Kunststoffrecycling Experimentalvortrag Oliver Strauch WS 07/08.

Kunststoffrecycling

ExperimentalvortragOliver Strauch

WS 07/08

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Recycle001.svg

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Gliederung1. Einleitung

2. Recycling

3. Kunststoffabfall

4. Werkstoff - Recycling

5. Rohstoff - Recycling

6. Energetische Verwertung

7. Fazit

8. Schulische Relevanz

3

Warum Recycling?

Ressourcen sind begrenzt

Rohstoffe werden teurer

Umweltschutz

……

1. Einleitung1. Einleitung

4

…. Wohin mit dem ganzen Müll?

1. Einleitung

5

2. Entwicklung des Recycling 1970 fürchtete man im eigenen Abfall zu ersticken

Deponien sicherer und Verbrennungsanlagen sauberer

Abfälle sind Wertstoffe

Ressourcenschonung durch Abfallverwertung

Müll vermeiden, wenn nicht möglich, ihn verwerten und

erst wenn verwerten nicht möglich ist, ihn deponieren

2. Recycling

6

Produktverantwortung

Wenig Produktionsabfälle und umweltverträgliche Verwertung bzw. Beseitigung der Reststoffe

Produktverantwortung erstmals 1991 in der Verpackungsverordnung

Rücknahmepflicht für gebrauchte Verpackungen.

2. Recycling

7

Duales System Deutschland Heutige DSD entstand aus dem 1990 gegründeten

grünen Punkt

Gegründet um Hersteller und Vertreiber bei Erfüllung der Verwertungspflicht zu entlasten

2. Recycling

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Gr%C3%BCner_Punkt.svg

8

Verpackungsverordnung ´98

60 % der Altkunststoffe sind zu verwerten

davon 60 % werkstofflich, also 36 % der gesamten Altkunststoffe

Energetische Verwertung wird zugelassen

2. Recycling

9

3. Kunststoffabfälle

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Kunststoffabfälle 2003

In Deutschland 4,01 Mio. Tonnen Kunststoffabfälle

Davon wurden fast 60 % verwertet


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Kunststoffabfälle Produktionsabfälle

Angüsse….

Siedlungsabfälle Verpackungen von Lebensmittel…

Transportverpackungen Kühlschrankverpackungen…

Werkstoffabfälle Computergehäuse, Autokunststoffteile…


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Sammeln und Sortieren Grundsätzlich alle Altkunststoffe sortenrein sammeln zu

teuer

Sammelstellen für Styropor, Transportverpackungen, Fensterrahmen…

Kleinteilige Kunststoffverpackungen aus dem Hausmüll werden gemischt gesammelt


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Mischfraktion

Windsichten / Sieben

Zerkleinern

Sortieren


Demo 1Windsichter

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Windsichter Prinzip: „Spreu vom Weizen trennen“

Folien und Fraktionen geringer Dichte werden abgetrennt

Verbraucht kein Wasser

Nur sehr begrenzt einsetzbar

Netz

Luftstrom

Demo 1 3.Kunststoffabfälle

Demo 2Schwimm-Sink-

Verfahren

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Schwimm-Sink-Verfahren

Kunststoff Dichte [g/cm3]

Polypropylen PP 0,90 - 091

Polyethylen PE 0,91 – 0,95

Polystyrol PS 1,05

Polycarbonat PC 1,19 – 1,24

Polyethylenterephthalat PET 1,37

Demo 2 3. Kunststoffabfälle

Versuch 1SD Verfahren

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SD steht für „selective dissolution“ : Selektives Auflösen Mit Xylol als Lösungsmittel können PE, PS, PP, PET und

PVC getrennt werden

~ 160 °C PVC

~ 145 °C PET

~ 125 °C PP

~ 110 °C PE

~ 20 °C PS

Versuch 1 3. Kunststoffabfälle

Temperatur wird schrittweise erhöht

Sehr sauberes Kunststoffpulver wird erhalten

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4.Werkstoff - Recycling

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Werkstoff - Recycling

Physikalisches Recycling

Umschmelzen von Altkunststoffen zu neuen Formteilen

Benötigt sortenreine und saubere Altkunststoffe

Gute Anwendungsmöglichkeiten bei Produktions-,

Verarbeitungsabfällen, Transportverpackungen,

Landschaftsfolien…


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Versuch 2 Polystyrol lösen und wieder aufschäumen

