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Nachhaltigkeit und Recycling

Skripte
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Einführung

Kunststoffe sind wohl einer der bedeutendsten Werkstoffe der Moderne. Neben denjenigen, die wir aus dem Alltag kennen, wie PVC oder PET gibt es eine ganze Palette an Hochleistungskunststoffen, die zentrale Rollen in der Entwicklung neuer Technologien einnehmen. Beispielhaft sei hier die OLED-Technik (organic light-emitting diode) genannt, welche in Form von flexiblen Displays ihre Anwendung findet. Daneben spielen unter anderem auch Carbonfasern als Bestandteile hochwertiger Faserverbundwerkstoffe eine wichtige Rolle.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 1: Kunststoffe als OLED (oben) und Carbonfaser: die dünnere der beiden (unten).

Da Kunststoffe ein zentrales Element in der modernen Welt darstellen, gilt es, sich auch kritisch mit ihnen auseinander zu setzen. Wir wollen in diesem Skript nicht das Produkt an sich ins Zentrum stellen, sondern diverse Aspekte im Leben eines Kunststoffes – angefangen bei den Rohstoffen und der Produktion über das Recycling bis hin zu Umweltproblemen, die sich aus achtlos weggeworfenem Plastikmüll ergeben.

Nachhaltigkeit in Produktion und Nutzung

Rohstoffe

Die Petrochemie ist der Teilbereich der Chemie, der sich mit den Edukten der Kunststoffproduktion beschäftigt. Ihr Ziel ist es, organische Grundchemikalien aus Erdöl und Erdgas zu gewinnen. Der zentrale Rohstoff der petrochemischen Industrie ist das Naphtha, welches von den Raffinerien geliefert wird. Bei Naphtha handelt es sich um ein Rohbenzin, welches eine Mischung diverser Kohlenwasserstoffe wie Alkane und Aromaten enthält. Aus diesem Gemisch lassen sich mithilfe eines Steamcrackers kurzkettige Kohlenwasserstoffe gewinnen, die ein zentrales Element der gesamten Kunststoffproduktion darstellen. Der Steamcracker ist eine großtechnisch Einrichtung (vgl. Abb.2), in welcher das Steamcracking umgesetzt wird. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei welchem Wasserdampf (engl. steam) dazu verwendet wird, langkettige Kohlenwasserstoff zu spalten (engl. to crack). Hierbei fallen Produkte wie Ethen ($\text{C}_{2}\text{H}_{4}$) und Propen ($\text{C}_{3}\text{H}_{6}$) an, welche eine enorme Bedeutung für die Kunststoffindustrie besitzen.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 2: Schematische Darstellung eines Steamcrackers
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling Abb. 2: Schematische Darstellung eines Steamcrackers

Ethen haben wir bspw. im Zusammenhang mit der Radikalischen Polymerisation (vgl. ChemieLV-Skript Polymersynthese I: Radikalische Polymerisation) als Edukt von Polyethylen kennen gelernt. Dieses findet je nach Struktur in Form von Folien oder Rohrleitungen vielfach Verwendung.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 3: Ethen und Propen als wichtige Produkte des Steamcrackens
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling Abb. 3: Ethen und Propen als wichtige Produkte des Steamcrackens

Neben Ethen wird insbesondere auch Propen gewonnen (vgl. Abb.3). Dieser ungesättigte Kohlenwasserstoff stellt eine der zentralen Grundchemikalien der organischen Chemie dar und wird bspw. in Form von Polypropylen als Kunststoff verwendet.

Beim Spaltprozess der langkettigen Kohlenwasserstoffe fallen neben klimaschädlichen Abgasen (Methan und Propan bspw.) auch große Mengen an Abwärme an. Um diese Probleme bestmöglich zu beheben, werden die genannten Abgase wieder dazu verwendet, den Steamcracker zu beheizen. Auch große Teile der Abwärme können dem Prozess wieder zugeführt werden und finden so einen sinnvollen Nutzen. Wasser, welches im Rahmen des Prozesses entsteht, muss in Kläranlagen wiederaufbereitet werden, sodass letzten Endes alle Reste von Kohlenwasserstoffen daraus entfernt sind.

