An der Virginia Tech wandeln Forscher mithilfe einer innovativen Technik Polyethylen durch Upcycling in Seife um. Diese Entdeckung basiert auf der unerwarteten Ähnlichkeit zwischen Polyethylen und Fettsäuren, die zur Seifenherstellung verwendet werden. Dem Team gelang es, kurzkettige Polyethylenmoleküle durch den Abbau von Polyethylenketten mithilfe eines neuen Temperaturgradienten-Thermolyseverfahrens herzustellen. Diese können nun zur Seifenherstellung genutzt werden.
Forscher der Virginia Tech haben erfolgreich eine innovative Technik entwickelt und stellen Seife aus Polyethylen her. Dabei werden Kunststoffe in wertvolle Tenside umgewandelt. Diese Chemikalien werden häufig bei der Herstellung wichtiger Alltagsprodukte wie Seife und Waschmittel eingesetzt.
Kunststoffe und Seifen unterscheiden sich erheblich in ihrer Textur, ihrem Aussehen und vor allem in ihren praktischen Anwendungen. Es besteht jedoch eine überraschende molekulare Verbindung zwischen beiden. Polyethylen, einer der weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffe, weist eine bemerkenswert große Ähnlichkeit mit der chemischen Struktur einer Fettsäure auf. Diese Fettsäure dient als chemische Vorstufe zur Seifenherstellung. Obwohl beide Materialien aus langen Kohlenstoffketten bestehen, befindet sich am Ende der Kette bei Fettsäuren eine zusätzliche Atomgruppe.
Die Ähnlichkeiten zwischen Polyethylen und Fettsäuren brachten Guoliang „Greg“ Liu , außerordentlicher Professor für Chemie am Virginia Tech College of Science , zu der Annahme, dass es möglich sei, Polyethylen in Fettsäuren umzuwandeln . Mit einigen zusätzlichen Schritten ließe sich daraus Seife herstellen. Er musste einen Weg finden, eine lange Polyethylenkette in kürzere, aber nicht zu kurze Ketten zu spalten.
Effizienz spielte ebenfalls eine wichtige Rolle. Liu war fest davon überzeugt, dass es eine immense Chance gäbe, den Upcycling-Prozess zu revolutionieren, indem man den scheinbar unbedeutenden Plastikmüll in ein wertvolles und praktisches Produkt verwandelte.
Inspirationsquelle
An einem gemütlichen Winterabend am Kaminfeuer hatte Liu eine zündende Idee. Er beobachtete den aufsteigenden Rauch und erkannte, dass dieser aus kleinen Partikeln bestand, die beim Verbrennen des Holzes entstanden waren. Obwohl es aus Sicherheits- und Umweltgründen wichtig ist, das Verbrennen von Kunststoffen in Kaminen zu vermeiden, wurde Lius Neugier geweckt, als er über die möglichen Folgen der sicheren Verbrennung von Polyethylen im Labor nachdachte.
Liu, Inhaber des Blackwood Junior Faculty Fellowship im Bereich Lebenswissenschaften am Institut für Chemie, sagte: „Brennholz besteht hauptsächlich aus Polymeren wie Zellulose. Bei der Verbrennung von Brennholz werden diese Polymere in kurze Ketten und dann in kleine gasförmige Moleküle aufgespalten, bevor sie vollständig zu Kohlendioxid oxidiert werden.“
„Wenn wir die synthetischen Polyethylenmoleküle auf ähnliche Weise aufspalten, den Prozess aber stoppen, bevor sie vollständig in kleine gasförmige Moleküle zerfallen, dann sollten wir kurzkettige, polyethylenähnliche Moleküle erhalten“, fügte Professor Liu hinzu.
Liu entwickelte gemeinsam mit Zhen Xu und Eric Munyaneza , zwei Doktoranden der Chemie in seinem Labor, einen kompakten und effizienten, einem Ofen ähnlichen Reaktor. Diese innovative Konstruktion ermöglichte die Anwendung der Temperaturgradienten-Thermolyse zur Erhitzung von Polyethylen und führte zu außergewöhnlichen Ergebnissen.
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Der Prozess
Der Ofen erreicht am Boden eine Temperatur, die hoch genug ist, um die Polymerketten aufzubrechen , während er oben auf eine so niedrige Temperatur abgekühlt wird, dass ein weiterer Abbau verhindert wird. Nach der Thermolyse sammelten sie die verbleibende Substanz, ähnlich wie man Ruß aus einem Schornstein entfernt. Zu ihrer Freude hatte sich Lius Vermutung bestätigt: Es handelte sich um kurzkettiges Polyethylen , genauer gesagt um Wachse.
Laut Professor Liu war dies „der erste Schritt zur Entwicklung einer Methode zum Upcycling von Kunststoffen zu Seife“.
Die Forscher wandelten Polyethylen durch Upcycling in Seife um – die weltweit erste Seife aus Kunststoff . Anschließend fügte das Team weitere Schritte hinzu, darunter die Verseifung, ein Prozess der Seifenherstellung . Um das Verfahren weiter zu optimieren, holten sie sich Unterstützung von Experten für Computermodellierung, Wirtschaftswissenschaftlern und anderen Fachleuten.
Einige dieser Experten konnten dank ihrer Kontakte zum Macromolecules Innovation Institute der Virginia Tech an Bord geholt werden. Die Gruppe arbeitete gemeinsam daran, den Upcycling-Prozess sorgfältig zu dokumentieren und zu verbessern. So konnten die Ergebnisse nun der wissenschaftlichen Gemeinschaft zugänglich gemacht werden.
Zhen Xu , Hauptautor der Studie, erklärte: „Unsere Forschung zeigt einen neuen Weg für das Upcycling von Kunststoffen auf, der ohne neuartige Katalysatoren oder komplexe Verfahren auskommt. Wir haben das Potenzial einer Tandemstrategie für das Kunststoffrecycling aufgezeigt. Dies wird zukünftig zu kreativeren Upcycling-Verfahren anregen.“
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Anwendbar auf anderen Kunststoffen
Polyethylen war der ursprüngliche Kunststoff, der dieses Projekt angestoßen hat. Das Upcycling-Verfahren lässt sich jedoch auch auf einen anderen Kunststoff, nämlich Polypropylen, anwenden . Von Produktverpackungen über Lebensmittelbehälter bis hin zu Textilien – diese beiden Materialien machen einen erheblichen Teil der Kunststoffe aus, mit denen Verbraucher täglich in Kontakt kommen.
Vorteile der Upcycling-Technik
Lius innovative Upcycling-Methode bietet folgende Vorteile.
- Im Vergleich zu bestimmten derzeit verwendeten Recyclingtechniken ist keine spezielle Kunststoffsortierung zur Vermeidung von Verunreinigungen mehr erforderlich.
- Es können problemlos beide Kunststoffarten gleichzeitig verarbeitet werden, eine aufwendige Trennung entfällt.
- Dies trägt nicht nur zur Kosteneffizienz der Methode bei, sondern minimiert auch ihren ökologischen Fußabdruck.
- Diese Upcycling-Technik benötigt zunächst lediglich Kunststoff und Hitze. Während die nachfolgenden Prozessschritte zusätzliche Zutaten erfordern, um die Wachsmoleküle in Fettsäuren und Seife umzuwandeln, ist die anfängliche Umwandlung des Kunststoffs eine einfache und direkte Reaktion.
Voraussetzungen für effektives Upcycling
Damit Upcycling eine nennenswerte Wirkung erzielen kann, muss das Endprodukt einen ausreichenden Wert besitzen, der nicht nur die Kosten des Prozesses ausgleicht, sondern ihn auch wirtschaftlich attraktiver macht als die verfügbaren Recyclingalternativen. Seife und verwandte Produkte sind sehr gefragt, ähnlich wie Kunststoffe.
Professor Liu sagte: „Diese Forschung legt den Grundstein für einen neuen Weg zur Abfallreduzierung, indem gebrauchte Kunststoffe in die Produktion anderer nützlicher Materialien gelenkt werden.“
Er hofft, dass Recyclinganlagen weltweit diese Technik nach und nach übernehmen werden. Verbraucher könnten dann irgendwann innovative und nachhaltige Seifenprodukte kaufen, die dazu beitragen, den Plastikmüll auf Mülldeponien zu reduzieren.
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„Aus diesem Grund kann gezeigt werden, dass die Umwandlung von Kunststoffen in Seifen wirtschaftlich rentabel ist“, fügte Professor Liu hinzu.
Hauptautor Zhen Xu erklärte: „Man muss sich bewusst machen, dass Plastikverschmutzung eine globale Herausforderung und nicht nur ein Problem einiger weniger Industrieländer ist. Im Vergleich zu einem komplexen Verfahren mit aufwendigen Katalysatoren oder Reagenzien ist ein einfaches Verfahren für viele Länder weltweit leichter zugänglich. Ich hoffe, dies ist ein guter Anfang im Kampf gegen die Plastikverschmutzung.“
Professor Liu ist Mitglied des Nanowissenschaftsprogramms, einem renommierten Teil der renommierten Academy of Integrated Science des College of Science. Darüber hinaus ist er Mitglied der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik des renommierten Virginia Tech College of Engineering. Die Forscher wandeln Polyethylen durch Upcycling in Seife um. Das Projekt beinhaltete eine Zusammenarbeit mit Forschern der Fakultät für Chemieingenieurwesen. Diese Zusammenarbeit trug maßgeblich zur Entwicklung der Forschungsarbeit bei.
Source Chemical Upcycling von Polyethylen, Polypropylen und Gemischen zu hochwertigen Tensiden