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Polystyrol ist unpolar und bei Essigsäureethylester überwiegt der unpolare Teil

„Ähnliches löst in Ähnlichem“

Polymerstruktur bleibt erhalten

n

Polystyrol

O

CH3 O CH3

Essigsäureethylester

Versuch 2 4. Werkstoff - Recycling

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Pentan ist ein schlechtes Lösungsmittel für Polystyrol

Pentan kann das Zusammenlagern der Polymere nicht verhindern, Polystyrol fällt aus


Eingelagertes Pentan verdampft und bläht die Poren auf

Man erhält wieder eine Schaumstruktur

Styropor 200fach vergrößert

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Styropor_in_Mikroskop_mit_Polfilter.jpg

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Demo 3Umschmelzen

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Versuch 3PE aus Tetrapack

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Polyethylen ist sehr beständig gegen Wasser, Säuren und Laugen

Tetrapack ist ein Verbundstoff aus Papier, Aluminium und Farbstoff

n

Tert. -Butylbenzol Polyethylen

OH

Ethanol


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Polyethylen und Tert.-butylbenzol sind beide unpolar

„Ähnliches löst sich in Ähnlichem“

Bei Ethanol überwiegt der polare Teil des Moleküls

Polyethylen löst sich nicht in Ethanol und fällt aus


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Schwierig sind gemischte Altkunststoffe

PVC zersetzt sich, bevor PP seine Erweichungstemp.

erreicht hat. Gemeinsames Verarbeiten unmöglich

Downcycling (Eigenschaftsverschlechterung)

Sammeln, Sortieren und Reinigen sind sehr kostenintensiv

Aufwand übersteigt den erzielbaren Nutzen


Nachteile

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31

Rohstoff - Recycling

Chemisches Recycling

Altkunststoffe werden in Ausgangssubstanzen oder in chemische/petrochemische Rohstoffe gespalten

Können wieder zu Herstellung von Kunststoffen oder anderer Produkte verwendet werden


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Verfahren

Solvolyse


O

OO

O

n

PET = Polyethylenterephthalat

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O

OO

O

n

NaOH / H2O

nOH

O

O

O

O

+ nOO

OH

OH

O

O

nNa

+ Na+

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+ H+ / - H

+

nO O

OO

Na+

Na++n

HCl / H2O

nOH OH

OO

+ + 2 n NaCl

Ethylenglykol Terephthalsäure

OH

OH

nOH

OH


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Hydrierung

Die Altkunststoffe werden bei 400 °C abgebaut

Hydrierung der Abbauprodukte bei 300 bar

Man erhält flüssige, gesättigte Kohlenwasserstoffe


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Versuch 4Pyrolyse

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Pyrolyse Mit hoher Temperatur werden C-H und C-C Bindungen

gespalten

Bei Pyrolyse von PE/PP/PS, entstehen Alkane, Alkine und Aromaten

Verhältnis Gas : Öl ≈ 1:1

Katalysatoren senken Pyrolysetemperatur auf 500 °C

Versuch 4 5. Rohstoff - Recycling

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Reaktionsabläufe am Beispiel PE

CH3CH2CH2-RCH2CH2-R + CH3

R + CH3CH2CH2

CH2-R + CH2CH3

Bildung von Radikalen

CH3CHCH2-RH +


39

CH3

+ CH 3 C2H6

C3H8

R-CH2CH2-R

Kombination von Radikalen

CH 2CH 3

+ CH 2CH 2-RR


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CH3 CH2 CH3 CH CH2

H

CH2 CH3

H

+ CH3 CH CH2

Ethan Propen

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2

H

CH3 CH2 CH2

H

+ CH2 CH2

Propan Ethen

Alkan- und Alkenbildung


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Bildung von cyclischen Verbindungen

Diels - Alder - 1,4 Cycloaddition

Dien Dienophil


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Bildung von aromatischen Verbindungen

