Recycling erdölbasierter Kunststoffe

Stefan Reschke, Jürgen Kohlhoff, Dr. Matthias Grüne

Kunststoffprodukte haben häufig einen nur sehr kurzen Lebens- bzw. Gebrauchszyklus und werden danach z.T. endgültig entsorgt, z.T. wiederverwertet und nur in den seltensten Fällen erneut verwendet. Bei einer weltweiten Jahresproduktion von ca. 300 Millionen Tonnen, von der geschätzt über 60% in Mülldeponien wandert bzw. illegal entsorgt wird, erscheint dies alleine schon aus wirtschaftlichen Gründen kritisch. Im Sinne des Umweltschutzes, der Ressourcenschonung und zunehmend auch aus Besorgnis über die immer besser verstandene massive Beeinträchtigung von Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit höherer Lebewesen durch einzelne chemische Komponenten kommerzieller Kunststoffprodukte ist es daher weltweit von steigendem Interesse, benutzte Produkte aufzubereiten und erneut dem Stoffkreislauf zuzuführen. Derzeit entstehen beim Kunststoffrecycling überwiegend minderwertigere Produkte (sog. Downcycling), deren Wertstoffe in Folge meist nicht wieder als solche recycelt werden können. Das unterscheidet Kunststoffe bislang maßgeblich von Glas und Metall, wo häufig Werkstoff- und Produktqualität über viele Zyklen erhalten bleiben (Recycling) oder in einzelnen Fällen durch Veredelung verbessert werden können (sog. Upcycling).

Im Kunststoffrecycling kennt man vier Haupttypen bzw. -routen vom so genannten primären bis zum quaternären Recycling. Nur das primäre Recycling, bei dem überwiegend werkseigene Produktionsabfälle wieder in den Produktionsprozess eingespeist werden, ermöglicht eine direkte Wiederverwertung bei gleichbleibender Stoffqualität. Beim sekundären oder auch mechanischen Recycling werden aus nicht 100% sortenreinen Kunststoffabfällen Recyclate minderer Qualität oder Füllstoffe für andere Produkte erzeugt, es erfolgt also wie beim primären Recycling eine werkstoffliche Wiederverwendung. Beim tertiären oder auch chemischen Recycling werden kollektiv alle geeigneten Kunststoffabfälle auf chemischem Wege in nutzbare Polymere, Monomere oder hochwertige Brennstoffe zerlegt. Hierbei handelt es sich um eine rohstoffliche Verwertung. Das quaternäre Recycling hingegen nutzt nur noch die im Material enthaltene Energie bei dessen Verbrennung.

Speziell für das mechanische und chemische Recycling, ggf. auch für die Verbrennung, müssen die Kunststoffabfälle von Restmüll und Fremdstoffen wie Papieretiketten getrennt und gereinigt werden. Danach werden sie über unterschiedliche Verfahren sortiert. Anschließend muss das Material auf Pulverkorngrößen im Bereich von mehreren hundertstel bis zu wenigen zehntel Millimetern zerkleinert werden, z.B. über Kryomahlen.

Die mechanische Route nutzt Methoden der kunststofftechnischen Verarbeitung, um darüber Low-Tech-Produkte wie Regenrinnen, Abflussrohre, Fenster- und Türprofile oder auch Einkaufstüten herzustellen. In diesem Bereich fokussieren Forschungsprojekte derzeit auf Technologien zur Verbesserung von Qualität und Reinheit der Ausgangsstoffe, auf das Auffinden geeigneter Kompatibilisierer zur Vermeidung einer Phasentrennung zwischen unterschiedlichen Kunststoffsorten, die im Recyclat enthalten sind, sowie von Additiven zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften des Recyclats. Die Anpassung bzw. Optimierung bestehender Produktionsprozesse ist ein weiteres Thema. So sollen künftig auch höherwertige Produkte über das sekundäre Recycling herstellbar werden.

