Chemisches Kunststoffrecycling ist startklar

Hunderte Millionen Tonnen Kunststoffabfall fallen j?hrlich weltweit an. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten mit Hochdruck an neuen Methoden, um einen Grossteil davon zu qualitativ hochwertigen Produkten zu rezyklieren und damit eine echte Kreislaufwirtschaft zu erm?glichen. Heute ist das noch nicht der Fall. Kunststoffabf?lle werden vor allem mechanisch rezykliert: zerkleinert und dann eingeschmolzen. Daraus entstehen zwar neue Kunststoffprodukte, aber die Qualit?t der Produkte nimmt von Recyclingschritt zu Recyclingschritt drastisch ab.

Eine Alternative dazu ist das chemische Recycling, das qualitativ hochwertige Produkte hervorbringt und an dessen Entwicklung intensiv geforscht wird. Langfristiges Ziel ist es, die langkettigen Kunststoffmolek¨¹le (die Polymere) chemisch in ihre Bausteine (die Monomere) zu zerlegen. Aus ihnen k?nnten dann wieder neue, hochwertige Kunststoffe hergestellt werden. Ein echter nachhaltiger Kreislauf w¨¹rde entstehen.

Treibstoffe aus Kunststoffm¨¹ll

Zun?chst geht es bei der Entwicklung des chemischen Recyclings aber darum, die langen Polymer-Ketten in k¨¹rzerkettige Molek¨¹le aufzuspalten, die zum Beispiel als Fl¨¹ssigtreibstoff oder Schmiermittel verwendet werden k?nnen. Der Plastikabfall erh?lt so ein zweites Leben als Benzin, Kerosin oder Motoren?l. F¨¹r die Entwicklung dieses Prozesses haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich nun wertvolle Grundlagen erarbeitet. Diese erm?glichen es der gesamten Wissenschaftsgemeinde, das Recycling gezielt zu entwickeln.

Die Forschenden der Gruppe von Javier P¨¦rez-Ram¨ªrez, Professor f¨¹r Katalyse-Engineering, untersuchten die Spaltung von Polyethylen und Polypropylen mit Wasserstoff. Auch dabei wird der Kunststoff zuerst in einem Stahltank geschmolzen. Anschliessend wird der gasf?rmige Wasserstoff in die Kunststoffschmelze geleitet. Wichtig sind zudem pulverf?rmige Katalysatoren, die die Chemiker:innen beif¨¹gen, zum Beispiel solche, die das Metall Ruthenium enthalten. Durch die Wahl eines geeigneten Katalysators erh?hen Chemiker:innen die Effizienz der chemischen Reaktion, und sie k?nnen damit beeinflussen, dass vor allem Molek¨¹le einer bestimmten gew¨¹nschten Kettenl?nge und m?glichst wenig Nebenprodukte wie Methan oder Propan entstehen.

Drehzahl und Geometrie ist entscheidend

?Die Kunststoffschmelze ist tausendmal dickfl¨¹ssiger als Honig. Entscheidend ist, wie man sie im Tank umr¨¹hrt, damit das Katalysatorpulver und der Wasserstoff wirklich ¨¹berall hinkommen?, erkl?rt Antonio Jos¨¦ Mart¨ªn, Wissenschaftler in P¨¦rez-Ram¨ªrez¡¯ Gruppe. In Experimenten und in Computersimulationen zeigte das Forscherteam: Die Kunststoff-Masse wird am besten mit einem Fl¨¹gelrad ger¨¹hrt, dessen Fl¨¹gel parallel zur Achse liegen. Im Vergleich zu einem Propeller mit abgewinkelten Fl¨¹geln oder einem R¨¹hrer in Turbinenform f¨¹hrt dies zu einer gleichm?ssigeren Durchmischung und zu weniger Str?mungswirbeln. Sehr wichtig ist ausserdem die R¨¹hrgeschwindigkeit. Sie darf nicht zu langsam und nicht zu schnell sein. Die ideale Drehzahl liegt nahe bei 1000 Umdrehungen pro Minute.

Den Forschenden ist es gelungen, den gesamten Prozess des chemischen Recyclings mit all seinen Parametern in einer mathematischen Formel zu beschreiben. ?Es ist der Traum eines jeden Chemieingenieurs, eine solche Formel f¨¹r seinen Prozess zur Hand zu haben?, sagt P¨¦rez-Ram¨ªrez. Alle Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsfeld k?nnen damit nun den Einfluss der R¨¹hrer-Geometrie und der Drehzahl pr?zise berechnen.

In k¨¹nftigen Experimenten k?nnen sie verschiedene Katalysatoren gezielt vergleichen; den Einfluss des Mischens auf den Prozess haben sie dabei unter Kontrolle. Ausserdem sind die erarbeiteten Grundlagen wichtig, um die Technologie k¨¹nftig vom Labormassstab auf grosse Recyclinganlagen hochzuskalieren. ?Doch im Moment konzentrieren wir uns auf die Erforschung besserer Katalysatoren f¨¹r das chemische Kunststoffrecycling?, sagt Mart¨ªn.

Diese Forschung wurde unter anderem vom Nationalen Forschungsschwerpunkt externe SeiteNCCR Catalysis unterst¨¹tzt.