Chemiker der CU Boulder haben eine neue Methode entwickelt, um eine gängige Art von Kunststoff zu recyceln, die in Getränkeflaschen und anderen Verpackungen vorkommt. Die Methode des Teams beruht auf Elektrizität und einigen raffinierten chemischen Reaktionen und ist so einfach, dass man das Auseinanderbrechen des Kunststoffs vor seinen Augen beobachten kann.
Die Studie befasst sich mit dem zunehmenden Problem des Plastikmülls in der Welt. Nach Angaben der Environmental Protection Agency wurden allein in den Vereinigten Staaten im Jahr 2018 fast 36 Millionen Tonnen Plastikprodukte produziert. Ein Großteil des Mülls landet auf Mülldeponien, sagte Studienmitautorin Oana Luca.
„Wir klopfen uns selbst auf die Schulter, wenn wir etwas in die Recyclingtonne werfen, aber der größte Teil des wiederverwertbaren Kunststoffs wird nie recycelt“, sagte Luca, Assistenzprofessorin am Fachbereich Chemie. „Wir wollten herausfinden, wie wir molekulare Materialien, die Bausteine von Kunststoffen, zurückgewinnen können, damit wir sie wieder verwenden können.“ In der neuen Studie sind sie und ihre Kollegen genau diesem Ziel einen Schritt näher gekommen.
Die neue Forschungsarbeit kommt dem Ziel einen Schritt näher
Die Gruppe konzentrierte sich auf eine Art von Kunststoff namens Polyethylenterephthalat (PET), dem Verbraucher tagtäglich in Wasserflaschen, Blisterverpackungen und sogar einigen Polyestergeweben begegnen. In kleinen Laborexperimenten mischten die Forscher Teile dieses Kunststoffs mit einer speziellen Art von Molekül und legten dann eine geringe elektrische Spannung an. Innerhalb weniger Minuten begann sich das PET zu zersetzen.
Das Team hat noch viel Arbeit vor sich, bevor sein Recycling-Werkzeug das weltweite Plastikmüllproblem in den Griff bekommen kann. Aber es hat trotzdem Spaß gemacht, zu beobachten, wie der Abfall, der jahrhundertelang in Müllbergen herumliegen kann, in wenigen Stunden oder Tagen verschwindet, so der Hauptautor der Studie und Doktorand der Chemie, Phuc Pham. „Es war fantastisch, den Verlauf der Reaktion in Echtzeit zu beobachten“, sagte Pham. „Die Lösung färbt sich zunächst tiefrosa und wird dann klar, wenn das Polymer auseinanderbricht.“
Der Müll einer Person
Luca sagte, dies sei eine ganz neue Art, über die Möglichkeiten des Mülls nachzudenken. Recyclingtonnen, so Luca, mögen wie eine gute Lösung für das weltweite Plastikproblem aussehen. Aber die meisten Gemeinden auf der ganzen Welt tun sich schwer damit, den kleinen Müllberg, den die Menschen jeden Tag produzieren, zu sammeln und zu sortieren. Das Ergebnis ist: Weniger als ein Drittel des gesamten PET-Kunststoffs in den USA wird auch nur annähernd recycelt (andere Kunststoffarten liegen sogar noch weiter zurück).
Selbst dann können Methoden wie das Schmelzen von Kunststoffabfällen oder das Auflösen in Säure die Materialeigenschaften verändern. „Am Ende werden die Materialien mechanisch verändert“, sagt Luca. „Wenn man mit den derzeitigen Recyclingmethoden eine Plastikflasche schmilzt, kann man zum Beispiel eine dieser Einweg-Plastiktüten herstellen, für die wir heute im Supermarkt Geld bezahlen müssen.“
Sie und ihr Team wollen dagegen einen Weg finden, die Grundbestandteile alter Plastikflaschen zur Herstellung neuer Plastikflaschen zu verwenden. Das ist so, als würde man seine Lego-Burg zertrümmern, um aus den Klötzen ein ganz neues Gebäude zu bauen.
Der Schatz eines anderen
Um dieses Kunststück zu vollbringen, wandte die Gruppe ein Verfahren an, das als Elektrolyse bezeichnet wird – oder die Verwendung von Elektrizität zur Aufspaltung von Molekülen. Chemiker wissen zum Beispiel seit langem, dass sie an Bechergläser, die mit Wasser und Salzen gefüllt sind, eine Spannung anlegen können, um diese Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffgas zu spalten.
Aber PET-Kunststoff ist viel schwieriger zu spalten als Wasser. In der neuen Studie zerkleinerte Pham Plastikflaschen und mischte das Pulver in eine Lösung. Anschließend fügten er und seine Kollegen der Lösung einen weiteren Bestandteil hinzu, ein Molekül, das als [N-DMBI]+-Salz bekannt ist. Pham erklärte, dass dieses Molekül in Gegenwart von Elektrizität einen „reaktiven Vermittler“ bildet, der sein zusätzliches Elektron an das PET abgeben kann, wodurch sich die Plastikkörner lösen. Stellen Sie sich das als das chemische Äquivalent eines Karateschlags auf ein Holzbrett vor.
Die Forscher versuchen immer noch zu verstehen, wie genau diese Reaktionen ablaufen, aber es gelang ihnen, das PET in seine Grundbausteine zu zerlegen, die die Gruppe dann wiedergewinnen und möglicherweise zur Herstellung von etwas Neuem verwenden kann.
Effizientes Kunststoffrecycling und Hoffnung im Kampf gegen Plastikmüll
Die Forscher setzten in ihrem Labor nur Tischgeräte ein und berichteten, dass sie etwa 40 mg (eine kleine Prise) Pet über mehrere Stunden abbauen konnten. „Obwohl dies ein großartiger Anfang ist, glauben wir, dass noch viel Arbeit geleistet werden muss, um den Prozess zu optimieren und zu vergrößern, damit er schließlich in industriellem Maßstab angewendet werden kann“, sagte Pham.
Luca zumindest hat einige großartige Ideen für die Technologie. „Wenn es nach mir ginge, würde ich als verrückter Wissenschaftler diese elektrochemischen Methoden einsetzen, um viele verschiedene Arten von Plastik auf einmal zu zersetzen“, sagte Luca. „Auf diese Weise könnte man zum Beispiel zu diesen riesigen Müllfeldern im Meer fahren, den ganzen Abfall in einen Reaktor leiten und eine Menge nützlicher Moleküle zurückgewinnen.“
