So werden Einmal-Masken zurück in den Kreislauf gebracht

Mehrere Lagen Vliesstoff, verbunden mit Binde- oder Gummibändern: Was sich unspektakulär anhört hat sich mit Beginn der Corona-Pandemie einen nachhaltigen Platz in unserer Gesellschaft erobert. Die Rede ist von medizinischen Masken. Das schützende Utensil hat jedoch einen eher geringen Haltbarkeitswert. Nach einmaligem Tragen landet die Maske im Restmüll – so zumindest schreibt es das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) vor. Kontaminiertes Material müsse durch Verbrennen sicher beseitigt werden heißt es.

Was aber, wenn die Masken als wertvolle Rohstoffquelle dienen können, anstatt in Rauch aufzugehen? Dieser Frage ging der Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE und das Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht in einem Pilotprojekt gemeinsam mit dem in Saudi-Arabien ansässigen Chemieunternehmen Sabic und dem US-amerikanischen Konsumgüter Konzern Procter & Gamble (P&G) nach. Rohstoffe sollen aus gebrauchten und weggeworfenen Masken rückgewonnen und der Wertschöpfungskette der Produktion zurückgeführt werden.

Die hygienischen Anforderungen beim Recycling von Gesichtsmasken sind hoch. Der Materialmix in Form von metallischem Nasenbügel, Kunststofffasern oder Gummiband, aber auch die Verschmutzung und Kontamination der Masken, bringt insbesondere das werkstoffliche Recycling an seine Grenzen. Unter Leitung von Dr. Alexander Hofmann, Abteilungsleiter Kreislaufwirtschaft bei Fraunhofer Umsicht entwickelten Forschende am Standort Sulzbach-Rosenberg ein Verfahren zur thermochemischen Stofftrennung. Mithilfe der I-Cycle-Technologie werden Kunststoffe und andere organische Bestandteile in sauerstofffreier Umgebung thermisch zersetzt und verflüchtigt. Diese werden dann von den in den Masken enthaltenen Metallen und Fasern getrennt.

Neben Masken lassen sich auch medizinische Abfälle im Allgemeinen verwerten, wie Hofmann verrät: „Vorteil ist, dass bei den hohen Temperaturen medizinisch kontaminiertes Material dekontaminiert wird.“ Daneben seien aber auch gemischte Kunststoffabfälle und Verbundmaterialien wie Elektronik-Altgeräte oder Rotorblätter geeignete Fraktionen. „Für eine ressourcen-effiziente Kreislaufwirtschaft sind besonders diese Fraktionen, die mechanisch nicht verwertet werden, von großer Bedeutung.“ Kunststoffe, die derzeit also nicht recycelt werden, können so als Alternative zur Verbrennung wiederverwertet werden. In Sulzbach-Rosenberg existiert bereits seit 2018 ein dafür notwendiger Forschungsreaktor, der ursprünglich allein für das Wiederverwerten von Elektronikschrott und Komposite entwickelt wurde, „durch Anpassungen und Weiterentwicklungen mittlerweile aber ein sehr breites Produktspektrum abdecken kann“, wie Hofmann erklärt.

Als Ergänzung zum werkstofflichen Recycling hat das chemische Recycling – auch rohstoffliches Recycling oder Feedstock Recycling genannt – das Potenzial, eine effizientere, rohstoffliche Nutzung von Kunststoffabfällen zu erreichen. Den Fraunhofer-Forschenden zufolge, wurden allein 2017 in Deutschland von den insgesamt 6,1 Mio. t Kunststoffabfällen nur rund 2,8 Mio. t werkstofflich recycelt. Der Großteil mit 3,2 Mio. t wurde energetisch wiederverwertet, also verbrannt. Allein hier zeigt sich das Potenzial des chemischen Recyclings: Anstatt die Abfälle zu verbrennen und dabei noch dazu CO₂-Emissionen zu verursachen, können diese Wertstoffe erneut in den Kreislauf zurückgebracht werden. Verunreinigungen wie Glas, Metalle, Fasern, Holz, Papier, Pigmente, Additive oder Flammschutzmittel in den Stoffströmen erschweren hier das werkstoffliche, also mechanische Recycling. Mit chemischen Verfahren wie dem I-Cycle-Prozess lassen sich aus diesen Fraktionen jedoch wieder chemische Grundstoffe in Neuwarenqualität für die Kunststoffproduktion gewinnen.

Das Team um Alexander Hofmann möchte diese Potenziale am Beispiel der Wiederverwertung gebrauchte Gesichtsmasken aufzeigen. Doch woher die ganzen Masken nehmen? Um die Forschungsanlage in Sulzbach-Rosenberg entsprechend zu „füttern“ brauchte es eine ausreichende Anzahl dieser Art von medizinischen Einmal-Produkte. Dafür stellte Procter & Gamble Mitarbeitern und Besuchern an einem Produktions- und Forschungsstandort Sammelbehälter zur Verfügung, in denen gebrauchte Masken entsorgt werden konnten.

