Katalysatoren für das Kunststoffrecycling

Eine Plastikflasche, die in den Papierkorb geworfen wird, kann am Ende zerkleinert und wiederverwendet werden, um einen Pullover oder einen Teppich herzustellen, aber sie wird nicht in eine andere Wasserflasche umgewandelt. Zumindest noch nicht. Von Forschern bei IBM und Stanford entwickelte Katalysatoren könnten es kosteneffektiv machen, Polyethylenterephthalat- oder PET-Kunststoffe zur Wiederverwendung als Flaschen in ihre chemischen Bestandteile aufzuspalten. Das Unternehmen arbeitet daran, seinen PET-Recycling-Katalysator im großen Maßstab zu testen, um ihn schließlich für den industriellen Einsatz zu entwickeln.



das größte Schwarze Loch

Kunststoffrecycling: James Hedrick, Wissenschaftler am Almaden Research Center von IBM, entwickelt Katalysatoren, die helfen, den PET-Kunststoff, der zur Herstellung dieser Flaschen verwendet wird, chemisch zu recyceln.

Die meisten Plastik-Getränkeflaschen bestehen aus PET, wie auch alles mit dem 1-Recycling-Stempel. Typischerweise wird der Kunststoff gewaschen, maschinell gemahlen und mit PET-Neuware vermischt, um ein Polymer herzustellen, das sich nicht für Verpackungen eignet, aber zur Herstellung von Sekundärprodukten wie Kleidung und Teppichen verwendet werden kann.





PET wird nicht chemisch, sondern mechanisch recycelt, weil es zu teuer ist, das Polymer in seine chemischen Bestandteile zu zerlegen, sagt Dennis Sabourin, Executive Director der Nationaler Verband für PET-Behälterressourcen , eine Handelsorganisation. Es gibt zwei existierende Methoden, um die chemische Reaktion durchzuführen, sagt Sabourin, aber sie sind sehr energieintensiv und wurden aus Kostengründen aufgegeben. Auch wenn bereits vorhandene Katalysatoren zur Unterstützung der Recyclingreaktionen verwendet werden, müssen diese Prozesse bei hohen Temperaturen und unter großem Druck durchgeführt werden und dauern lange. Wenn die neuen Katalysatoren auch nur einen Hauch von Erfolg haben, wäre das eine große Neuigkeit, sagt Sabourin.

Die Forscher von IBM und Stanford, die ihre Arbeit heute in der Zeitschrift beschrieben haben Makromoleküle , haben mehrere neue Katalysatoren entwickelt, von denen einer bei 75 °C in kurzer Zeit zum chemischen Recycling von PET verwendet werden kann. PET wird aus zwei Rohstoffen hergestellt, einer davon aus einer organischen Säure, der andere aus Ethylenglykol, das relativ kostengünstig ist. Der Katalysator arbeitet in einer Ethylenglykollösung. Wenn zerkleinerte Wasserflaschen in die Lösung gegeben werden, bewirkt der Katalysator, dass die organische Säure im Kunststoff mit dem gelösten Ethylenglykol reagiert, um PET herzustellen, das die gleiche Qualität hat, die ursprünglich für die Flaschenherstellung verwendet wurde.

Was ist das Schadensprinzip?

Die neuen Katalysatoren sind das Ergebnis eines jahrzehntelangen Forschungsprojekts bei IBM, um bessere Möglichkeiten zur Herstellung von Polymeren zu entwickeln, die als Isolierschicht in Computerchips verwendet werden. Diese Schichten werden traditionell mit metallhaltigen Katalysatoren hergestellt. Metallische Katalysatoren sind hochaktiv, lassen sich aber nach der Reaktion nur schwer entfernen und hinterlassen kleine Verunreinigungen, die dennoch die Leistung eines Chips beeinträchtigen können. Diese metallischen Verunreinigungen können auch auslaugen und zu einem Umweltschadstoff werden, wenn der Chip am Ende seiner Lebensdauer entsorgt wird. Die Entfernung dieses Katalysators ist zu teuer, daher haben wir uns auf die Suche nach einem neuen Weg zur Herstellung von Polymeren gemacht, sagt James Hedrick, leitender Wissenschaftler bei IBM Forschungszentrum Almaden in San Jose, Kalifornien.



Die IBM-Forscher wandten sich organischen Katalysatoren zu, deren Design biologischen Enzymen ähnelt.

Organische Katalysatoren stehen traditionell stark in der Kritik, weil sie eine geringe Aktivität haben und große Mengen davon benötigt werden, um eine Reaktion voranzutreiben, sagt Hedrick. Wir haben Katalysatorfamilien gefunden, die so aktiv sind wie metallische Katalysatoren, von denen einige gut für die Arbeit mit Isoliermaterialien für Chips geeignet sind und von denen andere mit PET arbeiten können. Um die Aktivität der Katalysatoren zu modellieren, haben die IBM-Forscher mit einer Computational-Chemie-Gruppe des Unternehmens zusammengearbeitet und sie im Labor experimentell nachgewiesen.

Was ist das neue Internet?

Der PET-Recycling-Katalysator, ein Molekül namens Carben, wurde von Vitamin B1 inspiriert, sagt der Chemieprofessor in Stanford Robert Waymouth . Die Forscher von Stanford und IBM vermuteten, dass ein ähnliches organisches kleines Molekül gut geeignet sein könnte, Reaktionen zu katalysieren, bei denen Ester aneinandergereiht werden, um lange Polymere herzustellen.

Die IBM-Forscher werden nun mit Forschern der König Abdulaziz Stadt für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien, um das chemische Recycling von PET im größeren Maßstab zu testen. Wir müssen sehen, ob das, was wir auf dem Labortisch entdeckt haben, in großen Reaktoren funktionieren kann, sagt Waymouth. In ersten Tests konzentrieren sie sich darauf, das Polymer in seine Bestandteile zu zerlegen. Das Unternehmen hat jedoch auch gute Ergebnisse bei der Verwendung seiner organischen Katalysatoren zur Depolymerisation von PET erzielt, um spezielle Materialien wie Rohstoffe für hochfeste Kunststoffe herzustellen, die wertvoller sind, aber auf anderen Wegen teuer in der Herstellung sind. Du fängst mit Müll an und baust ihn wieder zu höherwertigen Materialien auf, sagt Robert Allen , Senior Manager Advanced Materials Chemistry bei IBM Almaden.



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