Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe: Reduktion von Schadstoffen in Recyclingmaterialien und Prozessabwässern

Die Herstellung von Sekundärrohstoffen aus einem Abfallstrom erfordert die Reinigung von:
 

• Produktströmen aus „Risikokreislaufstoffen“: Dabei handelt es sich sowohl um absichtlich zugesetzte Stoffe (IAS), wie z. B. Additive, als auch unbeabsichtigt zugesetzte Stoffe (NIAS), wie z.B. solche, die bei der Zersetzung von Additiven entstehen.
• Prozessabgase und -abwasser.

Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, kann der Sekundärrohstoff dem Kunststofflebenszyklus zugeführt werden. Lesen Sie hier mehr über die Arbeit von DESOTEC in der Kunststoff- und Verbundwerkstoffindustrie .

Während die Welt bestrebt ist, ihre Netto-Null-Ziele zu erreichen, wächst der Druck, die Kohlenstoffrückgewinnung aus Kunststoffabfällen durch die Produktion hochwertiger Sekundärrohstoffe zu steigern (um Downcycling zu verhindern).

Moderne mechanische Recyclingverfahren basieren größtenteils auf der Extrusion, bei der das Polymer intakt bleibt. Diese Technologie eignet sich sehr gut für relativ reine Abfallströme wie PET.

Allerdings werden zunehmend komplexere, mehrschichtige Kunststoffverbunde für Verpackungen, Textilien, Funktionsmaterialien usw. entwickelt. Diese erfordern ausgefeiltere Recyclingtechnologien, um eine neuwertige Sekundärrohstoffqualität zu erreichen.

Darüber hinaus können Zusatzstoffe wie Farbstoffe, Weichmacher oder Füllstoffe einen erheblichen Anteil des Kunststoffprodukts ausmachen. Diese Additive sind für die Funktionalität notwendig. Sie müssen aber bei der Herstellung von recyceltem Kunststoff als Sekundärrohstoff für den direkten Ersatz von Neuware entfernt werden, insbesondere wenn dieser recycelte Kunststoff in einer anderen Anwendung eingesetzt werden soll.

Bei kurzlebigen Kunststoffprodukten wie Verpackungen entsprechen die in Kunststoffabfallströmen enthaltenen Zusatzstoffe in der Regel den geltenden Chemikalienvorschriften (REACH/CLP in der EU und TSCA in den USA).

Einige Kunststoffprodukte für Bau- oder Konsumgüter weisen jedoch eine deutlich längere Lebensdauer auf. Daher können Substanzen wie Bisphenol A, die bereits aus dem Verkehr gezogen wurden, heute noch in den Recyclingprozess gelangen. Um die Anreicherung dieser besonders besorgniserregenden Stoffe (SVHC) - auch Risikostoffkreislaufstoffe genannt - zu verhindern, muss der Recyclingstrom von Kunststoffprodukten gereinigt werden.

Tabelle 1: (Nicht-)absichtlich zugesetzte Stoffe in Kunststoffen und ihre Gefahren für den Menschen
 

Hauptbestandteil von Kunststoffprodukten ist ein Polymer oder eine Kombination von Polymeren, die aus sich wiederholenden chemischen Monomereinheiten bestehen. Weitere Chemikalien werden als Verarbeitungshilfsmittel wie Gleitmittel oder als Additive wie Weichmacher, Flammschutzmittel, Wärme- und Lichtstabilisatoren oder Pigmente hinzugefügt. Dazu gehören Moleküle wie Phthalate, Paraffine, Bisphenole, polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), Alkylphenole, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Biozide, Talkum und Ton.

Abb. 2: Vergleich typischer Temperaturen bei Kunststoffrecycling-/Verwertungsverfahren mit der Siedetemperatur typischer Kunststoffadditive. Die rechte Spalte zeigt, in welcher Produktphase die (zersetzten) nicht beabsichtigten (NIAS) und die beabsichtigten Zusatzstoffe (IAS) hauptsächlich zu finden sind.

Abbildung 2 zeigt, dass nicht alle NIAS/IAS durch die bei der Extrusion (mechanisches Recycling) üblichen Prozessparameter vollständig in die Dampfphase überführt werden können, um ein additivfreies Rezyklat zu erhalten.

Bei Recyclingtechnologien, die ein Lösungsmittel verwenden (Delaminierung, Depolymerisation), ist die Entfernung von (N)IAS aus dem Rezyklat eine Funktion der Löslichkeit des (N)IAS im verwendeten Lösungsmittel.

Bei thermischen Verfahren (Pyrolyse, Verflüssigung) verdampfen (N)IAS in die gewünschte Dampfphase – teilweise oder vollständig zersetzt. Ohne katalytische Dampfbehandlung verbleiben diese modifizierten Moleküle in der kondensierten Ölphase. Bei noch höheren Temperaturen (Vergasung, Verbrennung) verdampfen die (N)IAS ebenfalls, werden aber hauptsächlich zu _CO₂ (Verbrennung) bzw. zu CO (Vergasung) oxidiert. Sehr stabile Verbindungen wie PFAS bleiben unter Umständen unverändert und finden sich dann in der Gas-/Produktphase wieder.