Am Standort Sulzbach-Rosenberg wurde das kontaminierte Material dann auf der Forschungspyrolyseanlage automatisch zerkleinert und anschließend thermochemisch in Pyrolyseöl umgewandelt. „Die Masken werden unter Stickstoffatmosphäre auf über 600 °C erhitzt. Dabei zersetzen sich die Polymere und es entstehen kleinere chemische Grundbausteine, die gasförmig oder flüssig sind – sowie ein fester Rückstand,“ erklärt Hofmann. In der Festphase befindet sich das Karbonisat, in dem die Metalle gebunden sind. Das Gas kann wiederum für die Beheizung des Prozesses genutzt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen werden Schadstoffe oder auch Krankheitserreger komplett beseitigt.

Das wertvollste Endprodukt aus dem iCycle-Prozess ist das Pyrolyseöl, dessen Ausbeute besonders hoch ist. Bezogen auf die Masken liegt diese zwischen 50 und 60 %. „Unsere Pilotanlage hat eine Kapazität von bis zu 70 kg/h,“ so Hofmann und ergänzt: „allerdings handelt es sich um eine Forschungsanlage, die nur Kampagnenweise fährt“. Das gewonnene Pyrolyseöl wurde im Forschungszentrum aufbereitet und gereinigt um als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie zu dienen. Hofmann verweist dabei auf die besonderen Anforderungen an das Vorprodukt: „Die Ölqualität muss den Spezifikationen des Steamcrackers, einer Raffinerie oder anderen Aufbereitungswegen der Öl- bzw. Chemieindustrie entsprechen. Besonders bei  halogen-haltigen Kunststoffabfällen, wie PVC oder Flammschutzmitteln ist das eine Herausforderung.

Das Fraunhofer Umsicht entwickelt Prozesse zur Aufbereitung der Öle und konnte bereits demonstrieren, dass die Spezifikationen der Industrie erfüllt werden können.“ Die hohe Qualität des aus dem I-Cycle-Prozess gewonnen Öls gibt ihm recht. Aus diesem lassen sich abermals Gesichtsmasken oder andere medizinische Produkte herstellen. Das Pyrolyseöl wurde anschließend an den Projektpartner Sabic weitergereicht, der dieses als Ausgangs-material für die Herstellung von neuwertigem Polypropylen (PP) verwendet. Dieses wurde nach dem allgemein anerkannten Massenbilanz-Prinzip hergestellt. Konkret bedeutet dies, dass zusätzlich zu dem aus dem Maskenrecycling gewonnenen Pyrolyseöl auch fossile Rohstoffe im Herstellungsprozess zum Einsatz kommen. Eine Brückenlösung zwischen der heutigen Linearwirtschaft und der nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft der Zukunft.

Um den Kreislauf zu schließen wurde das Polypropylen bei Procter & Gamble schließlich zu Vliesfasern abermals zu Masken verarbeitet. Das Forscherteam um Hofmann spricht dabei von „echtem Closed-Loop-Recycling“. Schließlich war es gelungen, von einem Produkt zu exakt dem gleichen Produkt zu kommen – ganz ohne Qualitätsverluste.

In gerade einmal sieben Monaten war es den Akteuren gelungen das Kreislaufprojekt erfolgreich umzusetzen. Ein Projekt mit nachhaltiger Zukunft – und nachhaltigem Fußabdruck also? Fest steht, dass aktuell Masken aber auch jedwede andere medizinische Schutzausrüstung verbrannt werden, wie Hofmann betont. „Die Rohstoffe gehen letztendlich irreversibel in Form von CO₂ verloren.“ Mit dem I-Cycle-Prozess wollen die Forschenden dabei unterstützen, die Wertschöpfungskette vom Kunststoffabfall zur recycelten Neuware zu schließen. Selbst FFP-2 Masken können recycelt werden, heißt es. Die I-Cycle-Technologie deckt schließlich auch Verbundmaterialien ab, die in dieser Art von Masken Verwendung finden.

Und auch in Sachen Zukunft ist dem Forschungsleiter nicht bange – im Gegenteil: „Projekte zur Hochskalierung der Technologie sind geplant.“ So hat sich das Team am Fraunhofer Umsicht zum Ziel gesetzt, den Recyclingprozess auf Krankenhausabfälle im Allgemeinen zu übertragen. „Wir sind immer interessiert an weiteren Industriepartnern“, ergänzt Hofmann.

Quelle: Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT