Thema des Monats März 2016

Kunststoff aus Abgas

Seit geraumer Zeit suchen Wissenschaftler nach umweltverträglichen Alternativen zu erdölbasiertem Kunststoff. Aanindeeta Banerjee und ihre Kollegen von der Stanford University haben nun einen Weg gefunden, gleich zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen: Sie entwickelten eine Methode, mit der ein PET-ähnlicher Biokunststoff aus Kohlendioxid und Pflanzenabfällen erzeugt werden kann.

Polyethylenterephthalat, kurz PET genannt, ist ein Polymer, das aus zwei erdölbasierten Grundbestandteilen hergestellt wird, Ethylenglykol und Terephthalsäure. Weltweit werden jährlich rund 50 Millionen Tonnen dieses Kunststoffs hergestellt – mit entsprechenden Umweltfolgen: "Durch die Nutzung von fossilen Grundstoffen und die für die Produktion verbrauchte Energie setzt jede Tonne PET vier Tonnen des Klimagases Kohendioxid frei", erklärt Professor Mathew Kanan von der Standford University.

Plastik-Rohstoff aus Pflanzenresten, Kohlendioxid und Karbonat

Polyethylenterephthalat (PET) ist ein durch Polykondensation hergestellter thermoplastischer Kunststoff. PET wird eingesetzt u. a. zur Herstellung von Kunststoffflaschen (PET-Flaschen), Folien und Textilfasern. Die weltweite Produktion liegt bei 40 Mio. t/Jahr. Quelle: wikipedia, istock/O. Hoffmann

Es gibt jedoch einen nachhaltigeren Ersatzstoff: Polyethylen-Furancarboxylsäure (PEF). Denn ihr Grundstoff 2,5-Furandicarboxylsäure (FDCA) kann aus Pflanzenstoffen hergestellt werden. Bisher gab es dabei jedoch ein Problem: FDCA ließ sich bisher nur aus Fruchtzucker erzeugen. Das sei jedoch problematisch, weil die Fructoseproduktion einhergeht mit einem vergeichsweise großen Emission an Kohlendioxid und zudem zulasten der landwirtschaftlichen Gewinnung von Nahrungsmitteln geht, erklärt Kanan.

Banerjee und ihre Kollegen haben nun einen anderen, einfacheren Weg gefunden, um FDCA herzustellen. Dafür vermischten sie die aus Pflanzenabfällen leicht gewinnbare Furan-2-Carbonsäure mit Cäsiumkarbonat, einem kohlenstoffhaltigen, aus Kalkgestein gewonnenen Salz. Diese Mischung erhitzten sie unter Zugabe von Kohlendioxid bis auf 200 Grad Celsius, bis sich eine Schmelze bildete.

Neue Chance für Bio-Plastik

Aanindeeta Banerjee und Matthew Kanan von der Standford University haben einen neuen Weg entwickelt, auf dem sich aus dem Abgas Kohlendioxid und Abfall Kunststoff herstellen lässt und damit ein wertvoller Beitrag zum Klima- und Umweltschutz geleistet werden kann. Foto: Standford University

Dabei geschah die entscheidende Reaktion: Nach fünf Stunden im Ofen hatten sich 89 Prozent der Salzschmelze in FDCA umgewandelt. Die Wissenschaftler haben damit einen Weg gefunden, um diesen wichtigen Bioplastik-Rohstoff auch aus harten Pflanzenabfällen wie Holzschnetzeln oder Gras zu produzieren. "Dies eröffnet einen Weg, um nichtessbare Biomasse und Kohlendioxid in einen wertvollen Chemierohstoff zu verwandeln", stellten die Forscher fest.

Das für den Prozess benötigte Kohlendioxid könnte beispielsweise aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen gewonnen werden, was zusätzlich dazu beitragen würde, den Treibhausausstoß zu senken. Hinzu kommt, dass das aus FDCA hergestellte Bio-Plastik PEF gerade für Kunststoffflaschen noch besser geeignet ist als das bisher eingesetzte PET: "PEF isoliert besser gegen Sauerstoff, was gerade für Flaschen nützlich ist", sagt Kanan.

Noch muss zwar einiges optimiert werden, um das Verfahren auch großtechnisch lohnend zu machen, aber die Forscher sind optimistisch, einem nachhaltigen Bio-Plastik einen Schritt näher gekommen zu sein. "Wir glauben, dass unsere Chemie das bisher ungenutzte Potenzial von PEF freisetzen kann", sagt Kanan.

Literatur
Aanindeeta Banerjee, Graham R. Dick, Tatsuhiko Yoshino und Matthew W. Kanan, Carbon dioxide utilization via carbonate-promoted C–H carboxylation, Nature 531 (2016) 215-219, doi: 10.1038/nature17185