30.04.2021 - Ames Laboratory

Kunststoffe könnten ein zweites Leben als biologisch abbaubare Tenside erleben

Neues chemisches Verfahren liefert aus ausrangierten Kunststoffen biologisch abbaubare Chemikalien

Wissenschaftler am Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), einem Energy Frontier Research Center unter Leitung des Ames Laboratory, haben einen chemischen Prozess entdeckt, der aus ausrangierten Kunststoffen biologisch abbaubare, wertvolle Chemikalien liefert, die als Tenside und Reinigungsmittel in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden. Der Prozess hat das Potenzial, nachhaltigere und wirtschaftlich günstigere Lebenszyklen für Kunststoffe zu schaffen.

Die Forscher konzentrierten sich bei ihrer Arbeit auf die Dekonstruktion von Polyolefinen, die mehr als die Hälfte aller weggeworfenen Kunststoffe ausmachen und fast alle erdenklichen Produkte umfassen - Spielzeug, Lebensmittelverpackungen, Rohrsysteme, Wasserflaschen, Stoffe, Schuhe, Autos und Möbel.

"Kunststoffe, und insbesondere Polyolefine, sind Materialien, die man als zu erfolgreich bezeichnen könnte", sagt iCOUP-Direktor Aaron Sadow. "Sie sind fantastisch - stark, leicht, thermisch stabil, chemisch beständig - für all die Anwendungen, für die wir sie verwenden, aber das Problem kommt, wenn wir sie nicht mehr brauchen."

Es liegt an der chemischen Konstruktion von Polyolefin-Kunststoffen, die sie so zäh und haltbar macht - lange, starke Ketten von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen - die sie auch schwer abbaubar machen. Außerdem fehlen bei Polyolefinen in der Regel die chemischen Gruppen, die in Abbauprozessen anvisiert werden könnten. Viele bestehende Verfahren zum Recycling von Kunststoffen führen zu weniger wertvollen, weniger brauchbaren Komponenten, was die wirtschaftliche Machbarkeit des Recyclings weit weniger attraktiv macht.

Der neue Prozess nutzt das, was die Wissenschaft bereits über die Schlüsselschritte der Polymerisation weiß - den Aufbau langer Polymerstränge - aber in umgekehrter Weise, indem einige der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in den Ketten gebrochen werden. Sobald einige Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gebrochen sind, gehen die verkürzten Polymerketten auf eine Aluminium-Endgruppe über und bilden reaktive Spezies. Die Katalysatoren und Reaktionen für diesen neuen Prozess sind mit denen verwandt, die bei der Alkenpolymerisation verwendet werden, und nutzen die gut verstandene katalytische Chemie. Schließlich lassen sich die Zwischenprodukte dieser neuen Umwandlung leicht in Fettalkohole oder Fettsäuren umwandeln oder in anderer synthetischer Chemie verwenden, um Chemikalien oder Materialien zu erzeugen, die in vielerlei Hinsicht wertvoll sind: als Waschmittel, Emulgatoren, Pharmazeutika und Kosmetika. Da der Prozess katalytisch gesteuert wird, können die gewünschten Produktkettenlängen gezielt synthetisiert werden.

Das Beste an dem Verfahren ist, dass die Endprodukte im Gegensatz zu den Ausgangsstoffen Polyethylen und Polypropylen biologisch abbaubar sind.

"Fettsäuren und Alkohole sind in der Umwelt relativ schnell biologisch abbaubar. Wenn diese Nebenprodukte an anderer Stelle eine neue Verwendung finden, ist das wunderbar, aber es hat auch ein Lebensende, was bedeutet, dass es sich nicht in der Umwelt anreichert wie Kunststoffe", sagt Sadow.

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