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Schmelzsalze wandeln Plastikmüll in Kraftstoffbausteine um
Plastik-Recycling bei Ofentemperatur: Eine Mischung aus Aluminiumchlorid und Natriumchlorid zerlegt Polyethylen bei 170 Grad Celsius in flüssige, überwiegend verzweigte Alkane. Im zentralen Laborversuch erreichte das Verfahren nach fünf Stunden 63 Prozent Ausbeute an C₆- bis C₁₅-Alkanen. Es braucht weder Edelmetallkatalysator noch zugesetzten Wasserstoff oder ein zusätzliches Lösungsmittel.
Oak Ridge (U.S.A.). Polyethylen steckt unter anderem in Folien, Einkaufstüten und Schneidebrettern. Seine stabilen Kohlenstoffbindungen machen eine gezielte chemische Zerlegung jedoch schwierig. Verfahren wie die Pyrolyse arbeiten typischerweise bei mehreren hundert Grad Celsius und erzeugen Produktgemische, deren Zusammensetzung nur begrenzt steuerbar ist.
Die neue Salzschmelze verlagert die Spaltung in deutlich niedrigere Temperaturen und vereint Reaktionsmedium und katalytisch aktive Zentren. Entscheidend sind stark Lewis-saure Aluminium-Spezies, die Elektronenpaare aufnehmen können und dadurch Reaktionsschritte an den langen Kohlenwasserstoffketten erleichtern.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) um Dr. Zhenzhen Yang haben dafür Aluminiumchlorid und Natriumchlorid im Molverhältnis 2:1 kombiniert. Im zentralen Versuch reagierten 200 Milligramm Polyethylen niedriger Dichte, kurz LDPE, mit 200 Milligramm der Salzschmelze fünf Stunden lang bei 170 Grad Celsius. Das verwendete LDPE hatte eine vergleichsweise niedrige mittlere Molmasse von rund 4.000 Gramm pro Mol.
Die Ausbeute flüssiger C₆- bis C₁₅-Alkane erreichte unter diesen Bedingungen 63 Prozent. Davon entfielen 45 Prozent Ausbeute auf überwiegend verzweigte C₆- bis C₁₂-Alkane aus dem Benzinbereich und 17 Prozent auf C₁₃- bis C₁₅-Alkane aus dem Dieselbereich. Bei 150 Grad lag die Flüssigalkanausbeute nur bei 29 Prozent, bei 180 Grad brachte die zusätzliche Wärme mit 61 Prozent dagegen keinen weiteren Gewinn.
„Was wir entdeckt haben, ist eine einfache Möglichkeit, diese Art von Kunststoff in nützliche flüssige Kraftstoffe umzuwandeln, etwa in Bestandteile von Benzin oder Diesel, ohne hohe Temperaturen, seltene Metalle oder zugesetzte Chemikalien zu benötigen. Das könnte ein großer Schritt sein, um Kunststoffabfälle in etwas Wertvolles zu verwandeln, statt sie auf Deponien oder in den Meeren anhäufen zu lassen“, sagt Dr. Zhenzhen Yang.
Um den Reaktionsweg zu verstehen, hat das Team die Salzschmelze und die Zwischenprodukte mit Kernspinresonanz, weicher Röntgenspektroskopie, Neutronenstreuung und Isotopenmarkierung untersucht. Die Messungen zeigen dynamische, stark saure Aluminiumzentren in der Schmelze. Nach dem von den Forschern vorgeschlagenen Mechanismus entstehen zunächst positiv geladene Kohlenstoff-Zwischenstufen, bevor wiederholte Umlagerungen und Bindungsspaltungen die langen Polymerketten in kürzere, verzweigte Alkane überführen.
„Das Polymer enthält viel Wasserstoff. Neutronen eignen sich hervorragend, um leichte Elemente einschließlich Wasserstoff und seiner Isotope wie Deuterium zu unterscheiden“, erklärt Dr. Sheng Dai vom ORNL.
Die Forscher testeten das System außerdem an anspruchsvolleren Modellpolymeren. Isotaktisches Polypropylen mit einer mittleren Molmasse von 250.000 Gramm pro Mol und ultrahochmolekulares Polyethylen mit drei bis sechs Millionen Gramm pro Mol lieferten bei 170 Grad Celsius nach zwölf Stunden 63 beziehungsweise 60 Prozent flüssige Alkane. Bei diesen größeren Ketten verschob sich das Produktspektrum stärker in den Dieselbereich.
Die Ergebnisse zeigen damit eine ungewöhnlich milde Route zur chemischen Aufwertung stabiler Polyolefine. Sie belegen aber noch kein industrielles Recyclingverfahren für gemischten Haushaltsabfall. Die Studie arbeitet mit definierten Modellpolymeren, und die flüssigen Produkte wurden nach der Reaktion mit Dichlormethan aus dem Reaktionsgemisch extrahiert. Die Aussage „ohne zusätzliches Lösungsmittel“ bezieht sich daher auf die eigentliche Reaktion, nicht auf die anschließende Aufarbeitung.