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Acrylic glass, the transparent polymer used in windowpanes, car taillights and furniture, is well suited to recycling, yet much of it still ends up as waste. At ETH Zurich, materials scientist Athina Anastasaki and her team have now reported a lab method that turns it back into its raw material with a yield of up to 98%, at a temperature of just over 200°C.
Acrylglas, der transparente Kunststoff in Fensterscheiben, Autorückleuchten und Möbeln, eignet sich gut zum Recycling, dennoch landet ein großer Teil davon im Müll. An der ETH Zürich haben die Materialwissenschaftlerin Athina Anastasaki und ihr Team nun eine Labormethode vorgestellt, die es mit einer Ausbeute von bis zu 98 % wieder in seinen Rohstoff zurückverwandelt, bei einer Temperatur von knapp über 200 °C.
The key step is depolymerization, the breaking of a polymer's long chains back into their monomers, the small molecules that serve as building blocks. Anastasaki's group had shown earlier that this was possible in principle, but only under specific conditions: the polymer chains had to be chemically altered to add weak points, or large amounts of solvents, catalysts or UV light were needed. Another chemical recycling route, pyrolysis, works above 400°C and often leaves the recovered monomers with impurities of up to 3%, which can degrade the quality of the new plastic made from them.
Der Schlüsselschritt ist die Depolymerisation, also das Zerlegen der langen Ketten eines Polymers in seine Monomere, die kleinen Moleküle, die als Bausteine dienen. Die Gruppe um Anastasaki hatte zuvor gezeigt, dass dies prinzipiell möglich ist, allerdings nur unter bestimmten Bedingungen: Die Polymerketten mussten chemisch verändert werden, um Schwachstellen einzubauen, oder es waren große Mengen an Lösungsmitteln, Katalysatoren oder UV-Licht nötig. Ein anderes chemisches Recyclingverfahren, die Pyrolyse, arbeitet oberhalb von 400 °C und hinterlässt die zurückgewonnenen Monomere häufig mit Verunreinigungen von bis zu 3 %, was die Qualität des daraus hergestellten neuen Kunststoffs beeinträchtigen kann.
The new approach relies on a single substance from the class of N-hydroxyimides. Richard Whitfield, lead author of the study in Nature Chemistry and a former research associate in Anastasaki's group, describes the search that led to it: the team tested candidates systematically until it found this one. Once it is added, the reagent attacks the chains and the reaction proceeds without further intervention. Anastasaki says the team was surprised that one compound was enough. The work was carried out with ETH chemistry professors Tae-Lim Choi and Gunnar Jeschke, whose input she described as essential.
Der neue Ansatz beruht auf einer einzigen Substanz aus der Klasse der N-Hydroxyimide. Richard Whitfield, Erstautor der Studie in Nature Chemistry und früher Wissenschaftlicher Mitarbeiter in Anastasakis Gruppe, beschreibt die Suche, die dazu führte: Das Team prüfte systematisch Kandidaten, bis es diesen fand. Sobald er hinzugefügt wird, greift das Reagenz die Ketten an, und die Reaktion läuft ohne weiteres Zutun weiter. Anastasaki sagt, das Team sei überrascht gewesen, dass eine einzige Verbindung ausreicht. Die Arbeit entstand gemeinsam mit den ETH-Chemieprofessoren Tae-Lim Choi und Gunnar Jeschke, deren Beitrag sie als unverzichtbar beschrieb.
For companies, the most concrete change is in the equipment. Anastasaki explains that earlier methods would have required firms to modify their processes and plants, a cost she judges too high for most of them. The new method, according to the researchers, could run on existing infrastructure with standard processes. ETH Zurich has filed a patent application and is now looking for licensees, and the chemical industry has shown interest. No date for an industrial rollout has been announced: the next steps are scaling up and mapping the reaction in detail.
Für Unternehmen ist die konkreteste Veränderung die Anlagentechnik. Anastasaki erklärt, dass frühere Verfahren die Firmen gezwungen hätten, ihre Prozesse und Anlagen umzubauen, ein Aufwand, den sie für die meisten als zu hoch einschätzt. Die neue Methode könnte laut den Forschenden mit bestehender Infrastruktur und Standardprozessen laufen. Die ETH Zürich hat eine Patentanmeldung eingereicht und sucht nun Lizenznehmer, die chemische Industrie hat Interesse gezeigt. Einen Termin für eine industrielle Umsetzung gibt es nicht: Die nächsten Schritte sind das Hochskalieren und die detaillierte Kartierung der Reaktion.
The limits are clear. The method works on acrylic glass only, and other plastics need other approaches. Anastasaki says her group will try to apply the same principle to polystyrene, one of the most widely used plastics in the world, but that is an intention, not a result. For now, the figures come from laboratory experiments, and they will have to be reproduced at larger scale before anyone can judge what the process would cost and yield in a plant.
Die Grenzen sind klar. Die Methode funktioniert nur bei Acrylglas, andere Kunststoffe erfordern andere Ansätze. Anastasaki sagt, ihre Gruppe wolle dasselbe Prinzip auf Polystyrol anwenden, einen der weltweit meistgenutzten Kunststoffe, doch das ist eine Absicht, kein Ergebnis. Vorerst stammen die Zahlen aus Laborexperimenten, und sie müssen in größerem Maßstab reproduziert werden, bevor jemand beurteilen kann, was das Verfahren in einer Anlage kosten und ergeben würde.