22.09.2021 - Cornell University

Forschung leitet die Zukunft des chemischen Recyclings von Kunststoffabfällen ein

Neue Forschungsarbeiten der Cornell University zielen darauf ab, den Prozess des chemischen Recyclings zu vereinfachen - eine aufstrebende Industrie, die Abfallprodukte in natürliche Ressourcen zurückverwandeln könnte, indem sie Kunststoff physisch in die kleineren Moleküle zerlegt, aus denen er ursprünglich hergestellt wurde.

In einer neuen Arbeit mit dem Titel "Consequential Life Cycle Assessment and Optimization of High-Density Polyethylene Plastic Waste Chemical Recycling", die in der Ausgabe vom 13. September der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht wurde, beschreiben Fengqi You, Roxanne E. and Michael J. Zak Professor in Energy Systems Engineering, und Doktorand Xiang Zhao ein Rahmenwerk, das mehrere mathematische Modelle und Methoden umfasst, die alles berücksichtigen, von chemischen Recyclinganlagen, Prozessen und Energiequellen bis hin zu Umwelteinflüssen und dem Markt für Endprodukte.

Der Rahmen ist die erste umfassende Analyse dieser Art, die die Umweltauswirkungen des chemischen Recyclings von Kunststoffabfällen über den gesamten Lebenszyklus hinweg quantifiziert, z. B. Klimawandel und Humantoxizität.

Seit den 1950er Jahren wurden Milliarden von Tonnen Kunststoff produziert, doch der größte Teil davon - 91 % laut einer oft zitierten Studie - wurde nicht recycelt. Während wachsende Mülldeponien und kontaminierte Naturgebiete zu den Bedenken gehören, wird das Versäumnis, Plastik zu reduzieren und wiederzuverwenden, von einigen auch als verpasste wirtschaftliche Chance gesehen.

Aus diesem Grund erregt die aufstrebende Branche des chemischen Recyclings die Aufmerksamkeit der Abfallindustrie und von Forschern wie Ihnen, die dazu beitragen, optimale Technologien für das chemische Recycling zu ermitteln und einen Fahrplan für die Zukunft der Branche zu erstellen.

Chemisches Recycling schafft nicht nur eine "Kreislaufwirtschaft", in der ein Abfallprodukt in eine natürliche Ressource zurückverwandelt werden kann, sondern es öffnet auch die Tür dafür, dass Kunststoffe wie Polyethylen hoher Dichte - die zur Herstellung von Gegenständen wie steifen Flaschen, Spielzeug, unterirdischen Rohren und Briefumschlägen verwendet werden - häufiger recycelt werden können.

Der von You entwickelte Rahmen kann die Umweltauswirkungen der Marktdynamik quantifizieren, die bei typischen Lebenszyklus-Nachhaltigkeitsbewertungen übersehen würden. Es ist auch das erste System, das die Optimierung von Suprastrukturen - eine Rechentechnik zur Suche in einem großen kombinatorischen Raum von Technologiepfaden zur Kostenminimierung - mit Lebenszyklusanalysen, Marktinformationen und wirtschaftlichem Gleichgewicht kombiniert.

Das Paper hebt die Vorteile der konsequenten Lebenszyklusoptimierung im Vergleich zu traditionelleren Analyseinstrumenten hervor. In einem Szenario zur Maximierung der wirtschaftlichen Ergebnisse bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltauswirkungen führte die Lebenszyklusoptimierung zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen um mehr als 14 % und der photochemischen Luftverschmutzung um mehr als 60 % im Vergleich zu dem in Umweltverträglichkeitsstudien üblicherweise verwendeten Ansatz der attributiven Lebenszyklusanalyse.

Während die Analyse Branchenexperten und politischen Entscheidungsträgern einen allgemeinen Weg zur Förderung des chemischen Recyclings und einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe aufzeigt, muss eine Vielzahl von Entscheidungen und Variablen entlang des technologischen Weges berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise die Marktnachfrage nach Grundchemikalien wie Ethylen und Propylen stark genug ist, empfiehlt der Rahmen eine bestimmte Art von chemischer Trenntechnik, während eine andere Technologie optimal ist, wenn Butan oder Isobuten gewünscht wird.

"Es ist ein chemischer Prozess und es gibt so viele Möglichkeiten", sagte You. "Wenn wir in chemisches Recycling investieren wollen, welche Technologie würden wir dann einsetzen? Das hängt wirklich von der Zusammensetzung unserer Abfälle ab, von den Varianten des Polyethylen-Kunststoffs, und es hängt von den aktuellen Marktpreisen für Endprodukte wie Kraftstoffe und Kohlenwasserstoffe ab.

Die Umweltauswirkungen des chemischen Recyclings hängen von Variablen wie dem Verfahren der Lieferanten von chemischen Rohstoffen und Produkten ab. So wurde beispielsweise festgestellt, dass die Herstellung von Buten vor Ort im Gegensatz zur Anlieferung die photochemische Luftverschmutzung durch Recyclinganlagen um fast 20 % verringern kann, während die Verwendung von Erdgas vor Ort die potenziell schädliche ionisierende Strahlung um mehr als 37 % erhöht.

"Es gibt immer etwas, das wir an der Technologie und dem Prozess drehen und anpassen können, und das ist der knifflige Teil", so You, der hinzufügte, dass die konsequente Lebenszyklusoptimierung mit dem Aufkommen neuer chemischer Recyclingtechniken und der Veränderung der Märkte ein leistungsfähiges Instrument zur Steuerung der aufstrebenden Industrie bleiben wird.

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