Polycarbonaatkunststoffen zijn gewilde materialen in de industrie vanwege hun veelzijdigheid en hoge kwaliteit. Maar de recycling van plastic afval bereikt momenteel zijn grenzen omdat mechanische recyclingprocessen niet voor alle toepassingen voldoende recyclaatkwaliteiten opleveren. Fraunhofer-onderzoekers hebben samen met het chemiebedrijf Covestro Deutschland AG een methode ontwikkeld waarmee de grondstoffen van polycarbonaten kunnen worden teruggewonnen.
Wie op zoek is naar een hoogwaardige kunststof komt al snel uit bij polycarbonaat (PC). Dit materiaal is temperatuurbestendig, vlamvertragend, kras- en slijtvast en kan zelfs tegen verdunde zuren. Het heeft ook een hoge mate van transparantie. Deze eigenschappen maken kunststoffen met PC tot een gewild en veelzijdig materiaal in de industrie. Daarom zoeken veel fabrikanten naar manieren om het waardevolle materiaal terug te winnen door plastic afval te recyclen. Conventionele technologieën zoals mechanische recycling leveren echter slechts onvoldoende recyclaatkwaliteiten op die niet langer geschikt zijn voor de productie van hoogwaardige producten.
Pyrolyse maakt chemische recycling mogelijk
Maar er zijn goede alternatieven. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS hebben samen met het chemiebedrijf Covestro Deutschland AG een proces ontwikkeld voor de chemische recycling van polycarbonaten met behulp van katalytische pyrolyse. Tijdens pyrolyse worden stoffen verwarmd in afwezigheid van zuurstof. Hierdoor worden de stoffen afgebroken en kunnen de originele componenten van het plastic worden teruggewonnen.
dr. Jörg Kleeberg, wetenschapper bij Fraunhofer IKTS in Freiberg, en zijn team hebben het proces verder ontwikkeld als onderdeel van het “PC2Chem”-project. “Het doel was om kunststoffen die polycarbonaat bevatten zo te recyclen dat hoogwaardige moleculen kunnen worden teruggewonnen en als grondstoffen kunnen worden teruggevoerd in de industriële productiecyclus”, zegt de expert in koolstofcyclustechnologieën.
De onderzoekers profiteren van de bijzondere structuur van polycarbonaten. Deze bestaan uit polymeren, een combinatie van gekoppelde groepen moleculen die monomeren worden genoemd. Als de polymeren tijdens pyrolyse worden blootgesteld aan thermische spanningen, breken de bindingen op de vooraf bepaalde breekpunten met de hoogwaardige moleculen.
Industriële draaioven
Voor de pyrolyse maakt het Fraunhofer-team gebruik van een draaitrommeloven, die door zijn robuuste structuur en afmetingen ook grotere hoeveelheden kan verwerken. Het kunststofafval, door Covestro als korrels aangeleverd, wordt in de roterende buis gebracht en daar verwarmd. Het product is in eerste instantie een pyrolysegas, waaruit in een condensatiesysteem een olieachtige vloeistof wordt afgescheiden. Hieruit verkrijgt projectpartner Covestro in een verwerkingsproces de verschillende waardevolle moleculen.
Om ervoor te zorgen dat recycling in de draaitrommeloven producten oplevert met een optimale samenstelling en rendement, moest het onderzoeksteam in het laboratorium een aantal hindernissen overwinnen. De afbraak van kunststoffen bij hoge temperaturen is een zeer complex en gevoelig proces. De uitdaging voor het Fraunhofer IKTS-team was om de parameters voor het pyrolyseproces nauwkeurig in te stellen. Temperatuur, verwarming en verblijftijd, koeling, drukomstandigheden of de toevoeging van hulpstoffen en additieven zijn de parameters die van belang zijn. Tot overmaat van ramp bevatten de kunststoffen additieven, waaronder kleurstoffen, bleekmiddelen, vlamvertragers, stoffen die de sterkte of elasticiteit beïnvloeden of zelfs lichtstabilisatoren. Al deze toevoegingen maken de behandeling in de draaitrommeloven ingewikkeld.
Jörg Kleeberg zegt: “Als de reactieproducten van pyrolyse in de draaitrommeloven te langzaam afkoelen, worden de chemische processen niet gestopt en vormen de gebroken moleculen weer nieuwe verbindingen. Alleen wanneer alle parameters correct zijn ingesteld en op elkaar zijn afgestemd, wordt de gewenste hoge opbrengst aan doelproducten bereikt. Daarom hebben we talloze tests uitgevoerd en het proces stapsgewijs geoptimaliseerd.”
De experts van Fraunhofer IKTS profiteren van hun jarenlange ervaring op het gebied van hogetemperatuurconversie en procestechnologie. Het PC2Chem-project is goed op weg. Door recycling wordt tot 60 procent van de originele componenten teruggewonnen. Het systeem heeft de initiële laboratoriumtestfase verlaten en wordt momenteel op pilotschaal getest.
Stap richting circulaire economie
De nieuwe recyclingtechnologie biedt de industrie tastbare voordelen. De verkregen pyrolyse-olie bevat platformchemicaliën zoals styreen of fenol die belangrijk zijn voor de chemische industrie. Hiervoor moeten nu fossiele grondstoffen uit raffinaderijen worden gebruikt. Ook projectpartner Covestro is overtuigd van de voordelen: “Met behulp van het katalytische pyrolyseproces winnen we grondstoffen voor de productie van polycarbonaat terug uit divers PC-houdend afval. Op deze manier verminderen we de CO2-uitstoot, besparen we energie en verlagen we de kosten”, legt Dr. Stefanie Eiden, wereldwijde projectmanager pyrolyse.
Prof. Martin Gräbner, hoofd van de afdeling energie- en procestechniek bij Fraunhofer IKTS op de locatie Freiberg, legt uit: “Pyrolyse is niet bedoeld om conventionele processen te vervangen, maar is een ideale aanvulling als het gaat om het terugwinnen van nieuwe, hoogwaardige kunststoffen uit plastic afval. Het pyrolyseproces is een grote stap richting een circulaire economie in de industriële sectoren die kunststoffen verwerken.”
Het team van Fraunhofer IKTS denkt al na over de volgende stap. “Wij zijn in staat het pyrolyseproces aan te passen aan andere kunststoffen en materiaalmengsels. Industriële klanten kunnen met hun recyclingprobleem bij ons terecht en wij ontwikkelen dan een oplossing op maat”, aldus Jörg Kleeberg.
- Research Compact juni 2024 – Pyrolyse voor hoogwaardige gerecyclede kunststoffen
- Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS (ikts.fraunhofer.de)
