Im Jahre 1907 stellte der belgisch-amerikanische Chemiker und Industrielle Leo Hendrik Baekeland (1863 bis 1944) mit Bakelit (Phenolharz-Preßmassen) den ersten vollsynthetischen Kunststoff her, dessen industrielle Produktion 1910 in Erkner bei Berlin anlief. Knapp 15 Jahre später begründete Hermann Staudinger (1881 bis 1965, Chemie-Nobelpreis 1953) mit der Erkenntnis, daß Kunststoffe aus riesigen Molekülketten bestehen, die moderne Polymerchemie. Sie hat unsere Industriegesellschaft entscheidend mitgeprägt.

Heute werden weltweit etwa 5000 Kunststoffarten hergestellt, von denen immerhin 50 große wirtschaftliche Bedeutung haben und von den eingesetzten Mengen her mit den Metallen vergleichbar sind. Im Automobilbau sind besonders das geringe Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit von Vorteil. Bestanden 1979 erst 2,9 Prozent eines Kraftfahrzeugs aus Kunststoff, so waren es 1991 bereit 13 Prozent. Soll dieses Verkehrsmittel zur Verminderung des Treibstoffverbrauchs noch leichter werden, wird auch dort der Anteil an Kunststoffen in den nächsten Jahren weiter zunehmen (Bild 1).

Anfangs waren Kunststoffe überwiegend Ausgangsmaterial für einfache Gebrauchsgüter wie Fasern, Folien und Gehäuse; inzwischen aber setzt man sie ihrer vielfältigen Vorzüge wegen mehr und mehr in hochwertigen, funktionell anspruchsvollen Produkten aus Bereichen wie Elektronik, Medizin und Umweltschutz ein. Immer häufiger werden sie auch im Verbund mit anderen Werkstoffen verwendet; so bestehen Windschutzscheiben heute aus Glas und weichgemachter Polyvinylbutyral-Folie, die bei einem Bruch verhindert, daß die Splitter davonspritzen und die Insassen verletzen.


Verwertung von Altkunststoffen

Kunststoffe sind wegen ihrer Korrosionsfestigkeit sehr beständig. Dies bedeutet, daß sie am Ende ihrer Gebrauchsdauer meist im wesentlichen unverändert vorliegen und sich so für eine Wiederverwertung geradezu anbieten.

Der kostengünstigste Fall ist gewöhnlich, wenn sich Altprodukte direkt wiederverwenden lassen. In vielen Ländern sind beispielsweise Mehrwegsysteme bei Flaschenkästen üblich, und in den USA werden auch Altgeräte durch Produkt-Recycling wieder gebrauchsfähig gemacht.

Wenig Aufwand beim Recycling erfordern auch sortenreine Produktionsabfälle bei industriellen Kunststoffproduzenten oder -verarbeitern. In Deutschland sind das zur Zeit 450000 Tonnen Polymere jährlich, die direkt wiederverwendet werden.

Dem stehen rund drei Millionen Tonnen Altkunststoffe aus Gewerbe- und Haushaltsabfällen gegenüber. Der Haushaltsabfall beispielsweise besteht zu 7 Prozent seines Gewichtes und 25 Prozent des Volumens aus Kunststoffen (meist in Form von Verpackungen). Diese liegen gewöhnlich im Gemisch oder Verbund mit den verschiedensten Materialien sowie mit undefinierten Fremdstoffen vor, die ihnen nicht nur äußerlich anhaften, sondern auch als Flüssigkeiten oder Gase in das Polymer eindiffundiert sein können. Vielfach handelt es sich – wie bei konfektionierten Kabeln in elektrischen und elektronischen Geräten oder im Auto – auch um schwer zugängliche Komponenten eines Produkts. Teilweise gelingt hier ein Material-Recycling unter Erhaltung des Kunststoffs durch Umschmelzen. Dies ist das heute am meisten praktizierte Verfahren.

Noch in den Anfängen steckt dagegen das chemische Recycling; dabei werden durch Hydrierung, Pyrolyse, thermischen oder oxidativen Abbau von Kunststoffen Gase und Öle erzeugt, die als Rohstoff und Ölersatz für die Kunststoffproduktion verwendet oder zur Energieerzeugung genutzt werden (siehe Kasten auf Seite 108).

Bei manchen Altprodukten werden noch keine wirtschaftlich sinnvollen Methoden des Recyclings angewandt. Da das Einsammeln, Sortieren und Reini-gen der in Zusammensetzung und Verschmutzungsgrad sehr unterschiedlichen Abfälle bisher nicht optimiert ist, kann es noch kostenintensiver sein als die Neuherstellung. Obwohl in Deutschland mit der Einführung des Dualen Systems diese Kosten dem Hersteller (und damit indirekt dem Verbraucher) aufgebürdet und im Prinzip die Voraussetzungen für ein weitgehendes Recycling geschaffen worden sind, kann man bisher – weil erst neue Anlagenkapazität geschaffen werden muß – nur etwa 15 Prozent der Altkunststoffe wiederverwerten. Vom Rest (2,5 Millionen Tonnen) werden rund zwei Drittel auf der Deponie zwischengelagert und ein Teil exportiert.

Material-Recycling über Umschmelzen oder Lösen

Von den drei Kunststoffarten – Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren – sind die Thermoplaste aufschmelzbar, weil sie aus frei gegeneinander verschiebbaren Polymerketten bestehen (siehe Kasten auf Seite 104). Sie lassen sich mithin durch Wärmeeinwirkung wieder verformen und erlauben so ein Material-Recycling durch einfaches Umschmelzen. Immerhin machen sie rund 80 Prozent aller Polymere aus.

