Recycling

3.1. Vorteil als Schwäche Um komplexe Kunststoffe mit spezifischen, gewollten Eigenschaften herzustellen, haben Ingenieure und Naturwissenschaftler sich einzelne Teile des Kohlenstoffs, die von natürlichen Rohstoffen stammen, bedient. Dabei wurde nicht beachtet, dass diese Polymere ökologisch abbaubar sein müssen. Die auf der einen Seite erwünschte Haltbarkeit von Kunststoffen macht sie auf der anderen Seite in der Regel für Abbaureaktionen im Wasser oder im Boden unzugänglich. Aus diesem Grunde muss der Mensch Lösungen finden, die Kunststoffe entweder wieder zu verwerten oder sie in den natürlichen Ökokreislauf zurückzuführen. Man unterscheidet folgende Lösungswege:

· Abbau von Kunststoffen

· energetisches Recycling
· stoffliches Recycling



3.2. Ökonomie und jüngere Geschichte

Das Recycling von Werkstoffen hat auch immer was mit Ökonomie zu tun, d.h. bis 1989 wurden Werkstoffe aus gebrauchten Gütern nur dann in den Pruduktionsgang zurückgeführt, wenn die Erlöse die Kosten zumindest gedeckt haben.
Ein gutes Beispiel hierfür liefert die Autoindustrie. Die Reste der Massen an Altautos verschwinden sofort und zwar ohne das öffentliche Mittel in Anspruch genommen werden, dies liegt daran (Stand 1989), dass bisher in kritischen Zeiten der höhere Wert der wiedergewonnenen Buntmetalle die Defizite beim Stahl- und Eisenschrott zumindest mitgetragen hat.
Nun schwillt allerdings in allen Ballungszentren der Industrienationen die Übervölkerung einerseits und der Werkstoffverbrauch andererseits lawinenartig an, so dass Probleme mit der Entsorgung entstehen. Deutschland verfügt in seinem Westteil nur über eine beschränkte Verbrennungskapazität, welche allerdings durch verschärfte Emissionsgesetze weiter verringert wurde.
Die nach wie vor wichtigste Entsorgungsmöglichkeit ist das Deponieren, es ist mit 40DM/t bis 100DM/t die billigste Entsorgungsvariante. Allerdings kommt es vor allem in Deutschland schnell zu einer Erschöpfung der vorhandenen Deponien und damit wird die Frage immer drängender, wohin mit dem Müll. Mehr oder weniger, und vor allem in Ballungsgebieten ist dies weltweit das gleiche Problem.
Hierdurch wird die Ökologie zu einer die Ökonomie zunehmenden übertreffenden Triebkraft. Das Bundesabfallgesetz der BRD verlangt die Vermeidung von Abfall und wenn die nicht möglich ist, die darin enthaltenen Wertstoffe wiederzugewinnen (Recycling von Kunststoffen S.55, s. Literaturnachweis). Am 10.11.1989 wurde dem ein Beschluß des Bundesrats nachgeschoben, der umweltfreundliche Rohstoffe für die Herstellung der Kunststoffe fordert. Bereits ein Jahr früher war dem eine Verordnung vorausgegangen, die die Rücknahme und Pfanderhebung von Getränkeverpackungen (BGB1 I S.2455) fordert.
Allerdings wurde diese Verordnung wenig später durch das erlassene Verpackungsgesetz überholt. Diese verlangt die Rücknahme jeder Überverpackung durch den Handel bzw. der Industrie.



3.3. Sammeln, Trennen, Lagern

Bevor Kunststoffe jedoch dem eigentlichem Recycling zugeführt werden können, müssen diese "pur" vorliegen, d.h. sie müssen von Fremdstoffen, wie z.B. Metallen und Farben usw. getrennt werden. Diese Aufgabe übernimmt in Deutschland (im Bereich Hausmüll) vorwiegend das "Duale System Deutschland", da allerdings die Trennvorgänge größtenteils physikalisch ablaufen, sind sie für die chemische Betrachtung nicht weiter von Belangen. Bei den folgend vorgestellten Verfahren hat das "Trennverfahren" meistens schon statt gefunden.



3.4. Abbaubare Polymere


3.4.1. natürlicher Abbau

Bei dem Gedanken des "natürlichen Abbaus" geht man davon aus, dass das stoffliche Recycling zwar ein sehr wichtiger Aspekt des Kunststoffrecyclings ist, aber an seine Grenzen stoßen wird, da lediglich 25% des Kunststoffmülls wiederverwertbar sind (z.B. PET- und PE-Flaschen).

Der größte Teil des anfallenden Mülls setzt sich allerdings aus verschiedenen Kunststoffarten zusammen (diese werden Blends genannt). Diese Materialien müssen also so modifiziert werden, dass sie, einmal deponiert, rasch zu Substanzen abgebaut werden, welche die Natur in ihrem Ökokreislauf einbeziehen kann. Das führt zu dem Konzept, neue abbaubare Materialien herzustellen. Materialien wie Kunststoffe, die hervorragende Eigenschaften besitzen und unter den richtigen Bedingungen wie ihre organischen Gegenstücke zerfallen. Also Materialien/ Kunststoffe die kompostierbar sind, d.h. im biologischen Kohlenstoff-Kreislauf (s. Abb.) sollten sie völlig abgebaut werden.


