Bordelaiser und Marseiller Chemikern ist es gelungen, zwei der am häufigsten verwendeten, aber auch chemisch am schwierigsten zu recycelnden Kunststoffe umzuwandeln: Polystyrol und Polyethylen. Dank schonender, metallfreier und energiearmer Verfahren ebnen sie den Weg für ein neues Zeitalter des Recyclings und der Aufwertung von Kunststoffabfällen.
Kunststoffe auf Erdölbasis haben die Nachteile ihrer Vorteile: Da sie für Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abbau konzipiert sind, bleiben sie sehr schwer zu recyceln (weniger als 10 % werden recycelt), verursachen erhebliche Probleme bei der Verschmutzung von Böden und Ozeanen und bedrohen die Gesundheit der Ökosysteme. Bei Polystyrol (PS), das häufig für Lebensmittelverpackungen und Isolierungen verwendet wird, werden in Frankreich weniger als 5 % recycelt. Jedes Jahr landen Hunderttausende Tonnen in unseren Mülltonnen.
Illustrationsbild Pixabay Um dies zu ändern, haben Wissenschaftler des Laboratoire de chimie des polymères organiques (CNRS/Bordeaux INP/Université de Bordeaux) und des Labors Biodiversité et biotechnologies fongiques (INRAE/Aix Marseille Université) eine einfache und robuste Lösung entwickelt: die Verwendung von Enzymen aus Pilzen zu seinem Abbau.
Ihr Trick? Sie bringen das Polymer mit Hilfe eines Tensids und in Anwesenheit von Sauerstoff in Form stabiler Nanopartikel in Wasser. Das so formulierte Polystyrol wird für Enzyme zugänglicher, die die langen Ketten des Polymers in kleinere Fragmente zerschneiden, bis hin zu wertvollen Molekülen wie Benzoesäure und Benzaldehyd.
Diese Moleküle werden bereits täglich verwendet: Benzoesäure für ihre antimykotischen und antibakteriellen Eigenschaften, Benzaldehyd für sein Mandelaroma. Aber ihre Herstellungsmethoden sind nach wie vor sehr energieintensiv. Sie direkt aus Kunststoffabfällen mit Hilfe von Enzymen herzustellen, wäre daher ein bedeutender Fortschritt für die Umwelt und die Kreislaufwirtschaft. Das Verfahren, das sich noch in der Entwicklung befindet, lässt eine faszinierende Zukunft erahnen, in der gebrauchte Joghurtbecher in Medikamente oder Aromen umgewandelt werden könnten.
In einer zweiten Studie in Zusammenarbeit mit dem Institut des sciences moléculaires (CNRS/ Bordeaux INP/Université de Bordeaux) nimmt sich das Team Polyethylen (PE) an, dem weltweit am meisten produzierten Kunststoff (über 150 Millionen Tonnen pro Jahr). Diesmal geht es nicht darum, ihn aufzubrechen, sondern ihn chemisch in ein neues Material mit hoher Wertschöpfung umzuwandeln.
Aufwertung von Polyethylen-Kunststoffabfällen durch Upcycling via das Aufpfropfen von Oxim- oder Ketofunktionen auf die Polymerkette.
© Yannick Landais und Daniel Taton
Die Wissenschaftler verwenden dafür ein einfaches und preiswertes Oxidationsmittel: tert-Butylnitrit. Aktiviert durch sichtbares Licht erzeugt es Radikale, sehr reaktive Spezies, die in der Lage sind, ein Wasserstoffatom von der Polyethylenkette abzuspalten und es durch neue chemische Funktionen zu ersetzen, wie Oxim (C=N-OH) oder Keton (C=0), ohne auf Metallkatalysatoren zurückgreifen zu müssen.
Die Bordelaiser Teams zeigten, dass diese chemische Modifikation auch auf thermischem Wege in einem Extruder durchgeführt werden kann, um PE-Abfälle in einem mit der Recyclingindustrie kompatiblen Maßstab zu behandeln. Die so aufgepfropften Funktionen bilden "Eintrittspunkte" auf der Polymerkette, die es anschließend ermöglichen, das Material zu verändern, seine Steifigkeit, sein mechanisches Verhalten oder seine Polarität zu modifizieren, um es kompatibler mit anderen Kunststoffen oder Lösungsmitteln zu machen.
Die Studie bietet somit eine doppelte Perspektive: Kunststoffe auf PE-Basis effizienter zu recyceln und Zugang zu innovativen Polymeren mit einstellbaren Eigenschaften und höherer Wertschöpfung zu erhalten. Langfristig könnten diese Fortschritte sogar die Entwicklung "intelligenter" Kunststoffe ermöglichen, die von vornherein so konzipiert sind, dass sie sauberer umgewandelt, repariert oder recycelt werden können.
Diese beiden Studien, die in
Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht wurden, veranschaulichen einen Paradigmenwechsel in der Chemie der Kunststoffe und ihrer Kreislauffähigkeit.
Redakteur: AVR
Quelle: CNRS INC