Treibstoffe aus Plastik

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Umwandlung von Polyolefinabfällen (Jahresproduktion ca. 215 Millionen Tonnen) in flüssige Alkane

Einmal gebrauchte Plastikgegenstände (sogenannte Abfall-Polyolefine) wie etwa Flaschen oder Verpackungen werden nach einmaligem Gebrauch weggeworfen – der Plastikabfall in und auf den Meeren nimmt unübersehbare Ausmaße an; bisher war die Verbrennung („thermischer Hochtemperatur-Abbau“) die einzige Möglichkeit der Entsorgung.

Plastikmüll am Strand von Havanna – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Nun haben Forscher von MIT (Massachusetts Institute of Technology) und NREL (National Renewable Energy Laboratory, Colorado) einen neuen Weg gefunden und am 25.01.2021 in JACS-Au beschrieben: Selektive Depolymerisation durch chemisches Upcycling mittels Hydrogenolyse. Dafür haben sie Wasserstoff, einen Ruthenium-Kohlenstoff-Katalysator und milde, energiesparende Reaktionsbedingungen kombiniert.

Die Entwicklung von Polyolefinen hat die Herstellung von sicheren und robusten Einweg-Plastikverpackungen für Transport und Lagerung, sterilen medizinischen Geräten und unzähligen anderen Verbraucherprodukten ermöglicht. Da die Rohstoffe für die Herstellung von Polyolefinen wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) reichlich vorhanden und preiswert sind, ist die Herstellung dieser Kunststoffe immens und wächst weiter. Weltweit werden jährlich ca. 215 Millionen Tonnen Polyolefine produziert. Prognosen fürchten, dass die Kunststoffproduktion bis zum Jahr 2050 von 300 Mio. t auf mehr als 1,1 Mrd. t/a ansteigen wird. Aus chemischer Sicht machen die starken sp3-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Polyolefinen, die für die wünschenswerten Materialeigenschaften sorgen, diese auch sehr widerstandsfähig gegen Abbau. Mechanisches Recycling ist eine Methode zur Verwertung von Kunststoffabfällen; allerdings werden nur etwa 16 % der Kunststoffe tatsächlich recycelt und enden in der Regel als „Downcycling“ zu minderwertigen Materialien mit verminderten Eigenschaften. Der Großteil der Einwegkunststoffe landet auf Mülldeponien oder in der Umwelt, was das Ökosystem schädigt und die natürliche Umwelt beeinträchtigt.

Ruthenium-Kohlenstoff-Nanopartikel wandelten in den Versuchen mehr als 90 % der Kohlenwasserstoffe bei 200 °C in kürzere Verbindungen um.  Obwohl die Proben – etwa eine handelsübliche Plastikflasche – nicht vorbehandelt wurden, wie es bei den derzeitigen energieintensiven Methoden notwendig ist, wurden sie mit dier neuen Methode vollständig in gasförmige und flüssige Produkte zerlegt. Im Gegensatz zu bisherigen Abbauprozessen konnte die Reaktion so eingestellt werden, dass entweder Mathan oder eine Kombination aus Methan und flüssigen Alkanen entstand. Die Umsetzung der Methode könnte dazu beitragen, die Menge an Post-Consumer-Abfall in Deponien und in den Ozeanan zu reduzieren, indem Kunststoffe zu begehrten, sehr wertvollen Alkanen recycelt werden. Allerdings müssen die Produkte gereinigt werden, um den Prozess wirtschaftlich durchführbar zu machen.

Abstract

„Chemisches Upcycling von Abfall-Polyolefinen mittels Hydrogenolyse bietet einzigartige Möglichkeiten zur selektiven Depolymerisation im Vergleich zum thermischen Hochtemperatur-Abbau. Hier demonstrieren wir die Hydrogenolyse von Polyethylen zu flüssigen Alkanen unter milden Bedingungen unter Verwendung von Ruthenium-Nanopartikeln auf Kohlenstoffträgern (Ru/C). Reaktivitätsstudien an einem Modellsubstrat n-Octadecan zeigten, dass Ru/C-Katalysatoren hoch aktiv und selektiv für die Hydrogenolyse von C(sp3)-C(sp3)-Bindungen bei Temperaturen von 200 bis 250 °C sind. Unter optimalen Bedingungen von 200 °C in 20 bar H2, wurde Polyethylen (mittleres Mw ? 4000 Da) unter Verwendung eines 5 gewichtsprozentigen Ru/C-Katalysators nach 16 h mit Ausbeuten von bis zu 45 Masse-% in flüssige n-Alkane umgewandelt, wobei die restlichen Produkte aus leichten Alkanen (C1-C6) bestehen. Bei 250 °C wurden nahezu stöchiometrische Ausbeuten an CH4 aus Polyethylen über den Katalysator erhalten. Die Hydrogenolyse von langkettigem Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und einer Postconsumer-LDPE-Plastikflasche zur Herstellung von C7-C45-Alkanen wurde ebenfalls über Ru/C erreicht, was die Machbarkeit dieser Reaktion für die Valorisierung von realistischem Postconsumer-Kunststoffabfall demonstriert. Durch die Identifizierung von Ru-basierten Katalysatoren als eine Klasse von aktiven Materialien für die Hydrogenolyse von Polyethylen zeigt diese Studie vielversprechende Wege für die Aufwertung von Kunststoffabfällen unter milden Bedingungen auf.

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