Nur etwa 2 % der Kunststoffe werden derzeit vollständig recycelt. PDK-Kunststoffe könnten die Einwegkrise lösen.
Eine neue ökologische und technologische Analyse deutet darauf hin, dass ein revolutionärer umweltfreundlicher Kunststoff fast bereit ist, in die Regale zu kommen.
Kunststoffe sind Bestandteil fast aller Produkte, die wir täglich verwenden. Die durchschnittliche Person in den USA erzeugt etwa 100 kg Plastikmüll pro Jahr, von denen der größte Teil direkt auf einer Mülldeponie landet. Ein Team unter der Leitung von Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling und Kristin Persson vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) machte sich daran, dies zu ändern.
Vor weniger als zwei Jahren, Helms kündigte die Erfindung eines neuen Kunststoffs an das könnte die Abfallkrise direkt angehen. Das als Poly(diketoenamin) oder PDK bezeichnete Material hat alle praktischen Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe und vermeidet gleichzeitig die Gefahren für die Umwelt, da PDKs im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen unbegrenzt ohne Qualitätsverlust recycelt werden können.
Jetzt hat das Team eine Studie veröffentlicht, die zeigt, was erreicht werden kann, wenn Hersteller beginnen, PDKs in großem Umfang einzusetzen. Die Quintessenz? PDK-basierter Kunststoff könnte gegenüber herkömmlichen Kunststoffen schnell kommerziell wettbewerbsfähig werden, und die Produkte werden im Laufe der Zeit kostengünstiger und nachhaltiger.
„Kunststoffe wurden nie dafür entwickelt, recycelt zu werden. Die Notwendigkeit dafür wurde erst lange danach erkannt“, erklärte Nemi Vora, Erstautorin des Berichts und ehemalige Postdoktorandin, die mit der leitenden Autorin Corinne Scown zusammengearbeitet hat. „Aber die Förderung der Nachhaltigkeit ist das Herzstück dieses Projekts. PDKs wurden von Anfang an so konzipiert, dass sie recycelt werden können, und von Anfang an hat das Team daran gearbeitet, die Produktions- und Recyclingprozesse für PDK zu verfeinern, damit das Material kostengünstig und einfach genug ist, um im kommerziellen Maßstab überall eingesetzt zu werden Verpackung bis hin zum Auto.“
Die Studie stellt eine Simulation für eine Anlage mit einer Kapazität von 20,000 Tonnen pro Jahr vor, die neue PDKs herstellt und gebrauchte PDK-Abfälle zum Recycling annimmt. Die Autoren berechneten den chemischen Input und die benötigte Technologie sowie die Kosten und Treibhausgasemissionen und verglichen dann ihre Ergebnisse mit den entsprechenden Zahlen für die Produktion herkömmlicher Kunststoffe.
„Heutzutage gibt es einen großen Druck auf die Einführung von Rundschreiben Wirtschaft Praktiken in der Branche. Jeder versucht, alles zu recyceln, was er auf den Markt bringt“, sagte Vora. „Wir haben begonnen, mit der Industrie über den Einsatz von zu 100 % recycelten Kunststoffen zu sprechen, und sind auf großes Interesse gestoßen.“
„Die Fragen lauten, wie viel es kosten wird, welche Auswirkungen es auf den Energieverbrauch und die Emissionen haben wird und wie wir von dort, wo wir heute stehen, dorthin gelangen“, fügte Helms, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter der Molecular Foundry von Berkeley Lab, hinzu. „Die nächste Phase unserer Zusammenarbeit besteht darin, diese Fragen zu beantworten.“
Überprüfen Sie die Kästchen von billig und einfach
Bis heute wurden mehr als 8.3 Milliarden Tonnen Kunststoffmaterial produziert, und der weitaus größte Teil davon landete auf Deponien oder Müllverbrennungsanlagen. Ein kleiner Teil der Kunststoffe wird „mechanisch“ recycelt, d. h. sie werden eingeschmolzen und dann zu neuen Produkten umgeformt. Diese Technik hat jedoch einen begrenzten Nutzen. Kunstharz selbst besteht aus vielen identischen Molekülen (Monomere genannt), die zu langen Ketten (Polymere genannt) verbunden sind. Um Kunststoff jedoch seine vielen Texturen, Farben und Fähigkeiten zu verleihen, werden dem Harz Zusatzstoffe wie Pigmente, Hitzestabilisatoren und Flammschutzmittel zugesetzt. Wenn viele Kunststoffe zusammengeschmolzen werden, werden die Polymere mit einer Menge potenziell inkompatibler Zusatzstoffe vermischt, was zu einem neuen Material mit viel geringerer Qualität als neu hergestelltes Harz aus Rohmaterialien führt. Daher werden weniger als 10 % des Kunststoffs mehr als einmal mechanisch recycelt, und recycelter Kunststoff enthält normalerweise auch Neuharz, um den Qualitätsverlust auszugleichen.
