Umwandlung von Kunststoffabfällen in Kraftstoff: Wissenschaftler entwickeln eine katalytische Umwandlungstechnologie bei Raumtemperatur und lösen damit die globale Herausforderung des Recyclings von chloriertem Kunststoff
Im Jahr 2023 veröffentlichte Zhang Wei während seiner Postdoktorandenforschung im Ausland einen ersten-verfassten Aufsatz inWissenschaftüber die Zerlegung von Kunststoff in flüssigen Kraftstoff. Zwei Jahre später, im Jahr 2025, veröffentlichte er als Forscher an seiner Alma Mater, der East China Normal University, eine weitere Erstautorenarbeit (auch als Co-Corresponding Author).Wissenschaft. Diesmal ist es ihm und seinen Mitarbeitern aus China und dem Ausland gelungen, Kunststoff in Benzin umzuwandeln-und damit in einem einzigen Schritt schwer-zersetzbare-gemischte Kunststoffabfälle in hochwertiges Benzin umzuwandeln.
Bei 30 Grad erreicht die Technologie eine Umwandlungsrate von 95 % für weiche Polyvinylchlorid (PVC)-Rohre und 99 % für harte PVC-Rohre und PVC-Drähte. Dadurch können giftige Kunststoffabfälle über einen energiearmen Prozess bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in Kraftstoff umgewandelt werden, wodurch der Energieverbrauch um über 70 % gesenkt wird.
Johannes Lercher, Mitautor des Papiers und Mitglied sowohl der US National Academy of Engineering als auch der European Academy of Sciences, bemerkte: „Diese Technologie ist wie die Suche nach einer ‚chemischen Schere‘ für Kunststoffabfälle, die in der Lage ist, Polymerketten bei Raumtemperatur in benzingroße Moleküle zu zerschneiden. Sie bietet eine entscheidende Unterstützung für die globale Kreislaufwirtschaft.“
Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur Umwandlung von Kunststoff in Kraftstoff erfordert dieser neue Ansatz weniger Energie, weniger Geräte und Schritte und eignet sich für industrielle Großanwendungen. Zu den resultierenden Produkten gehören Schlüsselkomponenten von Benzin, chemischen Rohstoffen und Salzsäure, die in der Wasseraufbereitung, Metallverarbeitung, Pharmazeutik, Lebensmittelproduktion und der Erdölindustrie eingesetzt werden können.
Durch die Umwandlung verschiedener Arten von Kunststoffabfällen in wertvolle Produkte in einem Schritt unterstützt diese Methode die Entwicklung einer grünen Wirtschaft.
In der Studie vermischten Zhang und sein Team Plastikmüll mit leichten Isoalkan-Kohlenwasserstoffen-einem Nebenprodukt der Ölraffinierung-, um Benzin-Kohlenwasserstoffe im Bereich von Benzin zu erzeugen, hauptsächlich Moleküle mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen, die Hauptbestandteile von Benzin. Die zurückgewonnene Salzsäure kann sicher neutralisiert und als Rohstoff wiederverwendet werden und ersetzt möglicherweise mehrere energieintensive Hochtemperatur--Produktionswege, die derzeit in diesem Bereich eingesetzt werden.
Polyolefine machen etwa 50 % der weltweiten Kunststoffproduktion aus, während PVC, ein chloriertes Derivat, weitere 10 % ausmacht. PVC ist allgegenwärtig-von Wasserleitungen und Fenstern zu Hause bis hin zu Kunstledertaschen, Fußböden, Bankkarten und Kabelisolierungen.
Aufgrund seines hohen Chlorgehalts (ca. 57 Gew.-%) stellt PVC bei der Entsorgung im Vergleich zu anderen Polymeren größere Umweltprobleme dar. Herkömmliche Methoden wie die Verbrennung erfordern eine gründliche Entchlorung, um die Freisetzung giftiger chlorierter Verbindungen wie Dioxine und polychlorierter Biphenyle zu verhindern.
Als Reaktion darauf begannen Regulierungsbehörden in Europa und den USA im Jahr 2023 mit der Überprüfung PVC-bezogener Substanzen und unterstrichen damit die Dringlichkeit, sich mit den Umweltauswirkungen von PVC zu befassen.
Typischerweise erfordern chemische Aufbereitungswege, die Kunststoff in hoch{0}reine Komponenten zerlegen, separate Hochtemperatur-Entchlorungsschritte. Zhangs Strategie wandelt PVC-Abfälle in einem einzigen Schritt in chlorfreie Kohlenwasserstoffe und Salzsäure um.
Dieses Verfahren ermöglicht die vollständige katalytische Umwandlung von PVC- und Polyolefinmischungen in einem Schritt und steigert damit die Wirksamkeit zuvor beschriebener Umwandlungstechnologien nur für Polyolefine erheblich.
