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04.09.2018

Kunststoff, der sich im Meer zersetzt

Abbau mit Salzwasser gezielt auslösen

Im Meer treibende Plastikabfälle sind ein Stachel im Fleisch der Kunststoffindustrie. Könnte man einfach den Schalter umlegen, dass sie beim Kontakt mit dem Meerwasser anfangen, sich aufzulösen, wäre das Problem mit dem Marine Littering zumindest geringer. Genau daran arbeitet ein Doktorand am Fachbereich Chemieingenieurwesen der FH Münster.

  • Erstversuch: Das verarbeitete Katalysator-Pulver (Titandioxid) erscheint noch relativ inhomogen (weiße Flecken) in einer Polypropylen-Probe (© FH Münster)

    Erstversuch: Das verarbeitete Katalysator-Pulver (Titandioxid) erscheint noch relativ inhomogen (weiße Flecken) in einer Polypropylen-Probe (© FH Münster)

  • Voruntersuchungen am UV-LED-Photoreaktor: PVA (Polyvinylalkohol) wird unter Einwirkung des verkapselten Katalysators in Meerwasser abgebaut, nicht aber in Leitungswasser (© FH Münster)

    Voruntersuchungen am UV-LED-Photoreaktor: PVA (Polyvinylalkohol) wird unter Einwirkung des verkapselten Katalysators in Meerwasser abgebaut, nicht aber in Leitungswasser (© FH Münster)

  • Aufgeklappte Knetkammer: Max Volhard entnimmt seine mit dem Katalysator vermischte Kunststoffprobe. Dabei … (© FH Münster)

    Aufgeklappte Knetkammer: Max Volhard entnimmt seine mit dem Katalysator vermischte Kunststoffprobe. Dabei … (© FH Münster)

  • … wird das zuvor erwärmte und verarbeitete Material (hier: Polystyrol) zur weiteren Verarbeitung von den Knethaken abgeschabt (© FH Münster)

    … wird das zuvor erwärmte und verarbeitete Material (hier: Polystyrol) zur weiteren Verarbeitung von den Knethaken abgeschabt (© FH Münster)

  • Einwiegen von PS-Granulat für die Kunststoffherstellung (© FH Münster)

    Einwiegen von PS-Granulat für die Kunststoffherstellung (© FH Münster)

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„Der Katalysator Titandioxid ist spezialisiert darauf, Radikale zu bilden, die den Kunststoff zersetzen beziehungsweise mineralisieren können“, erläutert Max-Fabian Volhard, und spricht dabei nicht von dem bekannten Weißpigment, sondern von der sogenannten Anatas-Modifikation (siehe Infobox unten). Sie reagiert auf Sonnenlicht und könnte als Additiv im Kunststoff den Abbau von mehreren hundert Jahren auf wenige Jahre beschleunigen. Übrig bleibt im Idealfall am Ende nur Wasser und Kohlenstoffdioxid, wenn der Zusatzstoff zuvor ausreichend homogen im Kunststoff verteilt war.

Den Katalysator vorübergehend deaktivieren

Das Problem ist jedoch, dass der Katalysator ab dem Moment der Herstellung eines Produkts wirkt. „Wir wollen den Katalysator beschichten, damit die Radikale nicht nach außen dringen können und den Kunststoff nicht zu früh mineralisieren“, erklärt Volhard die Kernidee, die er und sein betreuender Professor Dr. Thomas Jüstel derzeit untersuchen. Wenn sie funktioniert, könnten Kunststoffe unter normalen Gebrauchsbedingungen stabil sein, beim Kontakt mit Salzwasser aber rasch zerfallen.

Volhard und Jüstel setzen dabei auf eine Beschichtung mit Polyphosphat, die sehr sensitiv auf Salze reagiert. Im Kontakt mit Leitungs- oder Mineralwasser würde nichts passieren, aber im salzigen Meerwasser löst sich das Polyphosphat auf und gibt somit die Radikale frei, die den treibenden Plastikmüll zersetzen. Die Idee hat Jüstel aus der Biochemie adaptiert, ein Patent dazu haben die beiden Wissenschaftler nach eigenen Angaben bereits angemeldet.

Die Modifikation der Kunststoffe erfolgt über eine Verkapselung des Katalysators, wobei sich je nach Größe der Mikro- oder Nanometer großen Kapseln unterschiedliche optische Eigenschaften ergeben würden. Der Wirkbereich einer Katalysator-Kapsel beträgt nach Angaben von Volhard bis zu etwa einem Millimeter. Im Idealfall würden die modifizierten Kunststoffe dann nur noch maximal zehn Jahre brauchen, bis sie sich in der Natur vollständig zersetzt haben.

Vorstudien mit wasserlöslichem Kunststoff

Ob das Konzept funktioniert, hat Volhard bisher nur im Labor an PVA (Polyvinylalkohol) untersucht. Der wasserlösliche Kunststoff habe – in Leitungswasser und im Meerwasser gelöst – das gewünschte Verhalten in einem UV-LED-Photoreaktor (Bild 2) gezeigt ( Poster als Download ). Fraglich ist aber, ob dieses System als Modell für nicht lösliche Kunststoffe taugt.

Volhard verarbeitet deshalb derzeit Kunststoffe und Katalysatoren in der Knetkammer (Bild 3 und 4) des Labors für Kunststofftechnologie von Prof. Dr. Reinhard Lorenz und plant unterschiedliche Langzeitversuche mit industrieüblichen 1000 Stunden Dauer, in denen er Abbauprodukte von zunächst Polystyrol, dann auch von PET, PE und PP nachweisen will.

Dr. Karlhorst Klotz

Modifikationen von Titandioxid

Titandioxid kann in verschiedenen Modifikationen vorliegen – Rutil, Anatas und Brookit, das kaum Verwendung findet. Rutil wird üblicherweise als Weißpigment in der Wandfarbe verwendet. Der Grund hierfür ist seine geringe photochemische Reaktivität.

Anatas ist dafür bekannt, dass es ab 3,2 eV starke photokatalytische Aktivität aufweist. Für die hier Experimente an der FH Münster wurde daher Titandioxid in der Modifikation Anatas verwendet.

Weiterführende Information
  • 16.08.2018

    Mikroben verstoffwechseln Biokunststoff

    Untersuchungen der ETH Zürich bestätigen Abbau

    Forschern der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und der Eawag ist der wissenschaftliche Nachweis gelungen, dass biologisch abbaubarer Kunststoff durch Mikroben zu Kohlendioxid mineralisiert und in Biomasse umgewandelt wird.   mehr

  • 18.09.2017

    Kunststoff-fressende Raupe in Mainz entzaubert

    Hackfleisch und Ei reproduzieren angebliche PE-Abbau-Messergebnisse

    Großes Aufsehen erregte im April die Meldung über Raupen, die nicht nur Löcher durch Kunststofftragetaschen bohren, sondern nach Messungen von Wissenschaftlern Polyethylen sogar verdauen können. Mainzer Chemiker vermuten nun allerdings Messfehler bei ihren Kollegen.   mehr

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