Ein GIF, das zeigt, wie PDK-Kunststoff leicht zerfällt, wenn er in eine saure Lösung gegeben wird. Die Säure hilft dabei, die Bindungen zwischen den Monomeren aufzubrechen und sie von den chemischen Zusätzen zu trennen, die dem Kunststoff sein Aussehen und seine Haptik verleihen. Bildnachweis: Peter Christensen/Berkeley Lab
PDK-Kunststoffe umgehen dieses Problem vollständig – die Harzpolymere sind so konstruiert, dass sie beim Mischen mit einem leicht in einzelne Monomere zerfallen Säure. Die Monomere können dann von eventuellen Zusatzstoffen getrennt und ohne Qualitätsverlust zu neuen Kunststoffen aufbereitet werden. Die frühere Forschung des Teams zeigt, dass dieser Prozess des „chemischen Recyclings“ wenig Energie und Kohlendioxidemissionen verbraucht und unbegrenzt wiederholt werden kann, wodurch ein vollständig zirkulärer Materiallebenszyklus entsteht, bei dem es derzeit eine Einwegkarte zum Abfall gibt.
Doch trotz dieser unglaublichen Eigenschaften müssen PDKs auch praktisch sein, um Kunststoffe wirklich zu schlagen. Das Recycling von herkömmlichem erdölbasiertem Kunststoff mag schwierig sein, aber die Herstellung von neuem Kunststoff ist sehr einfach.
„Wir sprechen von Materialien, die im Grunde nicht recycelt werden“, sagte Scown. „In Bezug auf die Attraktivität für Hersteller konkurrieren PDKs also nicht mit recyceltem Kunststoff – sie müssen mit neuem Harz konkurrieren. Und wir waren sehr erfreut zu sehen, wie günstig und effizient es sein wird, das Material zu recyceln.“
Scown, wissenschaftlicher Mitarbeiter in den Bereichen Energietechnologien und Biowissenschaften des Berkeley Lab, ist auf die Modellierung zukünftiger ökologischer und finanzieller Auswirkungen neuer Technologien spezialisiert. Scown und ihr Team haben von Anfang an am PDK-Projekt gearbeitet und der Gruppe von Chemikern und Fertigungswissenschaftlern von Helms dabei geholfen, die Rohstoffe, Lösungsmittel, Geräte und Techniken auszuwählen, die zum erschwinglichsten und umweltfreundlichsten Produkt führen.
„Wir nehmen Technologien im Frühstadium und entwerfen, wie sie im kommerziellen Maßstab aussehen würden“, indem wir verschiedene Inputs und Technologien verwenden, sagte sie. Dieser einzigartige, kollaborative Modellierungsprozess ermöglicht es den Wissenschaftlern von Berkeley Lab, potenzielle Scale-up-Herausforderungen zu identifizieren und Prozessverbesserungen ohne kostspielige Trial-and-Error-Zyklen vorzunehmen.
Der in Science Advances veröffentlichte Bericht des Teams modelliert eine PDK-Produktions- und Recycling-Pipeline im kommerziellen Maßstab auf der Grundlage des aktuellen Entwicklungsstands des Kunststoffs. „Und die wichtigsten Erkenntnisse waren, dass die Kosten und die Treibhausgasemissionen, die mit der Fortsetzung des Recyclings zu Monomeren und der Herstellung neuer Produkte verbunden sind, nachdem Sie das PDK ursprünglich hergestellt und in das System aufgenommen haben, niedriger sein könnten als , oder zumindest auf Augenhöhe mit vielen herkömmlichen Polymeren“, sagte Scown.
Start planen
Dank der Optimierung durch die Prozessmodellierung wecken recycelte PDKs bereits das Interesse von Unternehmen, die Kunststoff beschaffen müssen. Helms und seine Kollegen blicken stets in die Zukunft und führen seit den Anfängen des Projekts Marktforschung durch und treffen sich mit Vertretern der Industrie. Ihre Arbeit zeigt, dass die beste Erstanwendung für PDKs Märkte sind, in denen der Hersteller sein Produkt am Ende seiner Lebensdauer zurückerhält, wie die Automobilindustrie (durch Inzahlungnahme und Rücknahme) und Unterhaltungselektronik (durch Elektroschrott). Programme). Diese Unternehmen werden dann in der Lage sein, die Vorteile von 100 % recycelbaren PDKs in ihrem Produkt zu nutzen: nachhaltiges Branding und langfristige Einsparungen.
