18.10.2022 Ι Die University of California, Berkeley, und das Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelten ein neues Verfahren zum Abbau von Plastikmüll. Bei diesem Verfahren kommen Katalysatoren zum Einsatz, welche die  Polyethylen-Polymere unter Zugabe von Ethylen zerlegen und somit Propylen erzeugen, den Grundbaustein von Polypropylen.

Verfahren steckt noch in den Kinderschuhen

Das Verfahren, das sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, würde ein Abfallprodukt in ein wichtiges und gefragtes Produkt verwandeln. Es könnte gleichzeitig den Bedarf an fossilen Brennstoffen für die Herstellung von Propylen senken. Außerdem könnte es dazu beitragen, den Bedarf der Kunststoffindustrie an Propylen zu decken.

„In dem Maße, in dem sie recycelt werden, werden viele Polyethylen-Kunststoffe zu minderwertigen Materialien verarbeitet. Man kann nicht eine Plastiktüte nehmen und daraus eine andere Plastiktüte mit denselben Eigenschaften herstellen“, sagt John Hartwig, Henry Rapoport-Lehrstuhl für Organische Chemie an der UC Berkeley. „Aber wenn man diese Polymertüte in ihre Monomere zurückverwandeln, sie in kleine Stücke zerlegen und repolymerisieren kann, dann muss man nicht mehr Kohlenstoff aus dem Boden holen, sondern kann ihn als Kohlenstoffquelle für die Herstellung anderer Dinge verwenden – zum Beispiel für Polypropylen.“

Zwei Arten von Katalysatoren

Hartwig hat sich auf die Verwendung von Metallkatalysatoren spezialisiert, um ungewöhnliche und reaktive Bindungen in Kohlenwasserstoffketten einzufügen, die zumeist auf Erdöl basieren. An diese reaktiven Bindungen können dann neuartige chemische Gruppen angefügt werden, um neue Materialien zu bilden.

Mit einem Zuschuss des US-Energieministeriums zur Erforschung neuer katalytischer Reaktionen kamen Hartwig und die Doktoranden Steven Hanna und Richard J. „RJ“ Conk auf die Idee, zwei Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen an Polyethylen mit einem Katalysator zu brechen, um eine reaktive Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung zu erzeugen. Mit dieser Schwachstelle in der Panzerung der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen des Polymers konnten sie dann die Polymerkette durch Reaktion mit Ethylen und zwei weiteren Katalysatoren, die kooperativ reagieren, aufbrechen.

„Sobald man diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung hat, verwendet man eine Reaktion namens Olefinmetathese, die 2005 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, mit Ethylen, um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung zu spalten. Jetzt hat man dieses langkettige Polymer in kleinere Stücke zerlegt, die am Ende eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung enthalten“, so Hartwig.

Durch Zugabe eines zweiten Katalysators aus Palladium konnten Propylenmoleküle wiederholt vom reaktiven Ende abgeschnitten werden. Das Ergebnis: 80 % des Polyethylens wurde zu Propylen reduziert.

Die Gruppe demonstrierte, dass das Verfahren mit einer Vielzahl von PE-Kunststoffen funktioniert, darunter durchsichtige Milchflaschen, undurchsichtige Shampooflaschen, PE-Verpackungen und die harten schwarzen Kunststoffdeckel, die Viererpacks von Aluminiumdosen verbinden. Alle wurden effizient zu Propylen reduziert, wobei nur die Farbstoffe entfernt werden mussten.

Innovative Verfahren für den Umweltschutz

Hartwigs Labor hat außerdem kürzlich mit Hilfe einer innovativen Katalyse ein Verfahren entwickelt, mit dem aus Polyethylenbeuteln Klebstoff hergestellt werden kann, ein weiteres wertvolles Produkt. Zusammen könnten diese neuen Verfahren den wachsenden Plastikmüllbergen, die auf Mülldeponien, in Flüssen und schließlich in den Ozeanen landen, Einhalt gebieten.

„Beide sind noch weit von der Kommerzialisierung entfernt“, sagte er. „Aber es ist leicht zu erkennen, wie dieses neue Verfahren die größte Menge an Kunststoffabfällen in einen riesigen chemischen Rohstoff umwandeln könnte – natürlich mit viel weiterer Entwicklung.“