Anne McNeil haben nun einen Weg gefunden, PVC auf chemischem Wege in brauchbares Material umzuwandeln. Das Erfreulichste an der Studie? Die Forscher fanden einen Weg, die Phthalate in den Weichmachern - eine der schädlichsten Komponenten von PVC - als Vermittler für die chemische Reaktion zu nutzen. Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

"PVC ist die Art von Kunststoff, mit der niemand etwas zu tun haben will, weil es eine Reihe von Problemen mit sich bringt", so Fagnani, der die Arbeit als Postdoktorand am Department of Chemistry der U-M abgeschlossen hat. "PVC enthält in der Regel eine Menge Weichmacher, die alles im Recyclingstrom verunreinigen und in der Regel sehr giftig sind. Ausserdem setzt es bei etwas Hitze sehr schnell Salzsäure frei".

Normalerweise wird Kunststoff durch Einschmelzen und Umformen in minderwertige Materialien recycelt, was als mechanisches Recycling bezeichnet wird. Wenn PVC jedoch erhitzt wird, wird einer seiner Hauptbestandteile, die so genannten Weichmacher, sehr leicht aus dem Material herausgelöst, sagt McNeil. Sie können dann in andere Kunststoffe im Recyclingstrom übergehen. Ausserdem löst sich Salzsäure bei Hitze leicht aus dem PVC. Sie kann die Recyclinganlagen korrodieren und chemische Verätzungen an Haut und Augen verursachen - nicht ideal für die Arbeiter in einer Recyclinganlage.

Weichmacher verbessern die Recyclingreaktion

Darüber hinaus sind Phthalate - ein gängiger Weichmacher - hochgiftige endokrine Disruptoren, d. h. sie können die Schilddrüsen-, Wachstums- und Fortpflanzungshormone von Säugetieren, einschliesslich des Menschen, beeinträchtigen.

Um einen Weg zu finden, PVC zu recyceln, der keine Hitze erfordert, begann Fagnani mit der Elektrochemie. Dabei entdeckten sie und ihr Team, dass der Weichmacher, der eines der grössten Probleme beim Recycling darstellt, in der Methode zum Abbau von PVC verwendet werden kann. Tatsächlich verbessert der Weichmacher die Effizienz der Methode, und die elektrochemische Methode löst das Problem mit der Salzsäure.

"Wir haben festgestellt, dass immer noch Salzsäure freigesetzt wird, aber viel langsamer und kontrollierter", sagte Fagnani. Laut Fagnani ist PVC ein Polymer mit einem Kohlenwasserstoffgerüst, das aus einzelnen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen besteht. An jede zweite Kohlenstoffgruppe ist eine Chlorgruppe gebunden. Bei Wärmeaktivierung springt die Salzsäure schnell ab, was zu einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung entlang des Polymerrückgrats führt.

Das Forscherteam nutzt jedoch die Elektrochemie, um ein Elektron in das System einzubringen, wodurch das System negativ geladen wird. Dadurch wird die Kohlenstoff-Chlorid-Bindung gebrochen und es entsteht ein negativ geladenes Chlorid-Ion. Da die Forscher die Elektrochemie nutzen, können sie die Geschwindigkeit messen, mit der Elektronen in das System eingebracht werden - und damit steuern, wie schnell Salzsäure produziert wird. Die Säure kann dann von der Industrie als Reagenz für andere chemische Reaktionen verwendet werden. Die Chloridionen können auch verwendet werden, um kleine Moleküle, die Arene, zu chlorieren. Diese Arene können in pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Komponenten verwendet werden. Von dem Polymer ist noch Material übrig, für das die Gruppe laut McNeil noch nach einer Verwendung sucht. Fagnani sagt, die Studie zeige, wie Wissenschaftler über das chemische Recycling anderer schwieriger Materialien nachdenken könnten.

Additive nutzen
"Wir sollten strategisch mit den Additiven umgehen, die in den Kunststoffformulierungen enthalten sind. Wir sollten über die Verwendungsdauer und das Ende der Verwendung aus der Perspektive der Zusatzstoffe nachdenken", so Fagnani, der jetzt als Forscher bei Ashland arbeitet, einem Unternehmen, das sich auf die Herstellung biologisch abbaubarer Spezialzusatzstoffe für Konsumgüter wie Waschmittel, Sonnenschutzmittel und Shampoos konzentriert. "Die derzeitigen Gruppenmitglieder versuchen, die Effizienz dieses Prozesses noch weiter zu verbessern.

Der Schwerpunkt von McNeils Labor liegt auf der Entwicklung von Verfahren zur chemischen Wiederverwertung verschiedener Kunststoffarten. Durch die Zerlegung von Kunststoffen in ihre Bestandteile könnten nicht abgebaute Materialien gewonnen werden, die die Industrie wieder in die Produktion einbeziehen kann.

"Es ist ein Versagen der Menschheit, diese erstaunlichen Materialien geschaffen zu haben, die unser Leben in vielerlei Hinsicht verbessert haben, aber gleichzeitig so kurzsichtig zu sein, dass wir nicht darüber nachgedacht haben, was wir mit dem Abfall machen sollen", sagte McNeil. "In den Vereinigten Staaten haben wir immer noch eine Recyclingquote von 9 %, und das sind nur einige wenige Kunststoffarten. Und selbst bei den Kunststoffen, die wir recyceln, führt dies zu immer schlechteren Polymeren. Unsere Getränkeflaschen werden nie wieder zu Getränkeflaschen. Sie werden zu Textilien oder Parkbänken, die dann auf einer Mülldeponie landen.

Literatur
Fagnani, D.E., Kim, D., Camarero, S.I. et al. Using waste poly(vinyl chloride) to synthesize chloroarenes by plasticizer-mediated electro(de)chlorination. Nat. Chem. (2022)

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