Die Massenproduktion von Plastik hat unser Leben revolutioniert. Ohne Kunststoff wäre unser Alltag deutlich weniger komfortabel. Allerdings ist Plastikmüll zu einem der größten Probleme unserer Zeit geworden. Chemisches Recycling hat das Potenzial, unsere Plastikrecyclingquote deutlich zu steigern und die Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe einzuläuten.

Bis 2060 wird sich der Plastikmüll weltweit verdreifachen. Aktuell werden nur neun Prozent davon recycelt. Der Rest wird deponiert, gelangt in die Umwelt oder wird unter Freisetzung von CO2 verbrannt.[1] Um das Plastikmüllproblem zu lösen, streben immer mehr Staaten eine Kreislaufwirtschaft an. Eine sogenannte Circular Economy verringert auch unsere Abhängigkeit von fossilen Ressourcen. Für 2050 wird prognostiziert, dass 55 Prozent des Kohlenstoffbedarfs für Chemikalien und daraus abgeleiteten Produkten durch Recycling gedeckt und auf fossile Ressourcen komplett verzichtet wird (Abbildung 1).

Traditionell wird Plastik mechanisch recycelt. Hierbei wird minderwertiges Plastik produziert, das nicht für alle Anwendungen (zum Beispiel als Lebensmittelverpackung und im Medizinbereich) benutzt werden kann. Da sich nur gewisse Plastikarten – vor allem PET, das auch noch sehr sortenrein und sauber vorliegen muss – für das mechanische Recycling eignen, lässt sich durch dieses Verfahren allein die Recyclingquote nur begrenzt steigern.

Durch chemisches Recycling rückt die Kreislaufwirtschaft für Plastik in greifbare Nähe. Bei dieser neuen Recyclingtechnik wird der Kunststoffabfall in seine chemischen Grundbausteine zerlegt, aus denen dann neuwertige Kunststoffprodukte ohne Anwendungseinschränkungen erzeugt werden können. Als Ausgangsstoffe eignen sich besonders Polyolefinabfälle, welche 50 Prozent aller Kunststoffabfälle beziehungsweise 70 Prozent aller Kunststoffverpackungen in Europa ausmachen und aktuell meist verbrannt werden. Das chemische Recycling stellt somit eine umweltfreundlichere Alternative zur Müllverbrennung dar und ergänzt das mechanische Recycling, da die Techniken auf unterschiedliche Plastikabfälle als Ausgangsstoffe zurückgreifen.

Gelebtes chemisches Recycling 

Das chemische Recycling von Kunststoffen ist längst keine Theorie mehr. Eine Partnerschaft zwischen Magnum, dem saudi-arabischen Chemiekonzern Sabic und dem auf chemisches Recycling fokussierte Startup Plastic Energy resultierte in der ersten Lebensmittelverpackung aus recyceltem Polypropylen.[3] Im Jahr 2021 wurden mehr als 30 Millionen Magnum-Becher aus chemisch recyceltem Plastik hergestellt. Bis 2025 soll die gesamte Produktion auf zirkuläres Plastik umgestellt werden. Auch die Verpackung des KitKat-Schokoriegels ist mittlerweile aus chemisch recyceltem Polypropylen – dank einer Zusammenarbeit von Nestle und dem Chemiekonzern LyondellBasell.[4] 

Vaude und Mercedes Benz geben in Zusammenarbeit mit BASF Altreifen ein neues Leben. Durch chemisches Recycling werden aus Altreifen hochwertige Outdoorkleidungsstücke beziehungsweise Türgriffe und Crash-Absorber für den Mercedes EQE und die S-Klasse. [5,6]

Viele globale Chemiekonzerne haben sich chemisches Recycling auf die Fahne geschrieben. Eine Vorreiterrolle nimmt die BASF ein, die aktiv für die legislativen Rahmenbedingungen eines Massenbilanzansatzes kämpft.[7]

Wie funktioniert chemisches Recycling?

Pyrolyse ist das wichtigste chemische Recyclingverfahren und schließt die Plastikabfälle in einer sauerstofffreien Umgebung bei 600 °C auf. Die langen Polymerketten der Kunststoffe werden zerstört und es entsteht ein dickflüssiges Pyrolyseöl mit einem Spektrum an unterschiedlich langen Kohlenwasserstoffketten. Da für die Plastikherstellung chemische Grundbausteine – Monomere wie Ethen, Propen und Buten – benötigt werden, müssen die Polymerketten des Pyrolyseöls noch weiter heruntergebrochen werden. Je nachdem wie schwer oder leicht das Pyrolyseöl ist, geschieht dies in einer Raffiniere und/oder in einem Steamcracker. Abbildung 2 zeigt einen vereinfachten Kreislauf für das chemische Recycling von Plastik.

