Dank einer verbesserten katalytischen Methode können unsere Kunststoffabfälle als Rohstoff für Waschmittel verwendet werden

Wir haben es geschafft, so viel Plastikmüll anzusammeln, dass es entmutigend ist, darüber nachzudenken, was man mit den Tonnen von nicht biologisch abbaubarem Abfall machen könnte. Und so sehr wir auch versuchen, unsere Abhängigkeit von Einwegkunststoffen zu verringern, vergrößern wir weiterhin den globalen Plastikmüll. Ereignisse wie die COVID-19-Pandemie führten lediglich zu einer Ausweitung ihres Einsatzes für persönliche Schutzausrüstung sowie Einweg- und Mitnahmeverpackungen.

Aber für Forscher an der UC Santa Barbara ist die Einwegverpackung einer Person der nützliche Rohstoff einer anderen Person. In einem in der Zeitschrift Chem veröffentlichten Artikel haben sie den Wert von Einwegkunststoffen neu definiert und ein innovatives Verfahren verbessert, das Polyolefine, den häufigsten Polymertyp in Einwegverpackungen, in wertvolle Alkylaromaten umwandeln kann – Moleküle, die ihnen zugrunde liegen Tenside, die aktiven Bestandteile von Reinigungsmitteln und anderen nützlichen Chemikalien.

„Wenn wir diese Tenside jetzt aus fossilen Brennstoffen herstellen und Sie sie aus Kunststoffabfällen herstellen könnten, dann verwenden Sie keine fossilen Brennstoffe mehr zur Herstellung von Tensiden, und Sie erhalten eine andere Verwendung für den Kohlenstoff, der in die Kunststoffe gelangt ist“, sagte er Professorin für Chemieingenieurwesen Susannah Scott, Inhaberin des Mellichamp-Lehrstuhls für nachhaltige katalytische Verarbeitung an der UCSB. Anstatt sie zu verbrennen oder auf Mülldeponien zu vergraben – Praktiken, die die Hauptmethoden darstellen, mit denen wir derzeit mit Kunststoffabfällen umgehen – werden Kunststoffe auf eine Weise wiederverwendet, die herkömmliche „schmutzige“ Prozesse zur Herstellung von Tensiden verkürzt und Einwegkunststoffen eine weitere Chance auf Nützlichkeit gibt .

Die Forscher bauten auf früheren Arbeiten auf, in denen sie eine katalytische Methode vorstellten, um die starken Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufzubrechen, die Kunststoff zu dem schwer abbaubaren Material machen, und anschließend die Molekülketten in alkylaromatische Ringe umzuordnen. Das ursprüngliche Verfahren, das auf einem Platin-auf-Aluminiumoxid-Katalysator basierte, sei zwar wirksam, sagte Scott, sei aber langsam und die Ausbeute an alkylaromatischen Molekülen sei gering. „Wir haben in diesem Papier gezeigt, wie wir es viel besser machen können“, sagte sie.

Der Schlüssel zu ihrer Methode besteht darin, den Säuregehalt des ursprünglichen Aluminiumoxidkatalysators durch Zugabe von Chlor oder Fluor zu erhöhen. Mit den hinzugefügten Säurezentren konnte das Team die Geschwindigkeit und Selektivität seines Prozesses steigern.

„Es schreit einfach mit“, sagte Scott. „Es macht die Alkylaromaten schneller und wir können es so einstellen, dass wir Moleküle mit der richtigen Größe herstellen.“ In der neuen Arbeit konzentrierten sie sich darauf, das optimale Verhältnis von Säurezentren zu Metallzentren in ihrem Katalysator zu finden, erklärte sie. „Es stellt sich heraus, dass sie zusammenarbeiten. Sie haben unterschiedliche Rollen, aber beide müssen vorhanden sein und im richtigen Verhältnis zueinander stehen, damit der Katalysezyklus zu keinem Zeitpunkt ins Stocken gerät.“

Darüber hinaus arbeitet ihr Eintopfverfahren bei moderaten Temperaturen und erfordert einen geringen Energieaufwand. Während die Methode ursprünglich 24 Stunden brauchte, um Kunststoff in alkylaromatische Moleküle umzuwandeln, kann das verbesserte Verfahren die Aufgabe innerhalb weniger Stunden erledigen und so die Menge an Kunststoff erhöhen, die in einem Reaktor angemessener Größe umgewandelt werden kann.

Mit weiteren Verbesserungen könnte diese Methode laut Scott auf dem Weg zu einem realisierbaren kommerziellen Prozess sein. Das ultimative Ziel besteht darin, es in großem Umfang zu nutzen, was die Rückgewinnung von Einwegkunststoffen ermöglichen und Anreize dafür schaffen würde. Mithilfe von Kunststoffabfällen als reichlich vorhandenem Rohstoff könnten Chemieunternehmen die bei diesem Prozess entstehenden alkylaromatischen Moleküle in Tenside umwandeln, die zu Seifen, Waschflüssigkeiten, Reinigungsmitteln und anderen Reinigungsmitteln verarbeitet werden.

„Idealerweise möchten Sie Kunststoffabfälle für einen Zweck mit einem ausreichend großen Produktionsvolumen wiederverwenden, für den eine erhebliche Nachfrage besteht, um das Kunststoffproblem einzudämmen“, erklärte Scott. Um festzustellen, ob diese Methode wirklich nachhaltig sei, müsste sie einer Lebenszyklusanalyse unterzogen werden, bei der die verbrauchte Energie und die emittierten Treibhausgase bei jedem Schritt berechnet würden. Durch die Verwendung von Abfallmaterial wird sichergestellt, dass bei der Herstellung des Ausgangsmaterials keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen entstehen. Allerdings müsste die Energie, die für den Betrieb des katalytischen Prozesses und die Trennung der gewünschten Moleküle erforderlich ist, vor der Maßstabsvergrößerung berücksichtigt werden, sagte Scott. Wenn die Prüfung erfolgreich ist, könnte die Methode die Prozesse ersetzen, die fossile Brennstoffe verbrauchen und bei der Herstellung von Tensiden von Grund auf erforderlich sind.

„Wir werden mehrere Ziele brauchen, um das Plastikmüllproblem anzugehen, aber das ist ein ziemlich großes Ziel“, sagte Scott. „Das lohnt sich.“

Die Forschung zu dieser Studie wurde auch von Jiakai Sun, Yu-Hsuan Lee und Mahdi M. Abu-Omar an der UCSB durchgeführt; Ryan D. Yappert und Baron Peters an der University of Illinois, Urbana-Champaign; und Anne M. LaPointe und Geoffrey W. Coates an der Cornell University.

Susannah Scott hat gemeinsame Ernennungen zur Distinguished Professorin sowohl für Chemieingenieurwesen als auch für Chemie und Biochemie inne.

Sonia FernandezLeitender Wissenschaftsjournalist (805) [email protected]

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