Großtechnische Produktion von Kunststoffprodukten

Thermoplaste: Extrusion und Spritzgießen

Im Falle von Thermoplasten wollen wir an dieser Stelle insbesondere die beiden Verfahren der Extrusion und des Spritzgießens betrachten. Kurz zusammengefasst weisen Thermoplaste folgende Eigenschaften auf:

  1. Aufgebaut aus langkettigen, schwach verzweigten Makromolekülen.
  2. Erhöhte Temperaturen führen zu erhöhter Beweglichkeit der Makromoleküle.
  3. Thermoplaste zeigen ein Schmelzverhalten: Sie werden weich und verformbar.

Ausführliche Informationen zu den Thermoplasten findest du im ChemieLV-Skript Makromoleküle - Struktur und Eigenschaft. Aufgrund ihrer Eigenschaften können Thermoplaste in viele verschiedene Formen gebracht werden. Wir wollen nun einen Blick auf das technische Vorgehen werfen.

Der Extruder

Am Beginn aller Verarbeitungsverfahren von Thermoplasten steht das Schmelzen des Rohmaterials. Bedenke, dass die Eigenschaften des angestrebten Produkts vor allem auch durch die Zugabe verschiedener anderer Stoffe, wie Weichmacher bspw., entscheidend beeinflusst werden können. Das Schmelzen des als Granulat vorliegenden Kunststoffs erfolgt in einem Extruder, der Ähnlichkeit mit einem Fleischwolf aufweist (vgl. Abb. 4).

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 4: Schematische Skizze eines Extruders
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 4: Schematische Skizze eines Extruders

Das Kunststoffgranulat und die Zusätze gelangen in den Extruder und werden dort unter Druck durch die Drehungen einer Schnecke Richtung Öffnung befördert. Gleichzeitig sorgen Heizelemente dafür, dass das Rohmaterial schmilzt. Im Anschluss können verschiedene weitere Schritt die Verarbeitung bestimmen.

  1. Extrusion: Durch das Vorschalten einer formgebenden Düse entstehen unter Kühlung bspw. Rohre unterschiedlicher Länge. Der Durchmesser hängt in diesem Fall dann von dem vorgeschalteten Werkzeug ab.
  2. Spritzgießen: Mithilfe dieser Technik können qualitativ hochwertige Formteile hergestellt werden, die etwas in der Automobilbranche Verwendung finden.

Duroplaste

Duroplaste sind viel unflexibler als Thermoplaste, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften (vgl. ChemieLV - Skript Makromoleküle-Struktur und Eigenschaft) sehr stabile Materialien darstellen. Aus diesem Grund gibt es zwei Möglichkeiten der Verarbeitung.

  1. Liegt der Kunststoff als Duroplast vor, dann beschränkt sich die Weiterverarbeitung auf mechanische Arbeitsschritte, wie Schleifen und bspw. Sägen. Eine thermische Verarbeitung ist aufgrund der Eigenschaften eines Duroplasts nicht möglich (vgl. ChemieLV-Skript Makromoleküle-Struktur und Eigenschaft)
  2. Eine andere Möglichkeit stellt die Herstellung von duroplastischen Formteilen dar. Hier werden entsprechende Ausgangsstoffe verwendet, die durch Wärme und Druck in Form gebracht werden können und erst anschließend mithilfe von Katalysatoren oder Energiezufuhr zu Duroplasten umgesetzt werden.

Recycling

Eines der zentralen Probleme des 21. Jahrhunderts dreht sich um das Recycling von Materialien. Neben sehr prominenten Rohstoffen wie bspw. Kupfer, die auf dem Weltmarkt sehr hohe Preise erzielen, lohnt es sich auch Kunststoffe, wiederzuverwerten.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 5: Das Recycling von Materialien kommt dem Geldbeutel und der Umwelt zugute.

Dieser Aspekt bezieht sich jedoch nicht nur auf den Preis eines gewinnbringenden Rohstoffs, sondern vor allem auch auf ein umweltbewusstes Handeln der modernen Gesellschaft.
Für das Recycling von Kunststoffabfällen kommen vor allem zwei Varianten in Frage: Die stoffliche und die energetische Verwertung.