Qualitätsprüfpunkte beim chemischen Recycling 

Um Korrosion, Katalysatorvergiftung und andere Probleme zu vermeiden, darf der Rohstoff, der in petrochemische Anlagen eingespeist wird, gewisse Grenzwerte für Heteroatome und Metalle nicht überschreiten. Die problematischsten Elemente bei Pyrolyseölen sind typischerweise Sauerstoff, Silizium, Halogene wie Chlor und Metalle wie Natrium, Eisen, Blei, Calcium und Quecksilber.[8] Wenn das Pyrolyseöl die kritischen Elementkonzentrationen überschreitet, sind Aufreinigungsschritte notwendig. Alternativ kann Pyrolyseöl auch mit Rohöl gemischt werden, um die Grenzwerte zu unterschreiten. 
Die Qualität der Pyrolyseprodukte hängt auch von der Qualität des Plastikabfalls ab, der verarbeitet wurde. Je verunreinigter der Müll zu Beginn ist, desto intensiver die spätere Aufreinigung. Deswegen ist auch eine Eingangskontrolle der Kunststoffabfälle essenziell. Bei der Pyrolyse fällt auch Abwasser an. Dieses muss auf den Gesamtgehalt an organischen Kohlenstoff (TOC) und an adsorbierbaren organisch gebundenen Halogenen (AOX) untersucht werden, um die Wasserqualität einordnen zu können.

So kann die Laboranalytik unterstützen 

Durch Techniken wie ICP-OES, Elementaranalyse und TOC/AOX-Analytik kann die Qualität von Ausgangsstoffen sowie Neben- und Endprodukten des chemischen Recyclings schnell und einfach bewertet werden. Analytik Jena bietet Lösungen für alle Qualitätsprüfpunkte beim chemischen Recycling.

Fokus 1: Metallanalyse von Pyrolyseöl mittels ICP-OES

ICP-OES oder Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy ist eine Technik, mit der eine schnelle und umfassende Metallanalyse von Pyrolyseöl über einen sehr großen Messbereich gelingt. Dabei wird die Probe in einem Plasma atomisiert und ionisiert. Bei diesem Prozess werden Photonen mit einer für das jeweilige Element charakteristischen Wellenlänge emittiert. Über eine spektrale Auswertung dieser Emissionslinien können die in der Probe enthaltenen Elemente identifiziert und quantifiziert werden. Die Analyse von Pyrolyseöl bringt einige Herausforderungen mit sich, die jedoch durch ein für die Anwendung optimiertes ICP-OES zuverlässig gelöst werden können. 
Pyrolyseöl enthält stark variierende Elementkonzentrationen – damit muss ein ICP-OES umgehen können. Direkt nach der Pyrolyse kann der Anteil an Verunreinigungen sehr hoch sein, der Steamcracker benötigt jedoch ein sehr sauberes Produkt. Durch den größten Messbereich am Markt –  von ppt bis Prozent – liefert das PlasmaQuant 9100 Elite eine schnelle und eindeutige Entscheidungsbasis für Pyrolyseöl sowohl vor als auch nach potenziellen Aufreinigungsschritten. Durch eine hochauflösenden Optik, die Interferenzen effektiv vom Signal trennt, können selbst niedrige Elementgehalte wie etwa 0,3 ppb Eisen zuverlässig erfasst werden. Durch eine zuschaltbare Lichtabschwächung werden hohe Elementgehalte ebenfalls verlässlich detektiert. 

Bei organischen Proben wie Pyrolyseöl müssen außergewöhnlich viele chemische Bindungen gebrochen werden, um die Probe zu ionisieren. Dies kann die Plasmastabilität schwächen und zu starken Intensitätsschwankungen führen. Um die Langzeitstabilität des Signals zu gewährleisten, kommt der Leistungsfähigkeit des Generators eine zentrale Rolle zu. Mit einer unerreichten Generatorleistung von 1.700 W können selbst unverdünnte Proben mit hohem Gehalt an organischen Verbindungen vom PlasmaQuant 9100 gemessen werden. Ein optimiertes Design der Plasmafackel stellt darüber hinaus sicher, dass sich keine Kohlenstoffablagerungen am Injektor bilden und somit Wartungsarbeiten minimiert werden.