3.4.2. labile Bausteine

Abbaubare Kunststoffe müssen in der Polymerkette labile Bausteine enthalten, an denen eine
· photochemische,

· biologische oder
· chemische

Zersetzungsreaktion ansetzen kann.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, solche Bausteine als Additive in den Kunststoff einzubringen.
Obgleich abbaubare Kunststoffe in biologisch, photochemisch oder chemisch abbaubare unterteilbar sind, darf man nicht davon ausgehen, dass sich diese Mechanismen gegenseitig ausschließen. Sie sollten gemeinsam wirken, d.h. gleichzeitig oder aufeinanderfolgend.



® photochemisch abbaubare Kunststoffe
Lichtempfindliche Gruppen oder Additive enthaltende Polymere zerfallen unter dem Einfluss von Sonnenlicht in einem über radikale ablaufenden Prozess zu kürzeren Kettenbruchstücken. Diese können durch Mikroorganismen (biologischer Abbau), fortschreitenden Photoabbau, oder chemische Reaktion weiter zersetzt werden.
Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die photochemisch abbaubaren Polymersysteme (Stand 1989).


® biologisch abbaubarer Kunststoff
Als biologischen Abbau bezeichnet man den Abbau organischer Stoffe durch Mikroorganismen.
Es gibt eine Reihe biologisch abbaubarer Kunststoffe. Auf eine Gattung der Polymere natürlicher Herkunft soll hier etwas näher eingegangen werden. Den
Kunststoffen auf Basis von Cellulose und Stärke.
Natürliche Biopolymere wie Cellulose und Stärke sind problemlos biologisch abbaubar.





Sie zersetzen sich nur im Boden, in Abwässern und im Meer. Der Einbau von Biopolymeren dieses Typs in synthetische Polymere müßte theoretisch zu einer neuen Generation biologisch abbaubarer Kunststoffe führen. Natürliche Polymere bieten den wasserlöslichen Enzymsystemen der Mikroorganismen einen "Ankerplatz" auf der Polymeroberfläche. An einem solchem Ausgangspunkt kann man eine enzymatische Reaktion ansetzen, die zum Zusammenbruch der synthetischen Polymerketten führt. Das natürliche Polymer dient als Kohlenstoffquelle für Mikroorganismen, die dadurch unspezifisch oxidierend wirkende Enzyme freisetzen, die ihrerseits die synthetischen Makromoleküle angreifen und biologisch zersetzen können.

® chemisch abbaubarer Kunststoff
Zur Gruppe der chemisch abbaubaren Kunststoffe gehören solche, die aufgrund der Anwesenheit geringer Mengen bestimmter Additive empfindlicher gegenüber definierten (z.B. Oxidation) Angriffen sind.




3.5. stoffliches Recycling


3.5.1. Pyrolyse

Pyrolyse, die thermische Zersetzung chemischer Substanzen, bei der aus höhermolekularen Verbindungen durch Spaltung chemischer Bindungen und zahlreiche Folgereaktionen (Umlagerungen u.a.) niedermolekulare Stoffe entstehen. Pyrolytische Vorgänge treten v.a. beim Erhitzen organischer Materialien auf. [...] Neuerdings gewinnen auch pyrolytische Verfahren zur Gewinnung von chemischen Rohstoffen aus Altmaterialien, z.B. aus Kautschukprodukten (gebrauchten Kfz-Reifen usw.) an Interesse. [ SCHÜLER DUDEN ]

Ergänzend ist zu sagen, dass die Pyrolyse die thermische Zersetzung unter Luftausschluss oder zumindest Sauerstoffunterschuss bei gleichzeitiger Produktion von Pyrolyseölen und -gasen ist. Die Pyrolyseöle und Gase können dann zur chemischen Nutzung oder Energieerzeugung herangezogen werden.

Auch getrockneter Klärschlamm, der hohe Anteile an Eiweißstoffen und Lipiden enthält, läßt sich durch Pyrolyseprozesse in Gas, Öl und Koks umwandeln. Hier wird ein Prozess, der in der Natur bei der Entstehung von Erdöl Jahrmillionen gebraucht hat in wenigen Minuten oder Sekunden nachvollzogen.

Die Pyrolyse wird oft angewendet, wenn die unter 3.3. erwähnte Trennung gar nicht, oder nur sehr eingeschränkt möglich ist.
Ihr Vorteil gegenüber einer Verbrennung ( s. 3.6.1.) liegt darin, dass das Volumen der Spaltgase gegenüber den Rauchgasen von Verbrennungsanlagen um den Faktor 5 bis 20 reduziert werden kann, was zu erheblichen Einsparungen bei der Gasreinigung führt, zumal die klassische Verbrennung durch erhöhte Auflagen zur Emmissionsminderung ihren Kostenvorteil verliert.
Darüber hinaus gelingt es in einigen Verfahren, hochwertige Chemiestoffe zurückzugewinnen. Erschwert wird das Durchführen der Pyrolyse durch den Umstand, dass Kunststoffe sehr schlechte Wärmeleiter sind, zum Zersetzen der Makromoleküle jedoch teilweise erhebliche Energien aufzuwenden sind.