- 2 H 2

Eliminierung


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Versuch 5Eisenherstellung

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Hochofen

Altkunststoffe ersetzen Teil des Schweröls

Vermischte, verschmutze Altkunststoffe werden verwertet

Nachteil: PVC muss aussortiert werden


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Reaktionen im Hochofen

1. Altkunststoffe + O 2 CO2 + H2

2. Altkunststoff + CO 2 2 CO

CO + FeO Fe + CO2

+2 -2 +2 -2 0 +4 -2


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Vorteile

Produkte unterliegen keinen Anwendungsbeschränkungen

Gemischte Kunststoffe können genutzt werden

Sortieren und Reinigen entfällt


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6. Energetische Verwertung6. Energetische Verwertung

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Verbrennung von Kunststoffen

Kunststoffe haben gleichen Heizwert wie Erdöl

Altkunststoffe werden energetisch verwertet

In Müllverbrennungsanlagen

Bei der Zementherstellung

In Heizkraftwerken


Energetische Verwertung

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Vorteile / Nachteile

Kein Reinigen und Sortieren nötig

Umwelt- oder arbeitshygienisch bedenkliche Altkunststoffe werden verwertet

Kunststoffe mit engem Verbund zu anderen Materialien werden verwertet

Giftige Gase

Hohe Kosten für Abgasreinigung

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PVC

nH H

ClH

HH

ClH

HH

ClH

CC

C

C

C C


Kein anderer Kunststoff lässt sich so gut verarbeiten und

ist so vielseitig anwendbar wie PVC

PVC wirft erhebliche Entsorgungsprobleme auf

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Versuch 6 Verbrennen von PVC

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H

HH

C C

C

H+ HCl

HH

ClH

HH

CCC

Zersetzen von PVC:Eliminierung

Versuch 6 6. Energetische Verwertung

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Versuch 6 6. Energetische Verwertung

4 2 2 2 0 1 1

2( ) ( ) ( ) ( )2 2 ( )

g g s g gPVC O CO CO C HCl H O

Verbrennen von PVC:

Nachweis von HCl:

1 1 1 5 2 1 1 1 5 2

( ) 3( ) ( ) 3( )g aq s aqHCl AgNO AgCl HNO

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Energetische Verwertung ist ökologisch und ökonomisch

unverzichtbar

Für nicht recyclbare Altkunststoffe ist die Verbrennung

unter Nutzung des Energiegehalts der einzig vernünftige

Verwertungsweg


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7. Fazit

Grundsätzlich existiert heute für jeden Altkunststoff

ein geeignetes Verwertungsverfahren

7. Fazit

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Aber… Finden die Rezyklate einen Markt?

Vorkommen der Altkunststoffe?

Steht den hohen Kosten ein entsprechender Umweltnutzen entgegen?

Werden die politischen Regeln erfüllt?

7. Fazit

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8. Schulrelevanz

Aktuelles und politisch wichtiges Thema

Praxisnah

Umweltschutz / Klimaschutz

Fächerübergreifende Zusammenhänge Chemie/Powi (Wie reagiert die Wirtschaft auf Gesetze der Politik)

8. Schulrelevanz

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7G.1: Mülltrennung

GK11.1/LK11.1: Kunststoffabfälle, Pyrolyse

GK11.2/LK11.2: Kunststoffe, Umweltprobleme bei der Herstellung und Entsorgung

Hessischer Lehrplan G88. Schulrelevanz

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Eisenreduktion

• Direkte Reduktion

2 2

2

2

2

C O CO

CO C COFeO CO Fe CO

62

3 2 2 2 3 / 2 2 2 2

2 3 3 4 2

3 / 2 2 2 2 2 2 2 2

3 4 2

2 2 2 2 2 2

2

3 2

3

2 2

Fe O CO Fe O CO

Fe O CO FeO CO

FeO CO Fe CO

Eisenreduktion

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"Seveso"-Dioxin

1976 Chemieunfall in Seveso

Überhitzung bei Herstellung von Trichlorphenol

2,3,7,8-Tetrachlordibenzo[1,4]dioxin (TCDD) freigesetzt

10 000 mal gifitger als Zyankali

Cl

Cl

Cl

Cl

O

O

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