Nach dem Global Plastics Outlook der OECD von 2022 wird sich der Plastikmüll weltweit bis 2060 verdreifachen. Aktuell werden nur 9 % davon recycelt. Der Rest wird deponiert, gelangt in die Umwelt oder wird unter Freisetzung von CO2 verbrannt. Eine „Circular Economy“ kann nicht nur das Plastikmüllproblem lösen, sondern verringert auch unsere Abhängigkeit von fossilen Ressourcen. Durch den Einsatz von chemischen Recyclingverfahren rückt diese Kreislaufwirtschaft für Plastik in greifbare Nähe. Bei der 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, die 50 % aller Kunststoffabfälle bzw. 70 % aller Kunststoffverpackungen in Europa ausmachen und aktuell meist verbrannt werden.
Ein Beispiel für die Anwendung von chemischem Recycling ist die Partnerschaft zwischen Magnum, dem saudi-arabischen Chemiekonzern Sabic und dem auf chemisches Recycling fokussierten Start-up Plastic Energy. Im Jahr 2021 wurden mehr als 30 Mio. Magnum-Becher aus chemisch recyceltem Polypropylen 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.
Recycling mittels Pyrolyse
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, erfolgt dies in einer Raffinerie und/oder in einem Steamcracker. Um Korrosion, Katalysatorvergiftung und andere Probleme zu vermeiden, darf der Rohstoff, der in die petrochemischen 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. Die Qualität der Pyrolyseprodukte hängt von der Qualität des Plastikabfalls ab, der verarbeitet wurde. Je verunreinigter der Müll zu Beginn ist, desto intensiver die spätere Aufreinigung. Deswegen ist eine Eingangskontrolle der Kunststoffabfälle essenziell.
Nach der Pyrolyse müssen sowohl Pyrolyseöl als auch das anfallende Abwasser untersucht werden. 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.
Metallanalyse von Pyrolyseöl
Die Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES) ist eine Technik, mit der eine Metallanalyse 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 der Emissionslinien können die in der Probe enthaltenen Elemente identifiziert und quantifiziert werden. Die Analyse von Pyrolyseöl bringt einige Herausforderungen mit sich. Es enthält stark variierende Elementkonzentrationen. Direkt nach der Pyrolyse kann der Anteil an Verunreinigungen sehr hoch sein, der Steamcracker benötigt jedoch ein sehr sauberes Produkt. Dank des großen Messbereichs von ppt bis Prozent liefert das ICP-OES-Gerät Plasmaquant 9100 Elite von Analytik Jena eine schnelle und eindeutige Entscheidungsbasis für Pyrolyseöl sowohl vor als auch nach potenziellen Aufreinigungsschritten. Eine hochauflösende Optik trennt die Interferenzen vom Signal. So lassen sich selbst niedrigste Elementgehalte wie etwa 0,3 ppb Eisen zuverlässig erfassen. Durch eine zuschaltbare Lichtabschwächung werden hohe Elementgehalte ebenfalls detektiert. Mit einer Generatorleistung von 1700 W können selbst unverdünnte Proben mit hohem Gehalt an organischen Verbindungen vom Plasmaquant 9100 problemlos gemessen werden. Ein spezielles Design der Plasmafackel stellt darüber hinaus sicher, dass sich keine Kohlenstoffablagerungen am Injektor bilden. Ein weiters Plus: Plasmaquant 9100 lässt sich bedenkenlos über Nacht abschalten und ist nach nur 15 min Aufwärmphase wieder voll einsatzbereit.
Nichtmetall-Analyse von Pyrolyseöl
Mit der Elementaranalyse lassen sich Nichtmetalle wie Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoff und Halogenide im Pyrolyseöl quantitativ analysieren. 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 mithilfe selektiver Detektionsprinzipien. Der Elementaranalysator multi EA 5100 ist hierfür sehr gut geeignet. Für die Analyse von Pyrolyseöl bietet er Vorteile in drei entscheidenden Bereichen:
- Eine Verdünnung des hochviskosen Pyrolyseöls wird durch das beheizte Probengabesystem des multi EA 5100 obsolet. Das Öl wird direkt injiziert.
- Das Pyrolyseöl verbrennt unter normalen Bedingungen unkontrolliert und unvollständig. Der multi EA 5100 überwacht und optimiert automatisch die Verbrennung der Probe mittels eines Flammensensors. Das Resultat ist eine völlig rußfreie, gefahrlose und komplette Verbrennung in kürzester Zeit.
- Die stark variierenden Cl-Gehalte des Pyrolyseöls sind für den multi EA 5100 kein Problem. Mittels einer speziellen Sensorelektrode kann das Gerät sogar 10 ng Chlor zuverlässig nachweisen. Gleichzeitig ist auch die Quantifizierung von 1 mg Chlor ohne vorherige Verdünnung der Probe möglich. Um kleine Gehalte quantifizieren zu können, ist die elektrochemische Zelle des multi EA 5100 gekühlt, damit keine Elektrolytlösung evaporiert, und lichtgeschützt, um unerwünschte photochemische Reaktionen zu verhindern. Der Multi EA 5100 verhindert den Rückfluss der konzentrierten Schwefelsäure für die Messgastrocknung und schützt damit sowohl den Anwender als auch das teure Analysengerät. 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.
Analytik Jena, 07745 Jena
Autorin: Dr. Simone Beatrice Moos
Technical Product Manager,
Analytik Jena