Sowohl lösungsmittelabhängige (Solvolyse und Depolymerisation) als auch thermolytische (Pyrolyse und Verflüssigung) Verfahren erzeugen Flüssigkeiten mit Verunreinigungen. Diese können unerwünschte Farben, Gerüche und sogar Schadstoffe enthalten. Dadurch sinkt der Wert des recycelten Rohmaterials und nachgelagerte Anlagen oder Prozesse können beschädigt werden. Zudem können Kunststoffabfallströme unterschiedlicher Herkunft sehr unterschiedliche Verschmutzungsgrade aufweisen oder relativ sauber sein. Dies kann die Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Auswahl einer Reinigungstechnologie erschweren.

Katalytische Hydrobehandlung: Pyrolyseöl aus Kunststoffen kann mittels katalytischer Hydrobehandlung gereinigt werden. Diese Technologie ist bekannt und bewährt, kann aber insbesondere bei kleineren Anlagen sehr kostspielig sein. Größere Raffinerien verfügen in der Regel bereits über eine Hydrobehandlungsanlage, deren Betrieb jedoch – abhängig vom Verschmutzungsgrad – aufgrund des hohen Wasserstoffverbrauchs und der Katalysatordeaktivierung sehr teuer sein kann.

Laugenwäsche: Eine weitere Möglichkeit ist die Laugenwäsche. Derzeit wird deren Wirksamkeit im industriellen Maßstab mit Kunststoffpyrolyseöl untersucht. Diese Behandlung führt zu einem stark organisch belasteten wässrigen Abwasserstrom, der selbst eine Aufbereitung erfordert, die über eine einfache Kläranlage hinausgeht.

Lösungen zur Aktivkohleaufbereitung: Aktivkohlefilter bieten eine praktikable Alternative sowohl für lösungsmittelabhängige als auch für thermolytische Kunststoffrecyclingverfahren. Sie reinigen Flüssigkeiten und Öle für den nächsten Recyclingschritt. Aktivkohle ist relativ unempfindlich gegenüber verschiedenen organischen Verunreinigungen und deren schwankenden Konzentrationen. Die Endkontrolle des Produkts kann für die Steuerung des Aktivkohle-Reinigungsprozesses ausreichend sein. Bei mobilen Aktivkohlefiltern sind die Investitionskosten sehr gering, und die Betriebskosten richten sich direkt nach der Menge der mit dem Abfallstrom aufgenommenen Verunreinigungen. Die Fixkosten werden minimiert.

Unsere Marktforschung zeigt eine stetig wachsende Zahl von Kunststoffrecyclingprojekten mit neuen Technologien in Europa und Nordamerika, wo beispielsweise Pyrolyse eingesetzt wird, sowie eine ähnliche Anzahl von Solvolyse-/Depolymerisationsverfahren. An diesen Projekten sind zahlreiche Akteure beteiligt, darunter Markeninhaber, Entsorgungsunternehmen, Technologieentwickler, Ölkonzerne und Maschinenhersteller.

Viele Kunden im europäischen Bereich der Kunststoffpyrolyseöl-, Delaminierungs- und Depolymerisationstechnik (und einige Kunden in den USA) testen bereits unsere Lösungen im Labormaßstab, darunter auch Pilotversuche im industriellen Maßstab mit den kommerziellen Filtern von DESOTEC.

DESOTEC-Lösungen für Pyrolyseöl: Obwohl einige Unternehmen anfangs annahmen, Aktivkohle wirke nur mit Wasser, zeigen unsere Ergebnisse, dass unsere Filtrationslösungen auch den Gehalt an heteroatomhaltigen Verunreinigungen in Ölen reduzieren können. Sowohl bei der Pyrolyse von Industrieabfällen als auch von Haushaltsabfällen wurde eine Reduzierung von Stickstoff-, Sauerstoff- und Chlorverbindungen um 40 % und mehr erzielt.

Entscheidend hierfür ist hochwertige, auf nachwachsenden Rohstoffen basierende Aktivkohle mit einer vorteilhaften Porengrößenverteilung und Oberflächengruppen. Spezialfilter können die typischen Prozessparameter bewältigen – in manchen Fällen muss die Filtration bei erhöhter Temperatur erfolgen, um die Öl- oder sogar Wachsphase pumpfähig zu machen.

DESOTEC-Lösungen für Depolymerisation und Solvolyse: Wir führen derzeit Labortests mit zahlreichen Unternehmen in diesem Bereich durch. Die zu behandelnde Flüssigkeit ist dabei häufig protisch, meist Wasser (manchmal mit einem Katalysator), z. B. für PET. Es kommen aber auch andere Lösungsmittel oder sogar Lösungsmittelgemische (auch aprotisch) zum Einsatz.

Die in diesen Anwendungen verwendeten Aktivkohlesorten hängen vom Lösungsmittel, dem Verschmutzungsgrad und dem geforderten Reinheitsgrad des Produkts ab. So wurde beispielsweise bei der lösungsmittelbasierten Wiederverwertung dunkler Textilabfälle eine Farbreduktion (Schadstoffreduktion) von 99 % erzielt. In solchen Fällen würden Spezialfilter für erhöhte Temperaturen und gegebenenfalls höhere/niedrigere pH-Werte eingesetzt.