Eine neue Technik zersetzt hartnäckigen Kunststoff effizient

Es kann Hunderte von Jahren dauern, bis sich der häufig verwendete Kunststoff Polyethylen zersetzt.

Von Jocelyn Solis-Moreira | Veröffentlicht am 29. September 2022, 14:00 Uhr EDT

Polyethylen ist einer der weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffe, der in Flaschen und Verpackungsfolien vorkommt, aber auch einer der am schwersten abbaubaren Kunststoffe. Polyethylen allein würde Hunderte von Jahren brauchen, um sich vollständig zu zersetzen. Wissenschaftler haben daran gearbeitet, dieses Problem anzugehen, da Polyethylenmüll Mülldeponien verstopft und Strände und Ozeane verunreinigt.

Ein Haupthindernis für den Abbau von Polyethylen ist ein Merkmal seiner molekularen Struktur. Es enthält unreaktive Kohlenstoffketten, das sind kovalente Bindungen, die Atome so fest zusammenhalten, dass viel Kraft und Energie nötig ist, um sie auseinander zu ziehen. Doch Wissenschaftler haben Anstrengungen unternommen, um eine Lösung für den Abbau von Polyethylen zu finden. Eine neue Studie, die am Donnerstag in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, schlägt eine Methode vor, um Polyethylen effektiv in Propylen umzuwandeln, eine Chemikalie, die für zukünftige chemische Reaktionen einfacher zu verwenden ist.

Die Umwandlung von Polyethylen in verwendbare Polymere kann den Wert des Kunststoffs steigern und stellt eine Alternative zum Wegwerfen dar, erklärt Susannah Scott, Professorin für Chemie an der University of California in Santa Barbara und Autorin einer separaten neuen Studie, in der eine ähnliche Technik zum Einsatz kam das gleiche Ziel erreichen. In dieser am Dienstag veröffentlichten Preprint-Studie beschrieben Scott und ihre Co-Autoren auch einen Ansatz, bei dem sie Wasserstoff aus den Polyethylenketten entfernten und so reaktive Bindungen erzeugten, die leichter aufzutrennen sind.

Polyethylen gibt es schon seit den 1930er-Jahren, aber es dauerte 20 Jahre, bis Wissenschaftler den Kunststoff so verfeinerten, dass er steifer, härter und hitzebeständiger wurde. Ein Blick in die Gegenwart: Die Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen von Polyethylen sind nahezu unzerbrechlich, was zur Herstellung einer Vielzahl von Materialien beigetragen hat, von Plastikwasserflaschen bis hin zu Kabelisolierungen. Dieselben chemischen Bindungen erschweren jedoch den Abbau ohne hohe Energiekosten.

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Um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen in Polyethylen zu zerstören, müsste man sie normalerweise unter besonderen Bedingungen auf eine hohe Temperatur erhitzen: ohne Sauerstoff oder mit einem Katalysator und Zugabe von Wasserstoff. Allerdings kann keiner der beiden Ansätze die unreaktiven Bindungen vollständig beseitigen. John Hartwig, Professor für Chemie an der University of California in Berkeley und leitender Autor der Studie in Science, suchte nach einer Möglichkeit, diese Kohlenstoffketten aufzuspalten, indem er zwischen jedem Atompaar eine reaktivere Bindung herstellte.

Die als Doppelbindung bekannte Bindung entsteht, wenn zwei Elektronenpaare zwischen Atomen geteilt werden. Eine Doppelbindung ist zwar stärker als eine Einfachbindung, aber weniger stabil, wodurch sie leichter gespalten werden kann. Wie Scotts Team entfernten sie nacheinander Wasserstoff aus immer kleineren Kohlenstoffketten und erzeugten so sehr kleine Stücke reaktiven Materials. Als die Doppelbindung gespalten wurde, blieben den Wissenschaftlern Produkte zurück, die ebenfalls über reaktive Bindungen verfügten, sodass die Stücke wiederverwendet werden konnten. Anschließend verknüpften sie die kleinen Stücke in einer anderen Anordnung miteinander, um Propylen, ein weiteres Polymer, herzustellen.

Etwa 80 Prozent der durch diese Reaktion hergestellten Endprodukte waren Propylen. „Andere Methoden haben zu Produktmischungen geführt“, die möglicherweise nur Nischenanwendungen haben, erklärt Hartwig. Er sagt, es sei wichtig, hauptsächlich Propylen herzustellen, da die Nachfrage sehr hoch sei. Propylen ist ein wichtiger Baustein für eine Reihe anderer Chemikalien, die in Prozessen zur Herstellung von Reinigungsalkohol und Polyestern verwendet werden.

Diese Propylenausbeute sei „ziemlich aufregend“, sagt Mahdi Abu-Omar, Professor für grüne Chemie an der University of California in Santa Barbara, der nicht an der Studie beteiligt war, denn im Endprodukt kommen alle zwei der drei Kohlenstoffatome vor aus Abfallmaterial.

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In der neuen Preprint-Studie produzierten Scott und ihre Kollegen mit der Methode 94 Prozent Propylen. Obwohl sie dem in „Science“ veröffentlichten Verfahren ähnelte, sagte sie, habe die Methode in der Preprint-Studie einen kontinuierlicheren Fluss gehabt und weniger organische Chemikalie namens Ethylen verwendet. Dies liegt daran, dass sie gleichzeitig Ethylen hinzufügten und gleichzeitig das entstehende Propylen entfernten. „Wir nennen das Zirkularität, bei der man das Polymer auseinandernimmt, die Teile zurückbekommt und sie auf neue Weise wieder zusammenfügt, um daraus ein Polymer herzustellen“, sagt Scott.

Diese Studien stehen im Einklang mit früheren Bemühungen zum Abbau von Polyethylen. In einer Arbeit aus dem Jahr 2020 wurde ein Modell für eine organische Reaktion vorgeschlagen, bei der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen mithilfe eines Metallkatalysators neu verteilt werden könnten, um den Prozess zu beschleunigen.

Während Polyethylen an sich ungiftig ist, kann es mit anderen Molekülen interagieren, die möglicherweise giftig sind und die Oberfläche des Kunststoffs verunreinigen können. Darüber hinaus besteht beim Abbau von Polyethylen in der Umwelt die Möglichkeit, dass Tiere winzige Polymerteilchen, sogenanntes Mikroplastik, aufnehmen, die auch im Boden absorbiert werden können. Obwohl wir die wahren ökologischen Auswirkungen von Mikroplastik noch nicht kennen, deuten Untersuchungen darauf hin, dass die Aufnahme von Mikroplastik durch den Menschen zu Zellschäden, Entwicklungstoxizität und einem erhöhten Krebsrisiko führen kann.

„Es ist eine interessante wissenschaftliche und gesellschaftliche Herausforderung“, sagt Scott. „Uns allen ist klar, dass [der Plastikabbau] ein Problem ist, das wir dringend lösen müssen, und das ist aufregend, da die Menschen dieses ganze Gebiet in einem Tempo vorantreiben, das man in der Forschung normalerweise nicht sieht.“