Die Forscher fanden heraus, dass PVC als Quelle für Carbokationen dienen kann, wodurch die Notwendigkeit eines externen Initiators entfällt und die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit beschleunigt wird. Wenn beispielsweise das Verhältnis von PVC zu Polyethylen 1:1 beträgt, kann das gemischte Polymer innerhalb von 30 Minuten vollständig umgewandelt werden, wodurch etwa 97 Gewichtsprozent flüssige Isoalkane entstehen.
Um die Anwendbarkeit des Verfahrens auf Abfälle aus der realen Welt zu demonstrieren, wandelte das Team verschiedene gebrauchte PVC-Produkte bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in Alkane um. Die Ergebnisse zeigten, dass PVC-Abfälle nach dem Gebrauch, darunter Weich-/Hart-PVC-Rohre und PVC-Drähte, bei 30 Grad eine ähnliche Reaktivität zeigten.
In praktischen Anwendungen können gemischte Kunststoffabfälle verschiedene Zusatzstoffe und Verunreinigungen in die ionische Flüssigkeitsphase einbringen. Diese können die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen oder sich in der dichteren Schicht der ionischen Flüssigkeit ansammeln, aber die organische Phase kann innerhalb von zwei Stunden immer noch erhebliche Mengen an chlorfreien flüssigen Alkanen und gasförmigem Isobutan erzeugen.
Wenn gebrauchte PVC-Abfälle mit starrem Flaschenmaterial aus Polyethylen hoher Dichte vermischt wurden, wurde bei 80 Grad eine nahezu quantitative Feststoffumwandlung erreicht, wobei Isobutan das Hauptprodukt war. Obwohl die Disproportionierung von Isopentan in Gegenwart von Carbokationen unvermeidbar ist, tritt sie hauptsächlich in den frühen Phasen der Reaktion auf.
Etwa 40–66 % des Produkts besteht aus gasförmigem Isobutan, das zusammen mit nicht umgesetztem Isopentan als Alkylierungskomponenten recycelt werden kann, was die Effizienz und Nachhaltigkeit des Prozesses unterstreicht.
Diese Technologie adressiert das Schlüsselproblem der Produktverteilung bei der Umwandlung gemischter Kunststoffabfälle in Kraftstoff und bleibt von Verunreinigungen oder Heterogenität in der Kunststoffmischung unbeeinflusst.
In diesem Reaktionssystem verdünnt Dichlormethan die ionische Flüssigkeit und verringert so die Viskosität und den lokalen Stoffübergangswiderstand. Es kann auch vollständig zurückgewonnen und zusammen mit allen leichten Produkten durch Destillation wiederverwendet werden.
Insgesamt bietet diese Arbeit einen transformativen und skalierbaren Einzelschrittprozess für das Upcycling gemischter PVC- und Polyolefinabfälle. Durch die Senkung des Energieverbrauchs, die Reduzierung des Gerätebedarfs und den Wegfall von Zwischenschritten werden die Effizienz und Kosten-effizienz erheblich verbessert und gleichzeitig die Umweltbelastung reduziert.
Darüber hinaus wandelt diese einstufige Methode verschiedene Kunststoffabfälle in hochwertige-Produkte mit verbesserter Qualität um und legt damit den Grundstein für Anwendungen im industriellen-Maßstab.
Wie bereits erwähnt, ist Zhang Wei der erste Autor des Papiers, und Johannes Lercher, einer der korrespondierenden Autoren, war sein Postdoktorandenberater in den USA. Während seiner Zeit im Ausland leitete Zhang vom US-Energieministerium finanzierte Projekte zum Abbau von Kunststoffabfällen und von Chevron gesponserte Projekte zur CO2-Hydrierung für die Synthese von Kraftstoffen mit mehreren Kohlenstoffalkoholen und lieferte Schlüssellösungen für die effiziente Nutzung von Kohlenstoffressourcen in der industriellen Katalyse.
Zhang leitet derzeit seine Forschungsgruppe an der East China Normal University und konzentriert sich auf vier Hauptbereiche:
Verwertung von Kohlenstoffabfällen (Kunststoffe/Biomasse) durch thermische, photonische, elektrochemische und katalytische Kopplungstechnologien.
Katalytisches Cracken schwerer Paraffin-Kohlenwasserstoffe und Alkylierung leichter Alkane zur Innovation der Standardbenzinproduktion.
Katalytische Umwandlung von C1-Molekülen (CO2/CO) in hochdichte Energieträger.
Entwicklung katalytischer Reaktionen und Systeme unter Verwendung von Wasser als Wasserstoffquelle und -medium.
Nach Angaben der Universität wird Zhang die Industrialisierung der grünen Katalysetechnologie durch Pilotkooperationen mit petrochemischen Unternehmen weiter vorantreiben. Er wird außerdem künstliche Intelligenz nutzen, um effizientere katalytische Systeme zu entwickeln, die Mechanismen der Kunststoffumwandlung auf atomarer-Ebene aufzuklären und durchgängige Innovationen vom Labor bis zur Industrie zu ermöglichen.