Die Analyse von Pyrolyseöl kann schnell teuer werden – gerade auch weil viele ICP-OES nicht über Nacht abgeschaltet werden sollten, während dieser Zeit aber Argongas und Strom weiter verbraucht werden. Das PlasmaQuant 9100 hingegen lässt sich über Nacht abschalten und ist nach nur 15 Minuten Aufwärmphase wieder voll einsatzbereit. Allein dies resultiert in Kosteneinsparungen von rund 20 Prozent. Auch die unverdünnte Injektion von Pyrolyseöl spart Geld und Aufwand, da die Verwendung von weniger Lösungsmittel zu weniger Abfall und Kosten führt.

Fokus 2: Cl/S/N/C – Analyse von Pyrolyseöl mittels Elementaranalysator

Die Elementaranalyse ist eine etablierte Technik zur quantitativen Analyse von Nichtmetallen –  hauptsächlich Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoff und Halogeniden in organischen Probenmatrices, wie beispielsweise Pyrolyseöl. Für die Bestimmung dieser Elemente wird die Probe in einer katalysatorfreien Hochtemperaturverbrennung im Sauerstoffstrom umgesetzt. Dabei wird aus den enthaltenen organischen Verbindungen neben Halogenwasserstoffen auch SO2, NOx, CO2 und Wasser gebildet. Das Wasser wird in einem Trocknungsschritt entfernt. Die Bestimmung der Elementgehalte erfolgt anschließend mit Hilfe selektiver Detektionsprinzipien. 

Um kostspieligen Problemen wie Korrosion und Katalysatorvergiftung vorzubeugen, müssen Analysewerte für Chlor und andere Heteroatome schnell verfügbar und absolut zuverlässig sein. Der Elementaranalysator Multi EA 5100 ist hierfür die erste Wahl. Für die Analyse von Pyrolyseöl bietet er Vorteile in drei entscheidenden Bereichen. 
Pyrolyseöl ist hochviskos. Eine Verdünnung ist ein unerlässlicher Mehraufwand bei klassischen Analysegeräten, wird jedoch durch das beheizte Probengabesystem des Multi EA 5100 obsolet. Das Öl wird direkt injiziert, der Verdünnungsschritt entfällt. Das minimiert Kosten, Abfall und Arbeitsaufwand für den Anwender.

Das Pyrolyseöl verbrennt unter normalen Bedingungen unkontrolliert und unvollständig. Die Folge sind inkorrekte Analysenergebnisse und ein merklich erhöhter Wartungsaufwand. Der Multi EA5100 ist das einzige System, das die Verbrennung der Probe mittels eines Flammensensors überwacht und automatisch optimiert. Das Resultat ist eine völlig rußfreie, gefahrlose und komplette Verbrennung in kürzester Zeit. Anderen Systemen fehlt ein solcher Flammensensor und der Anwender muss das Verbrennungsprogramm selbst programmieren, was mühsame sowie langwierige Methodenentwicklung bedeutet – und zwar für jeden Probentyp und für jede Probenmenge auf ein Neues.

Pyrolyseöl hat stark variierende Cl-Gehalte. Der Multi EA 5100 kann sogar 10 ng Chlor zuverlässig nachweisen mittels einer speziellen Sensorelektrode. Gleichzeitig ist auch die Quantifizierung von 1 mg Chlor ohne vorherige Verdünnung der Probe möglich. Korrekte Messergebnisse über einen solch großen Konzentrationsbereich erfordern eine Heizung des Messgaszweigs bis zur Trocknung. Ansonsten kondensiert Wasser und hält den Chloranalyten fest, was zu Minderbefunden führt – besonders im Spurenbereich. Um kleine Gehalte quantifizieren zu können, ist auch die Stabilität des Messsignals entscheidend. Aus diesem Grund ist die elektrochemische Zelle des Multi EA 5100 gekühlt, damit keine Elektrolytlösung evaporiert, und lichtgeschützt, um unerwünschte photochemische Reaktionen zu verhindern. 

Da konzentrierte Schwefelsäure für die Messgastrocknung eingesetzt wird, ist Betriebssicherheit insbesondere bei Chloranalytik ein (lebens-)wichtiges Thema. Der Multi EA 5100 ist das einzige System, das den Rückfluss von Schwefelsäure zuverlässig verhindert und damit sowohl den Anwender als auch das teure Analysengerät effektiv schützt. Dieser Schutz beruht einerseits auf dem Flammensensor, der eine schlagartige Verbrennung und den damit verbundenen Druckstoß überhaupt nicht entstehen lässt, und andererseits auf einem besonderen Filter, der zum Beispiel Druckentlastungen wegen Schwankungen in der Stromversorgung abfängt.

Autorin
Simone Beatrice Moos, Product Manager