Glasbehälter mit weißem Schraubverschluss. Darin weiße zerbrochene Tabletten.

Aus PET-Abfallstoffen zurückgewonnenes Monomer Terephthalsäure. (Bild: Rittec borowiakziehe)

Bis heute können PET-haltige, mehrlagige Verpackungsprodukte wie Multilayerfolien und Tiefziehschalen nur thermisch verwertet werden. Die Revol-PET-Technologie bietet die Chance, diese Produkte in eine zirkuläre stoffliche Wertschöpfung zu überführen. PET wird selektiv in seine Monomere Ter-ephthalsäure und Monoethylenglykol zerlegt und diese können nach entsprechender Reinigung wieder zu neuem PET polymerisiert werden. In den Sekundärrohstoffen enthaltene Fremdpolymere können separiert und anschließend ebenfalls einem stofflichen Recycling zugeführt werden.

Kunststoffrecycling: Der große Überblick

Mann mit Kreislaufsymbol auf dem T-Shirt
(Bild: Bits and Splits - stock.adobe.com)

Sie wollen alles zum Thema Kunststoffrecycling wissen? Klar ist, Nachhaltigkeit hört nicht beim eigentlichen Produkt auf: Es gilt Produkte entsprechend ihrer Materialausprägung wiederzuverwerten und Kreisläufe zu schließen. Doch welche Verfahren beim Recycling von Kunststoffen sind überhaupt im Einsatz? Gibt es Grenzen bei der Wiederverwertung? Und was ist eigentlich Down- und Upcycling? Alles was man dazu wissen sollte, erfahren Sie hier.

Zirkuläres Wirtschaften mit Verbundkunststoffen

Zwei Männer mit Brille halten PET-Mischmaterial in der Hand und betrachten es.
Bild 1: Prof. Dr.-Ing. Stephan Scholl (r.) und Carsten Eichert betrachten eine Materialprobe aus PET-Mischmaterial. (Bild: Rittec)

Erdölbasierte Polymere stellen heute in allen Bereichen des Lebens und Wirtschaftens unverzichtbare Werkstoffe dar. Insbesondere die Möglichkeit, maßgeschneiderte Produkteigenschaften durch Kombination unterschiedlicher Polymere einzustellen, eröffnet vielfältige Design­optionen. Den Eintritt in eine stoffliche Kreislaufwirtschaft stellen diese Verbundkunststoffe allerdings vor große Herausforderungen, weil der Werkstoffverbund ein stoffliches Recycling erheblich erschwert bis unmöglich macht. Der absehbare Wegfall erdölbasierter Gewinnungsrouten für Monomere erfordert jedoch das Bereitstellen dieser Grundbausteine der Polymere aus Sekundärrohstoffen, etwa über chemische oder biobasierte Syntheserouten oder aus direkten Recyclingverfahren. Es sind daher Recyclingtechnologien notwendig, mit deren Hilfe die in den Sekundärrohstoffen enthaltenen Polymere zielgerichtet in ihre Monomere zerlegt und diese dann in einen stofflichen Kreislauf eingespeist werden können. Die recycelten Monomere (r-Monomere) müssen dabei die ursprünglichen erdölbasierten Grundbausteine eigenschaftsgleich substituieren, sodass die daraus erzeugten Polymere und Kunststoffprodukte ihre vorteilhaften Eigenschaften behalten oder wieder verfügbar machen. Im besten Fall sind diese r-Mono-mere drop-in-fähig in bestehende Prozesse und Anlagen zur Verarbeitung fossilbasierter Monomere, sodass keine oder nur minimale Umrüstinvestitionen bei den Betreibern solcher Polymeranlagen entstehen. Eine robuste Technologie des chemischen Monomerrecyclings sollte auch das Verarbeiten chemisch identischer Sekundärrohstoffe aus verschiedenen Anwendungen ermöglichen, um so eine breite Rohsoffbasis nutzen zu können. Für PET sind dies zum Beispiel opake oder gefärbte Verpackungen bis hin zu textilen Recyclingströmen. Das vorgestellte Verfahren leistet genau dies.

Diese Verfahrensschritte sind nötig

Die Technologie der Rittec Umwelttechnik, Lüneburg, basiert auf einer hochselektiven Depolymerisation des PET mittels alkalischer Hydrolyse unter Zugabe von festem Natriumhydroxid kontinuierlich in einem Doppelschneckenextruder [1, 2]. Bei einer mittleren Verweilzeit von rund einer Minute depolymerisieren bis über 97 % des PET zu Dinatriumterephthalat DNT und Monoethylenglykol r-EG. Durch die kurze Verweilzeit und die niedrigen Prozesstemperaturen von 120 bis 160 °C bleiben andere im Feedstrom enthaltene Poly-mere, wie Polyolefine oder Polyurethane, aber auch Baumwolle inert. Der Extruderaustrag wird anschließend in Wasser gelöst und alle nicht wasserlöslichen Bestandteile abgetrennt. An dieser Stelle können beispielsweise PE-Folienreste aus Mehrschichtfolien abgetrennt und einer separaten Verwertung zugeführt werden. Abhängig von der Qualität des Feedmaterials können weitere Reinigungsschritte integriert werden. Zielgröße ist eine Farbzahl der finalen Terephthalsäure r-TA ≤ 10° Hazen, um eine uneingeschränkte Anwendungsvielfalt sicherzustellen. Der so gereinigten Produktlösung wird anschließend eine Säure zugegeben, wodurch die r-TA ausfällt. Diese wird abgetrennt, final aufgereinigt und getrocknet. Aus der wässrigen Mutterlauge der Fällung werden zuletzt der Großteil des Wassers, das r-EG sowie das Metallsalz zurückgewonnen.

