Neue Methode zum Upcycling von Polyethylen
Massenhaft nutzbar als Ausgansstoff für Nylon
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Es würde Umwelt und Klima enorm entlasten, wenn sich das Massenprodukt Nylon, chemisch Polyamid, künftig weitgehend aus Plastikmüll herstellen ließe statt aus Erdöl, wie bislang üblich. Am LIKAT, dem Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock, gehen Chemiker diesen Weg. Es gelang ihnen, Polyethylen, Hauptbestandteil allen Plastikabfalls, selektiv in Dicarbonsäuren umzuwandeln, die als chemische Ausgangsstoffe für Nylon dienen können.
Die Reaktion verläuft unter milden Bedingungen und kommt sogar ohne Katalysator aus. Ziel ist ein Verfahren im Technikumsmaßstab. Dazu will das Team die Selektivität erhöhen und die Reaktionsmechanismen aufklären.
Pyrolyse nicht mehr tragbar
Polyethylen, das Material der omnipräsenten Plastiktüten, macht im Verein mit Polypropylen vier Fünftel des Kunststoffmülls aus, weltweit schätzungsweise 400 Millionen Tonnen im Jahr. Um diese Polyolefine chemisch zu recyceln, etablierte sich die Pyrolyse, wie Dr. Esteban Mejía, Themenleiter am LIKAT, erläutert: „Der Kunststoff wird bei Temperaturen bis zu 600 Grad Celsius kontrolliert verbrannt.“
Das Ergebnis sei zwar „schönes Öl“ und der Prozess emittiere auch kein CO2. Doch durch den enormen Energieverbrauch hinterlässt die Pyrolyse einen so tiefen CO2-Fußabdruck, dass Umweltbehörden Alarm schlagen. In den USA würden Pyrolyse-Fabriken bereits stillgelegt.
Reaktive Sauerstoff-Species als Werkzeug
Das wirft die Frage nach Alternativen auf. Die Forschung kennt eine Reihe von katalytischen Prozessen, die oxidativ wie die Pyrolyse funktionieren, sagt Esteban Mejía. „Dabei wird an der Polyethylen-Oberfläche eine reaktive Sauerstoff-Species bildet, wir nennen sie ROS, reactive oxygen species.“ Genau auf die kommt es an, wie Chemiker inzwischen wissen. Dr. Mejía: „ROS zerlegen das Polyethylen chemisch. Sie fressen quasi das Material.“
Allerdings benötigt diese Reaktion hohen Druck, und das macht den Prozess explosiv. „Er lässt sich nicht ohne weiteres in praxisrelevante Maßstäbe hochskalieren.“ Außerdem basieren die Katalysatoren auf Edelmetall, was das Ganze teuer macht und auch abhängig vom unsicheren Rohstoffmarkt.
Bei ihren Literaturrecherchen fand die Gruppe um Dr. Mejía Berichte von Kollegen, die aus Polyethylen Dicarbonsäure unspezifischer Kettenlängen herstellten, u.a. mit hochkonzentrierter Salpetersäure bei 180 Grad Celsius und in der Mikrowelle. „Das sind recht harsche Prozesse“, sagt Esteban Mejía, „doch es reizte uns, den Weg mit Salpetersäure weiter zu verfolgen und den Prozess zu vereinfachen.“
Einfacher heißt: verdünnt und mit H2O2
Seit April 2026 arbeitete ein Postdoktorand, Dr. Satyajit Panda, an dem Thema, zeitweilig unterstützt von einem Masterstudenten von der Universität Rostock. Durch weitere Recherchen und trial & error, wie Dr. Mejía sagt, kam die Gruppe letztlich auf eine einfache Reaktion. Der Effekt war faszinierend: „Du gibst Stücke einer Plastiktüte in ein Reagenzglas mit stark verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid, erhitzt das Ganze auf maximal 120 Grad und kannst dabei zuschauen, wie das Polyethylen sich auflöst.“
Die Reaktion zu steuern sei allerdings weniger simpel. „Wichtig ist ein bestimmtes Regime der Wärmezufuhr“, wie Esteban Mejía erläutert. Denn die Umsetzung von Polyethylen in Dicarbonsäure durchläuft einige Stufen. Wenn man den Zwischenprodukten zu viel Zeit lässt, läuft die Reaktion suboptimal und ergibt am Ende ein kompliziertes Gemisch.
Selektivität und Reaktionsmechanismus
Dicarbonsäure besteht aus unterschiedlich langen Ketten von Kohlenstoff- Atomen. Die bisherigen Veröffentlichungen berichten über Reaktionsergebnisse mit Kettenlängen von zwei bis über 40 C-Atomen. „Die Autoren nutzten das als Tenside für die Herstellung von Seife“, sagt Esteban Mejía. Das Zielprodukt der Rostocker Chemiker hingegen ist ein praktikabler Ausgangsstoff für Polyamid, besser bekannt als Nylon. Dafür eignet sich Dicarbonsäure mit einer Kettenlänge von genau sechs C-Atomen. Und das stellt höhere Anforderungen an die Selektivität der Reaktion und an etwaige Trennprozesse.
Im Experiment konnten die LIKAT-Chemiker die Kettenlänge ihres Produkts bereits auf vier bis zehn Kohlenstoff-Atome eingrenzen. Das möchten sie in Kooperation mit Prof. Dr. Udo Kragl von der Technischen Chemie der Universität Rostock weiter verbessern. Unter anderem dafür beantragten sie eine Projektförderung durch die DFG.
In diesem Projekt wollen sie zudem mit Analytikern am LIKAT den Reaktionsmechanismus aufklären: Es gelte vor allem herauszufinden, „welche Intermediate sich wann und wie schnell im Reaktionsprozess bilden“, wie Esteban Mejía sagt. Und es gibt eine Kooperation mit einem Kollegen von der Universität Guayaquil, Ecuador, der in photochemischen Experimenten den Einfluss von Licht auf die Funktion der ROS, den reaktiven Species, untersucht.
Müll als Rohstoff für ein Massenprodukt
Schätzungsweise acht Millionen Tonnen Polyamid werden weltweit produziert, und zwar mit Erdöl als primärer Rohstoffbasis. Mit der Möglichkeit des chemischen Upcyclings von Polyethylen böte sich ein Großteil des Plastikmülls als alternativer Rohstoff an. Dr. Esteban Mejía: „Eine massenhafte Aufbereitung für die Nylon-Produktion würde die Umwelt entlasten und die Industrie in diesem Bereich unabhängig von fossilen Rohstoffen machen.“
Derzeit bereitet die Gruppe um Dr. Mejía eine Publikation im JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY vor. Und es traf eine Einladung aus Singapore ein mit der Bitte, die Forschungsergebnisse im Dezember auf der Southeast Asia Catalysis Conference vorzutragen.
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