Es verwandelt Abfall wirklich in Schätze! Von Kunststoffabfällen bis hin zu hochwertigem Benzin: Dieser neue Aufbereitungsweg bietet eine Ausbeute von bis zu 80 %

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Polyethylen-Kunststoff ist aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Von leichten Einkaufstüten bis hin zu haltbaren Lebensmittelverpackungen, von modischer Kleidung bis hin zu häufig verwendeten Baumaterialien – die breite Anwendung von Polyethylen-Kunststoff hat unser Leben erheblich erleichtert. Allerdings bringt die Verwendung von Polyethylen-Kunststoffen auch ein nicht zu vernachlässigendes Problem mit sich: die Verschmutzung der Umwelt durch Kunststoffabfälle.

Durch die zunehmende Verwendung von Einweg-Kunststoffprodukten gelangen große Mengen an Polyethylen-Kunststoffabfällen in die Natur. Diese Plastikabfälle sind schwer abbaubar und haben langfristig negative Auswirkungen auf Böden, Wasserquellen und Ökosysteme.

Darüber hinaus verschmutzen sie nicht nur die Umwelt, sondern bedrohen auch das Überleben wildlebender Tiere und Pflanzen und beeinträchtigen über die Nahrungskette sogar indirekt die menschliche Gesundheit. Wie können wir also ein umweltfreundliches Recycling und eine umweltfreundliche Nutzung von Polyethylen-Kunststoffabfällen erreichen?

Plastikmüll

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Am 9. April 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Chemistry einen Artikel über die katalytische Umwandlung von Polyethylen-Kunststoffen zur Herstellung von hochwertigem Benzin, wodurch eine hochwertige Nutzung von Polyethylen-Kunststoffabfällen erreicht werden soll.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Chemistry Magazin)

Strategie zur Umwandlung von Polyethylen in Benzin

Durch die Nutzung von Kunststoffabfällen als Ressource kann nicht nur das Problem der Umweltverschmutzung durch Kunststoffe gelöst, sondern auch eine umweltfreundliche und nachhaltige Entwicklung der Ressourcen erreicht werden. Unter den Kunststoffabfällen ist Polyethylen sehr schwer umzuwandeln, da seine unpolaren Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bei niedrigen Temperaturen nur schwer aktiviert werden und aufbrechen.

Die bestehenden Strategien zur Umwandlung von Polyethylen basieren hauptsächlich auf hohen Reaktionstemperaturen über 400 °C, Edelmetallkatalysatoren und externen Wasserstoffquellen. Die strengen Reaktionsbedingungen schränken die Anwendung dieser Strategie bei der industriellen chemischen Rückgewinnung von Polyethylen ein.

Aufgrund der Probleme, die bei der Umwandlungsstrategie von Polyvinylalkohol auftreten, verwendeten die Forscher Tetrabutylammoniumhydroxid als struktursteuerndes Mittel und führten eine einstufige hydrothermale Reaktion durch, um ein Molekularsieb mit einer geschichteten selbsttragenden Struktur (LSP) für die katalytische Umwandlung von Polyethylen zu synthetisieren. Strukturlenkende Mittel sind dabei spezielle Liganden oder Additive, die bei der Synthese oder dem Wachstum von Kristallen in einer chemischen Reaktion den Molekülaufbau so steuern, dass eine hochkristalline und geordnete Struktur entsteht, wodurch ideale physikalische und chemische Eigenschaften erzielt werden. Unter einer geschichteten selbsttragenden Struktur versteht man eine Schichtstruktur, die durch ionische Bindungen aus Kationen und Anionen gebildet wird. Diese Struktur verfügt über ausreichend Festigkeit und Stabilität zwischen den Schichten und kann unabhängig existieren, ohne dass zusätzliche Unterstützung erforderlich ist.

Mesoporöse Kanäle beziehen sich auf Kanäle mit Porengrößen zwischen 2 und 50 Nanometern. Diese Kanäle liegen zwischen Mikroporen und Makroporen, weisen hochgeordnete Strukturen und eine hohe Oberflächenaktivität auf und spielen eine wichtige Rolle für die Leistung von Katalysatoren. Das geschichtete, selbsttragende Molekularsieb verfügt über eine größere äußere spezifische Oberfläche und zahlreiche mesoporöse Kanäle, die den Reaktanten während der katalytischen Reaktion einen vollständigen Kontakt mit dem Katalysator ermöglichen und so die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Eine Lewis-Säurestelle bezieht sich auf eine bestimmte Position oder Region einer chemischen Substanz, die ein Elektronenpaar aufnehmen kann. An dieser Stelle kann die Adsorption und Aktivierung von Reaktanten erfolgen, wodurch eine katalytische Wirkung erzielt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Molekularsiebmaterialien verfügt das geschichtete selbsttragende Molekularsieb über eine einzigartige selbsttragende Struktur und mehr starke Lewis-Säurestellen. Die starken Lewis-Säurestellen und die Formselektivität im Molekularsieb können eine Schlüsselrolle bei der Katalyse der Umwandlung von Polyethylen spielen. Daher hat das geschichtete selbsttragende Molekularsieb eine bessere Wirkung auf die katalytische Umwandlung von Polyethylen.