Warum PET-Abfall nicht gleich PET-Abfall ist

Die hochselektive Depolymerisation des PET und die daran anschließenden Reinigungsschritte erlauben das Verarbeiten einer breiten Palette an PET-haltigen Sekundärrohstoffen. Neben den PET-Getränkeflaschen sind dies insbesondere gefärbte Gebinde, wie Shampoo- oder Putzmittelflaschen und Multilayerfolien. Neben den Verpackungen findet man PET als Polyesterfaser in Bekleidungs-, Dekorations-, Sport- und technischen Textilien. Darin sind den Materialien jedoch vielfältige Ausrüstungs- und Zuschlagsstoffe wie Farben, Biozide, UV-Stabilisatoren und wasserabweisende Beschichtungen zugegeben, die gezielte Reinigungsschritte der r-Monomere erfordern. Stoffströme mit PET-Gehalten bis minimal 30 wt % können technisch prozessiert werden, eine Wirtschaftlichkeit unter den gegenwärtigen gesetzlichen und marktlichen Randbedingungen ist für PET-Gehalte ≥ 75–80 wt % gegeben.

Zwei Balkendiagramme. Balken in den Farben grün, orange und grau.
Bild 2: Auszug aus den forschungsbegleitenden LCA-Untersuchungen (ILCD-Methode; Nutzung des Charakterisierungsmodells IPCC 2016, ecoinvent v3.7.1, für die Wirkungskategorie Klimaänderung) – a) Bewertung Revol-PET-Prozess hier Vergleich der TA-Bereitstellung (oben), b) erste Einordnung der Technologie in die Wertschöpfungskette von PET-haltigen Post-Consumer-Abfällen (unten). (Bild: Rittec borowiakziehe)

Deshalb fungiert die Nachhaltigkeit als Innovationstreiber

Extruder
Bild 3: Über 95 % der vorhandenen PET-Polymere werden im Extruder depolymerisiert – in weniger als einer Minute. (Bild: Rittec borowiakziehe)

Die Technologieentwicklung wurde mit einem Life Cycle Assessment (LCA) begleitet, um frühzeitig die potentiellen Umweltwirkungen zu ermitteln und die diesbezüglichen Hotspots im Prozess zu identifizieren. So wurde über die verschiedenen Technologiereifegrade (TRL) ein effizientes und damit energie- und ressourcenschonendes Prozessdesign hinsichtlich der Betriebsbedingungen, der apparate- und anlagentechnischen Gestaltung sowie des Wärme- und Wassermanagement adressiert. Die LCA-Untersuchungen verfolgen einen prospektiven, consequential Ansatz [3] und betrachten zwei verschiedene Perspektiven. Zum einen das Bereitstellen von Monomeren als Sekundärrohstoffe in Primärqualität und zum anderen das rohstoffliche Verwerten von PET-haltigen Abfallströmen im Sinne einer Circular Economy. Die Prozessökobilanz zum Bereitstellen der r-Monomere muss gegenüber der herkömmlichen erdölbasierten Route eine geringere Umweltwirkung ausweisen. Die Systemgrenzen umfassen hierbei einen cradle-to-gate Ansatz und beinhalten alle Prozessinputs und -outputs sowie deren Bereitstellung und Entsorgung [4]. Für die Einordnung der neuen Technologie in bestehende Wertschöpfungsketten erfolgen cradle-to-grave beziehungsweise cradle-to-cradle-Betrachtungen. Hier fließen auch Substitutionen für Nebenprodukte, die eine Primärproduktion ersetzen, mit ein. So ersetzt der Revol-PET-Prozess die Primärproduktion der beiden Monomere TA und EG aus Erdöl. Eingeordnet in der Wertschöpfungskette muss für eine nachhaltige Circular Economy letztendlich die stoffliche Kreislaufschließung eine deutlich umweltverträglichere Variante darstellen als die bishe-rige lineare Wertschöpfungskette. Das Verfahren zeigte bereits im frühen Entwicklungsstadium gegenüber der fossilen Herstellungsroute der Monomere vergleichbare beziehungsweise mit zunehmendem TRL geringere Umweltwirkungen hinsichtlich der potentiellen Treibhausgasemissionen, in Bild 2 (a) angegeben in CO2-Äquivalenten. Der zunehmende TRL bezieht sich dabei vorrangig auf die betrieblichen Größen und berücksichtigt eine verbesserte Prozessführung sowie das Schließen von Kreisläufen, wie für Prozesswasser oder Wärmeintegrationsmaßnahmen. Die verursachten potentiellen ökologischen Aufwendungen sind dabei stark beeinflusst vom gewählten Produktionsstandort. Durch das Berücksichtigen von Skaleneffekten und verbesserte Apparate- sowie Verfahrensauslegung reduzieren sich für den aktuellen Entwicklungsstand die potentiellen Umweltwirkungen um >40 % hinsichtlich der THG-Emissionen. Die Einbindung der innovativen Technologie in die bestehende Wertschöpfungskette von PET-haltigen Post-Consumer-Abfällen verglichen gegen die Alternative des thermischen Recyc-lings am Ende des Lebenszyklus birgt ähnlich große Reduktionspotentiale. Diese werden über die nächsten Jahrzehnte aufgrund der Änderungen in der Energiebereitstellung [5] zunehmen, siehe Bild 2 (b).

