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Kunststoffrecycling
ExperimentalvortragOliver Strauch
WS 07/08
2
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
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
8
Verpackungsverordnung ´98
60 % der Altkunststoffe sind zu verwerten
davon 60 % werkstofflich, also 36 % der gesamten Altkunststoffe
Energetische Verwertung wird zugelassen
2. Recycling
10
Kunststoffabfälle 2003
In Deutschland 4,01 Mio. Tonnen Kunststoffabfälle
Davon wurden fast 60 % verwertet
3. Kunststoffabfälle
11
Kunststoffabfälle Produktionsabfälle
Angüsse….
Siedlungsabfälle Verpackungen von Lebensmittel…
Transportverpackungen Kühlschrankverpackungen…
Werkstoffabfälle Computergehäuse, Autokunststoffteile…
3. Kunststoffabfälle
12
Sammeln und Sortieren Grundsätzlich alle Altkunststoffe sortenrein sammeln zu
teuer
Sammelstellen für Styropor, Transportverpackungen, Fensterrahmen…
Kleinteilige Kunststoffverpackungen aus dem Hausmüll werden gemischt gesammelt
3. Kunststoffabfälle
15
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
17
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
19
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
21
Werkstoff - Recycling
Physikalisches Recycling
Umschmelzen von Altkunststoffen zu neuen Formteilen
Benötigt sortenreine und saubere Altkunststoffe
Gute Anwendungsmöglichkeiten bei Produktions-,
Verarbeitungsabfällen, Transportverpackungen,
Landschaftsfolien…
4. Werkstoff - Recycling
23
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
24
Pentan ist ein schlechtes Lösungsmittel für Polystyrol
Pentan kann das Zusammenlagern der Polymere nicht verhindern, Polystyrol fällt aus
Versuch 2 4. Werkstoff - Recycling
Eingelagertes Pentan verdampft und bläht die Poren auf
Man erhält wieder eine Schaumstruktur
Styropor 200fach vergrößert
27
Polyethylen ist sehr beständig gegen Wasser, Säuren und Laugen
Tetrapack ist ein Verbundstoff aus Papier, Aluminium und Farbstoff
n
Tert. -Butylbenzol Polyethylen
OH
Ethanol
Versuch 3 4. Werkstoff - Recycling
28
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
Versuch 3 4. Werkstoff - Recycling
29
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
4. Werkstoff - Recycling
Nachteile
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
5. Rohstoff - Recycling
34
+ H+ / - H
+
nO O
OO
Na+
Na++n
HCl / H2O
nOH OH
OO
+ + 2 n NaCl
Ethylenglykol Terephthalsäure
OH
OH
nOH
OH
5. Rohstoff - Recycling
35
Hydrierung
Die Altkunststoffe werden bei 400 °C abgebaut
Hydrierung der Abbauprodukte bei 300 bar
Man erhält flüssige, gesättigte Kohlenwasserstoffe
5. Rohstoff - Recycling
37
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
38
Reaktionsabläufe am Beispiel PE
CH3CH2CH2-RCH2CH2-R + CH3
R + CH3CH2CH2
CH2-R + CH2CH3
Bildung von Radikalen
CH3CHCH2-RH +
Versuch 4 5. Rohstoff - Recycling
39
CH3
+ CH 3 C2H6
C3H8
R-CH2CH2-R
Kombination von Radikalen
CH 2CH 3
+ CH 2CH 2-RR
Versuch 4 5. Rohstoff - Recycling
40
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
Versuch 4 5. Rohstoff - Recycling
41
Bildung von cyclischen Verbindungen
Diels - Alder - 1,4 Cycloaddition
Dien Dienophil
Versuch 4 5. Rohstoff - Recycling
44
Hochofen
Altkunststoffe ersetzen Teil des Schweröls
Vermischte, verschmutze Altkunststoffe werden verwertet
Nachteil: PVC muss aussortiert werden
Versuch 5 5. Rohstoff - Recycling
45
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
Versuch 5 5. Rohstoff - Recycling
47
Vorteile
Produkte unterliegen keinen Anwendungsbeschränkungen
Gemischte Kunststoffe können genutzt werden
Sortieren und Reinigen entfällt
5. Rohstoff - Recycling
49
Verbrennung von Kunststoffen
Kunststoffe haben gleichen Heizwert wie Erdöl
Altkunststoffe werden energetisch verwertet
In Müllverbrennungsanlagen
Bei der Zementherstellung
In Heizkraftwerken
6. Energetische Verwertung
Energetische Verwertung
50
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
6. Energetische Verwertung
Kein anderer Kunststoff lässt sich so gut verarbeiten und
ist so vielseitig anwendbar wie PVC
PVC wirft erhebliche Entsorgungsprobleme auf
53
H
HH
C C
C
H+ HCl
HH
ClH
HH
CCC
Zersetzen von PVC:Eliminierung
Versuch 6 6. Energetische Verwertung
54
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
6. Energetische Verwertung
56
7. Fazit
Grundsätzlich existiert heute für jeden Altkunststoff
ein geeignetes Verwertungsverfahren
7. Fazit
57
Aber… Finden die Rezyklate einen Markt?
Vorkommen der Altkunststoffe?
Steht den hohen Kosten ein entsprechender Umweltnutzen entgegen?
Werden die politischen Regeln erfüllt?
7. Fazit
58
8. Schulrelevanz
Aktuelles und politisch wichtiges Thema
Praxisnah
Umweltschutz / Klimaschutz
Fächerübergreifende Zusammenhänge Chemie/Powi (Wie reagiert die Wirtschaft auf Gesetze der Politik)
8. Schulrelevanz
59
7G.1: Mülltrennung
GK11.1/LK11.1: Kunststoffabfälle, Pyrolyse
GK11.2/LK11.2: Kunststoffe, Umweltprobleme bei der Herstellung und Entsorgung
Hessischer Lehrplan G88. Schulrelevanz
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
63
"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