Neues Verfahren am LIKAT zur Umwandlung von Polyethylen in Nylon-Grundstoffe
Das Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock hat eine innovative Methode entwickelt, um Polyethylen, den Hauptbestandteil von Plastikmüll, selektiv in Dicarbonsäuren umzuwandeln. Diese Verbindungen können als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Nylon dienen, einem weit verbreiteten Polyamid, das bisher hauptsächlich aus Erdöl gewonnen wird. Die neue Reaktion erfolgt unter milden Bedingungen und benötigt keinen Katalysator. Ziel ist es, das Verfahren auf Technikumsmaßstab zu bringen, wobei die Steigerung der Selektivität und die Aufklärung der Reaktionsmechanismen im Fokus stehen.
Herausforderungen der bisherigen Recyclingverfahren
Polyethylen und Polypropylen bilden zusammen etwa 80 % des weltweit anfallenden Kunststoffmülls, mit geschätzten 400 Millionen Tonnen jährlich. Die bisher verbreitete Methode zur chemischen Wiederverwertung, die Pyrolyse, verbrennt den Kunststoff bei Temperaturen bis zu 600 °C. Obwohl hierbei kein direktes CO2 freigesetzt wird, verursacht der hohe Energiebedarf einen erheblichen CO2-Fußabdruck, der zunehmend kritisch bewertet wird. In den USA wurden deshalb bereits Pyrolyseanlagen stillgelegt.
Alternative Ansätze mit reaktiven Sauerstoffspezies
Als Alternative werden katalytische oxidative Prozesse untersucht, bei denen sogenannte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) an der Oberfläche von Polyethylen entstehen und das Polymer chemisch zersetzen. Diese Verfahren erfordern jedoch hohen Druck und basieren oft auf Edelmetall-Katalysatoren, was die Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit einschränkt. Zudem bergen hohe Drücke Sicherheitsrisiken.
Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens mit verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid
Auf Basis von Literaturrecherchen entdeckte das LIKAT-Team Berichte über die Oxidation von Polyethylen mit konzentrierter Salpetersäure bei hohen Temperaturen. Ziel war es, diesen Prozess zu vereinfachen und milder zu gestalten. Seit April 2026 arbeitet Dr. Satyajit Panda im Team an einer Methode, bei der Polyethylen in verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid bei maximal 120 °C umgesetzt wird. Dabei löst sich das Polymer sichtbar auf. Die Steuerung der Reaktion erfordert jedoch eine präzise Temperaturführung, da Zwischenprodukte sonst zu unerwünschten Nebenprodukten führen.
Selektivität und Zielprodukte
Dicarbonsäuren mit unterschiedlichen Kettenlängen entstehen bei der Reaktion. Während frühere Studien eher unspezifische Kettenlängen für Tenside nutzten, liegt der Fokus der LIKAT-Forscher auf Dicarbonsäuren mit genau sechs Kohlenstoffatomen, die als Ausgangsstoff für Nylon besonders geeignet sind. Im Experiment konnte die Produktverteilung bereits auf Kettenlängen zwischen vier und zehn Kohlenstoffatomen eingegrenzt werden. Die weitere Verbesserung der Selektivität erfolgt in Zusammenarbeit mit der Universität Rostock, unterstützt durch eine beantragte DFG-Förderung.
Aufklärung des Reaktionsmechanismus und Kooperationen
Parallel zur Verfahrensoptimierung wird der Reaktionsmechanismus eingehend untersucht, um die Bildung und Geschwindigkeit der Zwischenprodukte besser zu verstehen. Zusätzlich besteht eine Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Guayaquil in Ecuador, die den Einfluss von Licht auf die reaktiven Sauerstoffspezies in photochemischen Experimenten analysieren.
Potenzial für eine nachhaltige Rohstoffbasis
Weltweit werden jährlich etwa acht Millionen Tonnen Polyamid produziert, überwiegend aus fossilen Rohstoffen. Das beschriebene Upcycling-Verfahren könnte einen bedeutenden Teil des Plastikmülls als alternative Rohstoffquelle erschließen. Dies würde nicht nur ökologische Vorteile bringen, sondern auch die Nylon-Industrie unabhängiger von Erdöl machen.
Ausblick
Die Forschungsergebnisse werden derzeit für eine Veröffentlichung im Journal of the American Chemical Society vorbereitet. Zudem wurde das LIKAT-Team eingeladen, die Ergebnisse im Dezember auf der Southeast Asia Catalysis Conference in Singapur vorzustellen.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dr. Esteban Mejía
E-Mail: Esteban.Mejia@catalysis.de
