Kunststoff-Kreislaufwirtschaft: Reduzierung von Schadstoffen in Recyclingmaterial und Prozessabwässern

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

• Der Produktstrom aus „Risikozyklussubstanzen“. Dies sind Substanzen innerhalb der Materialmatrix: sowohl absichtlich zugesetzte Substanzen (IAS), wie etwa Additive, als auch nicht absichtlich zugesetzte Substanzen (NIAS), wie etwa solche, die bei der Zersetzung von Additiven entstehen.
• Die Prozessabgase und das Abwasser.

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

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

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

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

Darüber hinaus können IAS wie Farbstoffe, Weichmacher oder Füllstoffe einen erheblichen Gewichtsanteil des Kunststoffprodukts ausmachen. Diese Zusatzstoffe sind für die Funktionalität erforderlich, müssen jedoch bei der Herstellung von recyceltem Kunststoff als Sekundärrohstoff für den direkten Ersatz von Neumaterial entfernt werden, insbesondere wenn dieses recycelte Material in einer anderen Anwendung verwendet 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 haben jedoch eine viel längere Lebensdauer. Daher können bereits aus dem Verkehr gezogene Stoffe wie Bisphenol A heute in den Recyclingprozess gelangen. Um die Anreicherung dieser (besonders) besorgniserregenden Stoffe (SVHC), auch Risikokreislaufstoffe genannt, zu verhindern, muss der recycelte Kunststoffproduktstrom gereinigt werden.

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

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

Abb. 2: Vergleich der typischen Temperaturen, die bei Kunststoffrecycling-/Verwertungsansätzen verwendet werden, mit der Siedetemperatur typischer Kunststoffzusätze. Die rechte Spalte gibt an, in welcher Produktphase die (zersetzten) nicht beabsichtigten (NIAS) und die beabsichtigten zugesetzten Stoffe (IAS) hauptsächlich zu finden sind.

Abb. 2 zeigt, dass durch die typischen Prozessparameter der Extrusion (mechanisches Recycling) nicht alle NIAS/IAS vollständig in die Dampfphase entfernt werden können, um ein additivfreies Rezyklat zu erzeugen.

Bei Recyclingtechnologien, bei denen ein Lösungsmittel zum Einsatz kommt (Delamination, 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 finden sich diese modifizierten Moleküle in der kondensierten Ölphase wieder. Bei noch höheren Temperaturen (Vergasung, Verbrennung) verdampfen die (N)IAS ebenfalls, werden aber hauptsächlich zu CO ₂ oxidiert.
(Verbrennung) oder zu CO (Vergasung). Sehr stabile Verbindungen wie PFAS dürfen nicht verändert werden und befinden sich dann in der Gas-/Produktphase.

Sowohl lösungsmittelhaltige (Solvolyse und Depolymerisation) als auch thermolytische (Pyrolyse und Verflüssigung) Prozesse führen zu Flüssigkeiten, die Verunreinigungen enthalten, was zu unerwünschten Farben, Gerüchen und sogar bedenklichen Stoffen führt, wodurch der Wert des recycelten Rohmaterials gemindert und nachgelagerte Geräte oder Prozesse möglicherweise beschädigt werden. Darüber hinaus können Kunststoffabfallströme aus verschiedenen Quellen sehr unterschiedliche Verschmutzungsgrade aufweisen oder relativ sauber sein. Dies kann es schwierig machen, den Business Case für die Entscheidung über eine Reinigungstechnologie zu berechnen.

Katalytische Hydrobehandlung: Pyrolyseöl aus Kunststoff kann mit einem katalytischen Hydrotreater gereinigt werden. Diese Technologie ist bekannt und bewährt, kann aber insbesondere bei kleineren Anwendungen eine sehr teure Lösung sein. Größere Raffinerien verfügen höchstwahrscheinlich bereits über einen Hydrotreater, aber je nach Schadstoffgehalt kann dieser im Hinblick auf den Wasserstoffverbrauch und die Katalysatordeaktivierung sehr teuer im Betrieb sein.

Laugenwäsche: Eine weitere Möglichkeit ist eine Laugenwäsche. Derzeit wird ihre Wirksamkeit im industriellen Maßstab mit Kunststoffpyrolyseöl untersucht. Diese Behandlung führt zu einem stark mit organischen Stoffen verunreinigten wässrigen Abfallstrom, der selbst eine Behandlung über eine einfache Abwasseraufbereitungsanlage hinaus erfordert.

Lösungen zur Aktivkohlebehandlung: Aktivkohlefilter bieten eine praktikable Alternative sowohl bei lösungsmittelhaltigen als auch thermolytischen Kunststoffrecyclinganwendungen, da sie Flüssigkeit und Öl für die nächste Stufe des Recyclingprozesses reinigen. Aktivkohle ist relativ agnostisch gegenüber verschiedenen organischen Verunreinigungen oder sogar deren schwankenden Konzentrationen. Eine Produktqualitätskontrolle am Ende der Produktionslinie kann zur Kontrolle des Aktivkohlereinigungsprozesses ausreichen. Wenn die Aktivkohle in mobilen Filtern geliefert wird, sind die Investitionskosten sehr gering und die Betriebskosten spiegeln direkt die Aufnahme von Verunreinigungen mit dem Abfallstrom wider. Die Fixkosten werden minimiert.

Unsere Marktforschung zeigt, dass es in Europa und Nordamerika eine ständig wachsende Zahl von Kunststoffrecyclingprojekten mit neuen Technologien gibt, bei denen beispielsweise Pyrolyse eingesetzt wird, und eine ähnliche Anzahl von Solvolyse-/Depolymerisationsanwendungen. An diesen Projekten sind zahlreiche Interessenvertreter beteiligt, darunter Markeninhaber, Abfallentsorger, Technologieentwickler, Ölkonzerne und Maschinenhersteller.

Viele Kunden aus dem europäischen Kunststoffpyrolyseöl-, Delaminations- und Depolymerisationsbereich (und einige Kunden in den USA) testen unsere Lösungen bereits im Labor, darunter auch Pilotversuche im industriellen Maßstab mit kommerziellen Filtern von DESOTEC.

DESOTEC-Lösungen für Pyrolyseöl: Obwohl einige Unternehmen zunächst glaubten, dass Aktivkohle nur mit Wasser funktioniert, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass unsere Filterlösungen in der Lage sind, den Gehalt heteroatomhaltiger Verunreinigungen in Ölen zu reduzieren. Sowohl bei der Pyrolyse von postindustriellen als auch von privaten Abfällen wurde eine Reduzierung der Stickstoff-, Sauerstoff- und Chlorverbindungen um 40 % und mehr erreicht.

Der Schlüssel hierzu ist hochwertige Aktivkohle auf erneuerbarer Basis mit einer vorteilhaften Porengrößenverteilung und Oberflächengruppen. Spezialfilter können mit den typischen Prozessparametern umgehen – in einigen Fällen muss die Filtration bei erhöhter Temperatur erfolgen, um die Öl- oder sogar Wachsphase pumpfähig zu machen.

DESOTEC-Lösungen für Depolymerisation und Solvolyse: Auch hier führen wir mit zahlreichen Firmen Laborversuche durch. Dabei handelt es sich bei der zu behandelnden Flüssigkeit häufig um protische Stoffe, in den meisten Fällen Wasser (manchmal mit Katalysator), z. B. bei PET. Es kommen aber auch andere Lösemittel oder gar Lösemittelkombinationen (auch aprotische) zum Einsatz.

Die in diesen Anwendungen eingesetzten Aktivkohlequalitäten hängen vom Lösungsmittel, dem Verschmutzungsgrad und dem erforderlichen Reinheitsgrad des Produkts ab. So konnte beispielsweise beim lösungsmittelbasierten Recycling dunkler Textilabfälle eine Farbreduzierung (Verschmutzung) von 99 % erreicht werden. In einem solchen Szenario würden spezielle Filter für erhöhte Temperaturen und potenziell höhere/niedrigere pH-Werte eingesetzt.