Ein spannendes und dynamisches Forschungsgebiet ist das chemische Recycling, da hiermit ein wachsender Anteil der in den ersten beiden Routen nicht verwendbaren Wertstoffe mittels verschiedener Methoden wieder in Monomere oder niedermolekulare Ausgangsstoffe für eine neue Kunststoffsynthese überführt werden kann. Hierzu gehören Depolymerisation, partielle Oxidation sowie Verfahren des Crackens, also z.T. Verfahren, wie sie auch in der Erdölverarbeitung angewandt werden.

Typische Reaktionen bei der Depolymerisation sind je nach Kunststoff Alkoholyse, Hydrolyse und Glykolyse, die hohe Ausbeuten ermöglichen. Allerdings können hiermit nur Kondensationspolymere aufgeschlossen werden, die derzeit ca. 30% des Abfalls ausmachen. Über partielle Oxidation, ein Verfahren, bei dem Sauerstoff und Dampf eingesetzt werden, wird ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Synthesegas (Kohlenmonoxid und Wasserstoff) gewonnen. Ausbeute und Qualität sind sehr stark vom Ausgangsmaterial abhängig.

Beim Cracken unterscheidet man drei verschiedene Prozesse, die z.T. auch hintereinander geschaltet werden können: Das thermische Cracken (auch Pyrolyse genannt), das Hydrocracken und das rein katalytische Cracken. Beim thermischen Cracken werden die Kunststoffe unter Sauerstoffabschluss bei Temperaturen zwischen 350°C und 900°C in kleinere Polymere aufgebrochen. Hierbei entstehen eine Vielzahl unterschiedlicher zyklischer und kettenförmiger Kohlenwasserstoffe sowie ein kohleartiger Rückstand. Das Hydrocracking erfolgt unter Einsatz eines klassischen Katalysators (z.B. Pt, Ni, Fe) bei Temperaturen zwischen 200°C und 400°C unter erhöhtem Druck und Wasserstoffatmosphäre in einem Autoklaven. Hierbei formen sich ebenfalls unterschiedliche Kohlenwasserstoffe, allerdings nicht in der Vielfalt wie bei der Pyrolyse. Je nach Ausgangsmaterial wird wenig bis kein fester Rückstand gebildet, jedoch können bei chlorhaltigen Kunststoffen kritische Substanzen wie Salzsäure entstehen.

Das katalytische Cracken wird derzeit als ökonomisch wie ökologisch vielversprechendste chemische Recyclingmethode gesehen. Hier wird unter Nutzung eines geeigneten Katalysators bei moderaten Temperaturen ein relativ enges Spektrum an überwiegend kurzkettigen Kohlenwasserstoffen erzeugt. Hieraus lässt sich mit wenig Aufwand eine Vielzahl von Kunststoffen neu und damit in bester Qualität synthetisieren. Jedoch besteht noch erheblicher Forschungsbedarf im Bereich Katalysatorwerkstoffe und -struktur.

Das quaternäre Recycling als die rein energetische Verwertung von Kunststoffabfällen wird in der öffentlichen Wahrnehmung durch die Möglichkeit der Bildung hochgiftiger Substanzen wie Furane und Dioxine sehr kritisch gesehen. Allerdings enthalten Kunststoffe mindestens den gleichen Heizwert wie konventionelle Ölbrennstoffe, ihre thermische Nutzung ist also wirtschaftlich attraktiv. Gleichzeitig kann so die Menge an zu deponierenden Kunststoffen auf 10% bis 1% vermindert werden. Darüber hinaus helfen sie als intrinsischer Brennstoff, den städtischen Restmüll energetisch zu nutzen und dessen Abfallvolumen erheblich zu reduzieren. Weitere Anwendungen finden sich z.B. in der Zement- und Stahlherstellung, wo Kunststoffabfälle als wertvoller Brennstoff zur Erzeugung hoher Temperaturen eingesetzt werden.

Aufgrund der Ressourcenverknappung werden Kunststoffabfälle immer wertvoller als Rohstoffquelle für sich selbst. Da das mechanische Recycling nur unter großem Aufwand zu passablen Qualitäten führt, gewinnt das chemische Recycling für die Zukunft immer mehr an Bedeutung.

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