Weshalb die Wirtschaftlichkeit schon bei mittelgroßen Kapazitäten gegeben ist

Insbesondere innovative Umwelttechnologien müssen nachhaltig, also wirtschaftlich konkurrenzfähig, ökologisch vorteilhaft und sozial verträglich sein. Die zu verarbeitenden PET-haltigen Rohstoffströme fallen typischerweise dezentral an: in Sammel-, Sortier- und Aufbereitungsanlagen der Recyclingwirtschaft. Die gezeigte Technologie verfügt über Prozessfeatures, die eine Wirtschaftlichkeit auch schon bei mittelgroßen Kapazitäten erreicht und damit eine unmittelbare Anbindung an dezentral verfügbare Sekundärrohstoffströme erlaubt. Dies ermöglicht das Optimieren der Lieferkette in einem ganzheitlichen Sinn, auch unter Einbeziehung der Logistikaufwendungen. Dezentrale Recyclinghubs, die mit geringen Kapazitäten wirtschaftlich erfolgreich sind, ermöglichen den Aufbau von Verwertungsnetzen mit kurzen Logistikstrecken. Die hochwertigen Produkte aus den Recyclinganlagen können dann über längere Distanzen zu den größeren Polymerisationsanlagen transportiert werden. Die Option der Dezentralität und die niedrige Kapazitätsschwelle zur Profitabilität, gepaart mit einem robusten Betriebskonzept, machen die Recycling-Technologie aus Lüneburg auch für andere Regionen der Welt interessant. Dies gilt insbesondere für Entwicklungs- und Schwellenländer, die in hohem Maße unter der Plastikflut leiden. Hier können nachhaltige Geschäftsmodelle für die Abfallentsorgung entwickelt werden, insbesondere auch unter Einbindung des informellen Sektors. Der Return aus den Erlösen für die r-Monomere kann zur Entlohnung der dort beschäftigten Menschen beitragen. Dies erschließt neue Rohstoffströme für eine wertschöpfende Weiterverarbeitung und reduziert das Risiko eines Einkommens- und Arbeitsplatzverlustes.

Literaturverzeichnis:

[1] Biermann, L., Brepohl, E. Eichert, C., Paschetag, M., Watts, M., Scholl, S.: Development of a continuous PET depolymerization process as a basis for a back-to-monomer recycling method. Green Processing and Synthesis (2021) 10: 361-373, DOI: 10.1515/gps-2021-0036
[2] Biermann, L., Quast, D., Brepohl, E. Eichert, C., Scholl, S.: Alkali decomposition of Poly(ethylene terephthalate) in a quasi-solid‒solid kneading reaction. Chem. Eng. Technol. 44 (2021) 12, 2300-2308, DOI: 10.1002/202100327
[3] Arvidsson, Rickard; Tillman, Anne‐Marie; Sandén, Björn A.; Janssen, Matty; Nordelöf, Anders; Kushnir, Duncan; Molander, Sverker (2018) Environmental Assessment of Emerging Technologies: Recommendations for Prospective LCA, Journal of Industrial Ecology 2018, Vol. 22, No. 6. DOI: 10.1111/jiec.12690
[4] M. Wesche, M. Häberl, M. Kohnke, S. Scholl (2015) Ökologische Bewertung von Produktionspro-zessen in Mehrproduktbatchanlagen, Chemie Ingenieur Technik 2015, Vol. 87, No. 3. DOI: 10.1002/cite.201400086
[5] C. Reinert, S. Deutz, H. Minten, L. Dörpinghaus, S. von Pfingsten, N. Baumgärtner, A. Bardow, Environmental Impacts of the Future German Energy System from Integrated Energy Systems Optimization and Dynamic Life Cycle Assessment, Computers and Chemical Engineering(2021), DOI: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2021.107406.

Quelle: Rittec

 

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