Katalysatorcharakterisierung

(a. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie; b. Röntgenbeugung; c. Stickstoff-Adsorptions-Desorptions-Isotherme; d, e. NMR-Charakterisierungsergebnisse; f, g. IR-Charakterisierungsergebnisse)

(Bildquelle: Referenz 1)

Benzin besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen im C4-C12-Bereich, also einer Mischung aus Alkanen, Olefinen und Cycloalkanen. Die Oktanzahl ist ein numerischer Indikator, der die Klopffestigkeit des Benzins im Zylinder misst. Es wird normalerweise verwendet, um die Leistung von Autobenzin zu bewerten. Die Qualität des Benzins korreliert positiv mit der Oktanzahl.

Oktanzahl des Benzins

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das in dieser Studie hergestellte Molekularsieb mit geschichteter selbsttragender Struktur (LSP-Z100) die Umwandlung von Polyethylen hoher Dichte in Benzin in 4 Stunden bei 240 °C ohne externe Wasserstoffquelle mit einer Ausbeute von über 80 % erreichen kann. Die Testergebnisse seiner flüssigen Produkte zeigten, dass die C4-C12-Komponenten bis zu 99 % und die verzweigten Alkane 72 % ausmachten. Es hat eine hohe Research-Oktanzahl (88,0), die mit handelsüblichem Benzin (86,6) vergleichbar ist.

Die obigen Ergebnisse beweisen, dass das Molekularsieb mit geschichteter selbsttragender Struktur (LSP-Z100) die Möglichkeit bietet, Polyethylen katalytisch in hochwertiges Benzin umzuwandeln. Diese Forschung bietet einen neuen Weg zur Lösung des Umweltverschmutzungsproblems durch Polyethylen-Kunststoffabfälle und zur effektiven Nutzung der Ressourcen.

Umwandlungsrate und Produktausbeute von Polyethylen hoher Dichte unter verschiedenen Katalysatorbedingungen

(Bildquelle: Referenz 1)

Wenn wir uns eingehend mit dem Problem der Plastikverschmutzung befassen, fällt es uns nicht schwer, festzustellen, dass Veränderungen oft mit kleinen Dingen beginnen. Wenn wir in unserem Alltag weniger unnötige Plastikprodukte wie Einweg-Strohhalme, Plastiktüten und -geschirr verwenden, tragen wir nicht nur dazu bei, die Entstehung von Plastikmüll zu verringern, sondern fördern auch die Verbesserung des Umweltbewusstseins in der gesamten Gesellschaft.

Darüber hinaus ist die Mülltrennung auch ein wichtiger Schritt zur Reduzierung der Plastikverschmutzung. Durch die Trennung von recycelbarem Kunststoff vom übrigen Müll und die Gewährleistung seiner ordnungsgemäßen Entsorgung wird nicht nur die Wahrscheinlichkeit verringert, dass Kunststoff in die Umwelt gelangt, sondern auch das Recycling von Ressourcen gefördert.

Müllklassifizierung

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Quellen:

1.Cen, Z., Han, X., Lin, L. et al. Upcycling von Polyethylen zu Benzin durch eine Strategie zur Selbstversorgung mit Wasserstoff in einem geschichteten, selbsttragenden Zeolithen[J]. Nature Chemistry, 2024.

2. Xie Yufei, Wang Qi, Zeng Junmin et al. Forschungsfortschritte beim Recycling und der Anwendung von Polyethylen-Kunststoffabfällen[J]. Kunststoffwissenschaft und -technologie, 2022.

3. Zhang Jinqing, Guo Ming, Zhang Yuanwen et al. Forschungsfortschritt im Bereich des Crackens von Polyethylen-Abfällen zur Herstellung von Kraftstoff[J]. Petrochemische Technologie, 2022.

4.Gautam KR. Ein neuartiges Verfahren zur Umwandlung von Polyethylen in Benzin, Mitteldestillat und Schweröl durch Hydropyrolyse[J].International Journal of Energy Engineering, 2013.