Arbeiter sortieren Plastikmüll.
„Mit PDKs haben die Menschen in der Industrie jetzt die Wahl“, sagte Helms. „Wir binden Partner ein, die Zirkularität in ihre Produktlinien und Fertigungskapazitäten einbauen, und bieten ihnen eine Option, die den Best Practices der Zukunft entspricht.“
Scown fügte hinzu: „Wir wissen, dass auf dieser Ebene Interesse besteht. Einige Länder haben Pläne, saftige Gebühren für Kunststoffprodukte zu erheben, die auf nicht recyceltem Material basieren. Diese Umstellung wird einen starken finanziellen Anreiz bieten, von der Verwendung von Neuharzen wegzukommen, und dürfte die Nachfrage nach recycelten Kunststoffen stark ankurbeln.“
Nachdem das Team den Markt für langlebige Produkte wie Autos und Elektronik infiltriert hat, hofft es, PDKs auf kurzlebige Einweggüter wie Verpackungen auszudehnen.
Eine runde Zukunft
Während sie Pläne für eine kommerzielle Markteinführung schmieden, setzen die Wissenschaftler auch ihre techno-ökonomische Zusammenarbeit beim PDK-Produktionsprozess fort. Obwohl die Kosten für recyceltes PDK bereits wettbewerbsfähig niedrig sein sollen, arbeiten die Wissenschaftler an zusätzlichen Verfeinerungen, um die Kosten für reines PDK zu senken, damit Unternehmen nicht durch den anfänglichen Investitionspreis abgeschreckt werden.
Und wie es sich gehört, arbeiten die Wissenschaftler gleichzeitig zwei Schritte voraus. Scown, der auch Vizepräsident für Lebenszyklus, Wirtschaft und Agronomie am Joint BioEnergy Institute (JBEI) ist, und Helms arbeiten mit Jay Keasling, einem führenden synthetischen Biologen am Berkeley Lab und der UC Berkeley und CEO von JBEI, zusammen, um a Verfahren zur Herstellung von PDK-Polymeren unter Verwendung von durch Mikroben hergestellten Vorläuferbestandteilen. Der Prozess verwendet derzeit Industriechemikalien, wurde aber dank eines zufälligen interdisziplinären Seminars ursprünglich mit Blick auf Keaslings Mikroben entwickelt.
„Kurz bevor wir mit dem PDK-Projekt begannen, war ich in einem Seminar, in dem Jay alle Moleküle beschrieb, die sie bei JBEI mit ihren manipulierten Mikroben herstellen konnten“, sagte Helms. „Und ich war sehr aufgeregt, weil ich sah, dass einige dieser Moleküle Dinge waren, die wir in PDKs einbauten. Jay und ich hatten ein paar Gespräche und uns wurde klar, dass fast das gesamte Polymer aus Pflanzenmaterial hergestellt werden konnte, das von künstlichen Mikroben fermentiert wurde.“
„In Zukunft werden wir diese biologische Komponente einbringen, was bedeutet, dass wir beginnen können, die Auswirkungen des Übergangs von konventionellen Rohstoffen zu einzigartigen und möglicherweise vorteilhaften biobasierten Rohstoffen zu verstehen, die langfristig nachhaltiger sein könnten Energie-, Kohlenstoff- oder Wasserintensität von Produktion und Recycling“, so Helms weiter.
„So, wo wir jetzt sind, ist dies der erste Schritt von vielen, und ich denke, wir haben eine wirklich lange Start- und Landebahn vor uns, was aufregend ist.“
Referenz: „Nivellierung der Kosten und des CO9-Fußabdrucks von kreisförmigen Polymeren, die chemisch zu Monomer recycelt werden“ von Nemi Vora, Peter R. Christensen, Jérémy Demarteau, Nawa Raj Baral, Jay D. Keasling, Brett A. Helms und Corinne D. Scown, 2021. April XNUMX, Wissenschaft Fortschritte.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf0187
Die Molecular Foundry ist eine Benutzereinrichtung des Department of Energy (DOE) Office of Science, die sich auf Wissenschaft im Nanomaßstab spezialisiert hat. JBEI ist ein vom DOE Office of Science finanziertes Bioenergie-Forschungszentrum.
Diese Arbeit wurde durch das Bioenergy Technologies Office des DOE und das Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-Programm des Berkeley Lab unterstützt.
