Forscher entwickeln Methode zur Umwandlung von Plastikabfällen in Seife.

10. August 2023

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Korrekturgelesen von Virginia Tech

Ein Team unter der Leitung von Forschern der Virginia Tech hat eine neue Methode zur Verwertung von Kunststoffen zu chemischen Verbindungen entwickelt, die als Tenside bekannt sind und zur Herstellung von Seife, Reinigungsmitteln und mehr verwendet werden. Die Arbeit wurde in Science veröffentlicht.

Kunststoffe und Seifen haben normalerweise wenig gemeinsam, wenn es um Textur, Aussehen und vor allem die Verwendung geht. Auf molekularer Ebene gibt es jedoch eine überraschende Verbindung zwischen den beiden: Die chemische Struktur von Polyethylen, einem der heute weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffe, ist der von Fettsäuren, die als chemische Vorstufe für Seife verwendet werden, äußerst ähnlich. Beide Materialien bestehen aus langen Kohlenstoffketten, aber Fettsäuren haben am Ende der Kette eine zusätzliche Gruppe von Atomen.

Guoliang 'Greg' Liu, Associate Professor für Chemie am College of Science der Virginia Tech, war sich dieser Ähnlichkeit lange Zeit bewusst und war der Meinung, dass es möglich sein sollte, Polyethylen in Fettsäuren umzuwandeln - mit einigen zusätzlichen Schritten im Prozess, um Seife herzustellen. Die Herausforderung bestand darin, eine lange Polyethylenkette in viele kurze - aber nicht zu kurze - Ketten zu zerlegen und dies effizient zu tun. Liu glaubte, dass ein neues Aufwertungsverfahren möglich wäre, das Kunststoffabfälle mit geringem Wert in eine hochwertige, nützliche Ware verwandeln könnte.

Nachdem Liu die Frage einige Zeit lang erwogen hatte, wurde er während eines Winterabends am Kamin von einer Inspiration getroffen. Er beobachtete, wie der Rauch aus dem Feuer aufstieg, und dachte darüber nach, dass der Rauch aus winzigen Partikeln besteht, die während der Verbrennung des Holzes entstehen. Obwohl Kunststoffe aus Sicherheits- und Umweltgründen niemals in einem Kamin verbrannt werden sollten, begann Liu sich zu fragen, was passieren würde, wenn Polyethylen unter sicheren Laborbedingungen verbrannt werden könnte.

Würde die unvollständige Verbrennung von Polyethylen "Rauch" erzeugen, ähnlich wie beim Verbrennen von Holz? Wenn jemand diesen Rauch einfangen würde, woraus würde er bestehen?

'Brennholz besteht größtenteils aus Polymeren wie Zellulose. Bei der Verbrennung von Brennholz werden diese Polymere zu kurzen Ketten und dann zu kleinen gasförmigen Molekülen abgebaut, bevor sie vollständig zu Kohlendioxid oxidiert werden', sagte Liu, Inhaber des Blackwood Junior Faculty Fellowship of Life Sciences am Department of Chemistry. 'Wenn wir die synthetischen Polyethylenmoleküle ähnlich abbauen, aber den Prozess stoppen, bevor sie vollständig zu kleinen gasförmigen Molekülen zerfallen, sollten wir kurzkettige Polyethylen-ähnliche Moleküle erhalten.'

Mit Hilfe von Zhen Xu und Eric Munyaneza, zwei Doktoranden der Chemie in Lius Labor, baute Liu einen kleinen, ofenähnlichen Reaktor, in dem sie Polyethylen im sogenannten Temperaturgradienten-Thermolyseverfahren erhitzten.

Am Boden des Ofens herrscht eine ausreichend hohe Temperatur, um die Polymerketten zu brechen, und oben wird der Ofen gekühlt, um eine weitere Zersetzung zu stoppen. Nach der Thermolyse sammelten sie den Rückstand - ähnlich wie das Reinigen des Rußes aus einem Schornstein - und stellten fest, dass Lius Instinkt richtig war: Es bestand aus "Kurzkettigen Polyethylen"-Wachsen.

Dies war der erste Schritt bei der Entwicklung einer Methode zur Wiederaufbereitung von Kunststoffen zu Seife, sagte Liu. Nachdem noch ein paar weitere Schritte, einschließlich Verseifung, hinzugefügt wurden, stellte das Team die weltweit erste Seife aus Kunststoffen her. Um den Prozess fortzusetzen, holte das Team Experten für computergestützte Modellierung, wirtschaftliche Analyse und mehr hinzu.

Einige dieser Experten wurden durch Verbindungen mit dem Macromolecules Innovation Institute an der Virginia Tech in das Team eingeführt. Gemeinsam dokumentierte und verfeinerte die Gruppe den Aufwertungsprozess, bis er bereit war, mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt zu werden.

'Unsere Forschung zeigt einen neuen Weg für das Recycling von Kunststoffen ohne Verwendung neuer Katalysatoren oder komplexer Verfahren. In dieser Arbeit haben wir das Potenzial einer Tandemstrategie für das Kunststoffrecycling gezeigt', sagte Xu, Erstautor des Artikels. 'Dies wird die Menschen dazu ermutigen, in Zukunft noch kreativere Entwürfe für Wiederaufbereitungsverfahren zu entwickeln.'

Although polyethylene was the plastic that inspired this project, the upcycling method can also work on another type of plastic known as polypropylene. These two materials make up much of the plastic consumers encounter every daily, from product packaging to food containers to fabrics. One of the exciting features of Liu's new upcycling method is that it can be used on both these plastics at once, meaning that it's not necessary to separate the two from each other. This is a major advantage over some recycling methods used today, which require careful sorting of plastics to avoid contamination. That sorting process can be quite difficult, because of how similar the two plastics are to each other.

Another benefit of the upcycling technique is that it has very simple requirements: plastic and heat. Although the later steps in the process require some additional ingredients to convert the wax molecules into fatty acids and soap, the initial transformation of the plastic is a straightforward reaction. This contributes to the method's cost-effectiveness as well as its comparatively small environmental impact.

For upcycling to be effective on a large scale, the final product must be valuable enough to cover the costs of the process and make it more economically attractive than alternative recycling options.

Although soaps may not initially seem like a particularly expensive commodity, they can actually be worth double or triple the price of plastics when compared by weight. Currently, the average price of soap and detergent amounts to about $3,550 per metric ton, and that of polyethylene is about $1,150 per metric ton. Furthermore, the demand for soaps and related products is comparable to the demand for plastics.

This research lays the groundwork for a new way to reduce waste by channeling used plastics into the production of other useful materials, Liu said. Over time, he hopes recycling facilities around the world will begin to implement this technique. If so, then consumers can expect to one day have the opportunity to buy revolutionary sustainable soap products that also lead to reduced plastic waste in landfills.

For this reason, turning plastics into soaps can be demonstrated to be economically viable, added Liu, who is also an affiliated faculty member of the nanoscience program, part of the College of Science's Academy of Integrated Science as well as the Department of Materials Science and Engineering in the Virginia Tech College of Engineering.

'It should be realized that plastic pollution is a global challenge rather than a problem of a few mainstream countries. Compared to a sophisticated process and complex catalyst or reagent, a simple process may be more accessible to many other countries worldwide,' Xu said. 'I hope this can be a good start for the war fighting plastic pollution.'

Researchers from the Department of Chemical Engineering also were part of this project and the resulting research paper.

Journal information: Science

Provided by Virginia Tech