Die Mehrzahl von Pyrolyse-Versuchsanlagen wurde nach kurzer Betriebszeit stillgelegt, da das regionale Kunsstoffaufkommen so gering war, dass sich der Bau einer großtechnischen Anlage nicht rentierte. In mehreren Ländern werden zudem Deponiekosten geringer als die Pyrolysekosten angesehen. Jedoch liefert jede Erdölverteuerung neue Impulse für das stoffliche Recycling. Dies stärkt auch die Einführung der Pyrolysetechnik.


3.5.2. Hydrierung

Bei der Hydrierung können durch Einführung von Wasserstoff flüssige und feste organisch synthetische Abfälle in hochwertige Kohlenwasserstoffe überführt werden. Damit wird ein Rohstoff für die Petrochemie (Weiterverarbeitung organischer Grundstoffe auf Erdöl- und Erdgasbasis) gewonnen, der allen Weiterverarbeitungswegen gerecht wird. In der Regel erfolgt die Einführung durch Addition. Zur Aktivierung des Wasserstoffs sind Katalysatoren erforderlich.



Einige Merkmale des zu hydrierenden Kunststoffs bestimmen die mögliche Ölausbeute wesentlich.

· Chlor-, Sauerstoff-, und Stickstoffgehalt der Kunststoffe. Reines PVC z.B. wird durch Hydrierung zum Überwiegenden Teil in Chlorwasserstoff, ein im Sinne der raffinerietechnischen Weiterverarbeitung nicht erwünschtes Hauptprodukt überführt.

· Farbpigmente, Füllmaterialien, organische Stabilisatoren, verschiedene Komponenten in Verbundwerkstoffen,
werden nicht hydriert und stellen Ballast dar.

· anhaftender Schmutz

3.5.3. Vergleich zwischen Hydrierung und Pyrolyse

In der Abbildung unten ist die Chemie der Hydrierung und der Pyrolyse vergleichend dargestellt. Der Unterschied wird bereits in den Reaktionsbedingungen deutlich. Während die Hydrierung unter hohem Wasserstoffdruck abläuft, erfordert die Pyrolyse lediglich den Ausschluss von Sauerstoff, wodurch die Oxidation, d.h. das Verbrennen der Produkte vermieden wird. Es sind jedoch wesentlich höhere Temperaturen als bei der Hydrierung erforderlich. Diese Unterschiede in den Reaktionsbedingungen sind für die Zusammensetzung der Endprodukte und deren Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. D.h. bei der Pyrolyse können durch gezielte Druck- und/ oder Temperaturänderung spezifische Endprodukte gewonnen werden. Je nach Veränderung entstehen aromatische Öle, Gase (z.B. Methan und Ethylen). Bei der Hydrierung entstehen einfache Kohlen- Wasserstoffe, die in ihrer Kettenlänge nicht beeinflussbar sind. Dafür entstehen bei der Hydrierung, mit weniger Energieaufwand, weniger Rückstandsanteile und Gase als bei der Pyrolyse (s. Tab 2).




In der folgenden Tabelle werden die Produkte aus der Pyrolyse und der Hydrierung miteinander verglichen. Die Betriebsdaten einer Pyrolyse-Versuchsanlage zeigen, dass man beim Einsatz von Polyethylen/ Polypropylen- Gemischen Gasanteile von 51% sowie 6% Rückstand erhält, der vorwiegend aus Teer und Ruß besteht. Die Ölausbeute liegt bei 42%.
Beim Einsatz des gleichen PE/PP - Gemisches führt die hydrierende Umsetzung mit 10% zu einer wesentlich niedrigeren Gasbildung und zu einer, aus Sicht der Weiterverarbeitung höheren Ölausbeute, die im dargestelltem Beispiel sogar mehr als 90% beträgt. Ein ähnliches Bild zeigt sich bei der Umsetzung von Kunststoffen aus dem Hausmüll.





3.6. energetisches Recycling


3.6.1. Verbrennung

Bei allen Kunststoffabfällen, die durch stoffliches Recycling oder durch Abbau nicht recyclebar sind, wird man zunehmend die Kunststoffe verbrennen müssen.
Der Ausdruck energetisches Recycling hat sich hierfür eingebürgert und soll die Nutzung des Wärmeinhalts der Kunststoffe, die praktisch alle brennbar sind ausdrücken. Der Heizwert von PE zum Beispiel, wie es zu ca. 4% im Hausmüll anfällt, liegt in der Größenordnung von Heizöl.
Bei der Verbrennung von Kunststoffen wird im Gegensatz zur Pyrolyse der vorhandene Energiewert direkt genutzt ( s. 3.5.1.).