  1. Stoffliche Verwertung: Thermoplaste sind geeignet für die stoffliche Verwertung, da sie aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften dem Produktkreislauf wieder als Rohstoff zugeführt werden können. Durch Vermischen mit neuen Materialien und anschließendem Schmelzen können so neue Produkte gewonnen werden. Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass sich die Qualität dieser recycelten Materialen von neuen stark unterscheiden kann. Der Grund ist in dem Zustand der Makromoleküle begründet, die das recycelte Material nach seinem Gebrauch aufweist. Bei starker Beanspruchung sind auch die Bausteine eines Kunststoffes unter Umständen stark geschädigt, was zur Qualitätsminderung führt.

  2. Energetische Verwertung: Im Falle von Duroplasten, kommt eine stoffliche Verwertung nur unter speziellen Umständen in Frage (zum Beispiel in Form von Granulat als Füllmaterial). Aus diesem Grund werden Plastikabfälle dieser Art für eine energetische Verwertung in Betracht gezogen. Besitzen solche Kunststoffe hohe Heizwerte, die vergleichbar mit denen von Kohle oder Heizöl sind, dann führt eine solche energetische Verwertung dazu, dass die gewonnene thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann und somit zur Stromversorgung beiträgt.

Abbauprodukte in der Umwelt

Kunststoffe gehören wohl zu den bedeutendsten Werkstoffen der Moderne. Die jährliche Produktion in Tonnen liegt Schätzungen nach im unteren dreistelligen Millionenbereich. Wir haben bereits Methoden des Kunststoffrecyclings kennen gelernt, doch ist es nicht möglich, alle „verbrauchten“ Produkte der Wertschöpfungskette wieder zuzuführen. Daher verbleibt überschüssiger Kunststoffmüll.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 6: Plastikmüll an Stränden der dominikanischen Republik und Indien.

Anmerkung:

Das Verhalten von Kunststoffen in der Umwelt ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Aus diesem Grund kann dieses Thema sehr schnell sehr komplex werden. Das folgende Kapitel soll dir einen kleinen Einblick in diese komplexe Welt geben. Folglich geht es hier vor allem darum, dass du einige Aspekte des Kunststoffabbaus in der Umwelt kennen lernst und anhand des Fallbeispiels auch die Dimensionen abzuschätzen weißt, die dieses Problem umfasst.

Grundlagen: Abbau von Kunststoffen

Der Abbau von Kunststoffen kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen, von denen hier beispielhaft drei angegeben sind:

  1. physikalischer (mechanischer) Abbau: Kunststoffe werden bspw. durch Bruch zerkleinert.
  2. chemischer Abbau: Chemische Bindungen von Polymeren werden gespalten.
  3. biologischer Abbau: Kunststoffe können Moleküle wie Stärke enthalten, die durch Mikroorganismen abgebaut werden.

Das Resultat der verschiedenen Abbauprozesse kann sich stark voneinander unterscheiden. Der mechanische Abbau von Kunststoffen führt etwa zur Produktion kleinerer Aggregate unterschiedlicher Geometrien. So stellen insbesondere ringförmige und netzartige Abbauprodukte im Anschluss eine Gefährdung für Lebewesen dar, da sich diese unter Umständen nicht aus jenen befreien und sich somit lebensbedrohliche Verletzungen zuziehen können. In Abbildung 7 ist die Gefährdung von Küstenvögeln durch Plastiknetze zu sehen, die letztlich zur Strangulation führen können.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 7: Gefährdung durch Plastik.

Im Falle von biologischem Abbau spielen insbesondere Kompositkunststoffe eine wichtige Rolle, die sowohl aus biologisch abbaubaren als auch aus biologisch nicht abbaubaren Teilen bestehen. Der Abbau eines Teils des Materials führt dazu, dass relativ große Mengen an stabilen Kunststoffpartikeln geringer Größe (mm und kleiner) in die Umwelt gelangen.

Die photochemische Spaltung

Wir wollen uns an dieser Stelle aber vor allem mit dem chemischen Abbau am Beispiel der durch Sonnenlicht induzierten photochemischen Spaltung beschäftigen.
Dazu folgende Informationen:

  1. Chemische Reaktionen können durch elektromagnetische Strahlung (Licht) hervorgerufen werden. Dabei werden Bindungen gespalten.
  2. Insbesondere energiereiche Strahlung, wie UV-Strahlung, kommt hierfür in Frage.
  3. Oft ist auch Sauerstoff $\text{O}_{2}$ (bzw. eine besondere Variante davon) aufgrund seiner hohen Reaktivität beteiligt.
Wir betrachten nun den Abbau von Polyethylen:

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling Abb. 8: Photochemische Spaltung von Polyethylen
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling Abb. 8: Photochemische Spaltung von Polyethylen

Eine wichtige Rolle spielt hier die Carbonylgruppe $-\text{CO}-\text{R}_{2}$, die in Wechselwirkung mit der einfallenden, energiereichen Strahlung tritt. Diese Wechselwirkung führt im Anschluss zur Spaltung des Polymers in kleinere Bausteine.
Polyethylen ist nur ein Beispiel für eine Vielzahl photochemisch aktiver organischer Substanzen. Das bedeutet, dass Polymere in Plastikabfällen in vielen Fällen anfällig für Sonnenstrahlung sind und unter deren Einfluss langsam verwittern. Die Folge ist der Zerfall in viele kleine Partikel, die für das Auge nicht mehr sichtbar sind.
Die Akkumulation (Anhäufung) von Kunststoffpartikeln aller Größen führt zu zweifelhaften Wundern, wie dem nordpazifischen Müllstrudel.

Fallbeispiel: Der Müllstrudel

Sogenannte „Müllstrudel“ entstehen durch das Zusammenspiel natürlicher, durch Wind hervorgerufener Wirbel ozeanischer Oberflächengewässer (Meeresdriftströme) und dem darin enthaltenen Müll. Hierbei spielen insbesondere die gerade angesprochenen Abbauphänomene eine wichtige Rolle. Problematisch ist dabei, dass das vorliegende Material in vielen Fällen verhältnismäßig lange Zeiträume der Natur ausgesetzt ist und somit immer weiter zerkleinert bzw. abgebaut wird. Die Folge ist eine Vielzahl von unterschiedlichen bedenklichen Resultaten, von denen hier nur einige stellvertretend genannt werden sollen.

Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Makromoleküle: Nachhaltigkeit und Recycling
Abb. 9: Größte Meeresdriftströme der Weltmeere

  1. Je feiner die Kunststoffpartikel, desto höher die Chance der Aufnahme durch Meereslebewesen. Infolgedessen gelangen Kunststoffe in die Nahrungskette.
  2. Bei sehr feinen Partikeln ist die Reaktivität unter Umständen stark erhöht, insbesondere was deren Oberfläche angeht.
  3. Giftige und krebserregende Stoffe lagern sich an Kunststoffpartikel an und schädigen bei Aufnahme den Organismus von Lebewesen.

Zusammenfassung

  1. Kunststoffe gehören zu den wichtigsten Werkstoffen des 21. Jahrhunderts.
  2. Der Rohstoff von Kunststoffen wird als Naphta bezeichnet und stellt ein Gemisch von verschiedenen Kohlenwasserstoffen dar. Dieser wird von der petrochemischen Industrie verarbeitet.
  3. Der Prozess des Steamcracking liefert die Grundchemikalien der Kunststoffindustrie, wie Ethen und Propen.
  4. Die Verarbeitung von Kunststoffen erfolgt auf Basis ihrer Eigenschaften; für Thermoplaste kommt bspw. Extrudieren und Spritzgießen in Frage.
  5. Recycling ist unter stofflichen und energetischen Gesichtspunkten möglich.
  6. Kunststoffe werden in der Umwelt biologisch, physikalisch oder chemisch abgebaut. Ein zentraler chemischer Prozess ist die photochemische Spaltung.
  7. Die Folgen der Umweltverschmutzung durch Kunststoffmüll werden in Phänomenen wie dem nordpazifischen Müllstrudel deutlich.

Bildnachweise [nach oben]
[1]
https://goo.gl/o8Sux4 – OLED EarlyProduct, meharris und
https://goo.gl/YFkZiz – Cfaser haarrp, Anton CC-BY-SA 3.0
[2]
Public Domain
[3]
© SchulLV
[4]
Public Domain
[5]
Public Domain
[6]
https://goo.gl/MQ2d48 – Dominican Republic - trashed beach, Piotrus und
https://goo.gl/fPW44C – Waste cocobeach india, Hajj0 ms CC-BY-SA 3.0
[7]
https://goo.gl/0w7xTy – Basstoelpel-Helgoland (cropped), Engelberger CC-BY-SA 3.0
[8]
© SchulLV
[9]
Public Domain
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