Sollen die zurückgewonnenen Kunststoffe ihre ursprünglichen Eigenschaften weitgehend bewahren, müssen sie vor dem Umschmelzen in sortenreinen Fraktionen gewonnen werden. Dazu sind sie, wenn sie nicht von Hand demontiert und sortiert werden, zunächst mit Mühlen zu zerkleinern. Das Mahlen ist wegen des hohen Energieverbrauchs und des Verschleißes an Schneidmessern freilich nicht nur ziemlich teuer, sondern zusätzlich materialschädigend. Als vorteilhafter hat sich dagegen das bei uns am Fachbereich Polymertechnik der Technischen Universität Berlin erprobte Zerkleinern mit langsam laufenden Schreddern erwiesen.

Beim maschinellen Sortieren des Abfalls nutzt man solche Eigenschaften wie die Dichte bei der Schwimm-Sink-Trennung in Flüssigkeiten (gewöhnlich Wasser), den Magnetismus zur Trennung in Eisen-, Nichteisen- und Nichtmetalle, die Schattenfläche im Verhältnis zum Gewicht von unzerkleinerten Produkten beim Windsichten und schließlich die Schmelzpunkte bei der Schmelzefiltration. In Pilot-Sortieranlagen werden die Polymere auch bereits mit spektroskopischen und elektrostatischen Verfahren anhand ihrer chemischen Struktur identifiziert und getrennt.

Vielfach sind die Gemische aus Altkunststoffen sehr komplex und enthalten Komponenten mit chemisch oder physikalisch ähnlichen Eigenschaften sowie undefinierte Fremdstoffe. Selbst identische Polymere unterscheiden sich oft in den Zusätzen, den Additiven. Daher ist es technisch aufwendig und oft sogar unmöglich, ein sortenreines Recyclat zu produzieren. In diesem Falle besteht das umgeschmolzene Material aus Kunststoff- oder Werkstoff-Kunststoffgemischen, die nur noch für einfache Produkte wie Lärmschutzwände oder Parkbänke zu verwenden sind.

Selbst das Waschen von Altkunststoffen ist wegen der erforderlichen aufwendigen Reinigung der Abwässer inzwischen ein sehr kostenintensiver Schritt. Außerdem lassen sich dabei die ins Polymer eindiffundierten Fremdstoffe nicht abtrennen; die wiedergewonnenen Kunststoffe haben dann schlechte Materialeigenschaften oder sind überhaupt unbrauchbar.

Beim Umschmelzen werden die gemahlenen Altkunststoffe in Schnecken aufgeschmolzen, durch Lochplatten gepreßt (extrudiert) und anschließend granuliert. Die Hitzeeinwirkung und die Scherung im Extruder wirken dabei mehr oder weniger schädigend auf die Substanzen, und die Polymere zersetzen sich teilweise chemisch (hauptsächlich werden die Polymerketten gespalten). Naturgemäß ist dies besonders dann der Fall, wenn die Altkunststoffe bereits vorgeschädigt und stark mit Fremdstoffen verunreinigt sind.

Zwar kann man durch stabilisierende Additive die Schädigung beim Umschmelzen einschränken, dennoch bietet im allgemeinen nur das sortenreine Erfassen die Voraussetzungen, aus dem Recyclat wieder technisch anspruchsvolle Produkte herzustellen (Bild 2). Zweifellos ist wegen der großen Verteilung und der Vielzahl an unterschiedlichen Produkten das gezielte Sammeln sehr kostenintensiv. Durch Optimierung der Sammelmethoden gilt es, diese Kosten möglichst gering zu halten.

Viele der geschilderten Probleme lassen sich vermeiden, wenn man die aufzuarbeitenden Kunststoffe, statt sie aufzuschmelzen, mit einem organischen Lösungsmittel behandelt. Ist dieses den Polymeren strukturell ähnlich, so lassen sich Thermoplaste dank intensiver Wechselwirkungen mit dem Solvens oft vollständig auflösen, ohne daß chemische Reaktionen stattfinden müssen. Dabei treten keinerlei thermische oder mechanische Belastungen auf. Füllstoffe und die meisten Additive bleiben zurück und lassen sich abfiltrieren. Durch anschließendes Eindampfen gewinnt man das Polymer mit den in Lösung gegangenen Zusätzen zurück und kann das so gereinigte Polymer-Additiv-Gemisch weiterverarbeiten.

Wegen der unterschiedlichen Struktur von Polymeren und der Vielzahl zur Verfügung stehender Lösungsmittel können aus einem Verbund oder Gemisch von Kunststoffen auch einzelne Komponenten selektiv herausgelöst werden. Schließlich besteht die Möglichkeit, das Polymer durch Zugabe eines Fällungsmittels aus der Lösung abzuscheiden.

Bei vernetzten Kunststoffen und geringeren Wechselwirkungen diffundiert das Lösungsmittel lediglich in den Kunststoff ein, so daß er aufquillt. Dadurch lassen sich aber auch in diesem Falle zumindest die löslichen Zusatzstoffe extrahieren, so daß das Polymer für die Weiterverarbeitung vorgereinigt wird. In einem bei uns entwickelten Verfahren werden so zum Beispiel Pflanzenschutzmittel aus dem Polyethylen von Behältern extrahiert.

Daß sich das Löse-Recycling trotz all der geschilderten Vorteile gegenüber dem Umschmelzen bisher nicht durchsetzen konnte, hat verfahrenstechnische Gründe. Während das Umschmelzen problemlos in existierenden Extrudern möglich ist, müssen für das Recycling per Lösungsmittel eigene Anlagen entworfen, genehmigt und gebaut werden. Außerdem läßt sich das Löse-Recycling im Gegensatz zum Umschmelzen nicht von den Kunststoff-Verarbeitern durchführen.

Kunststoffkreislauf-Wirtschaft

Ziel jedes Recyclings ist es, Materialkreisläufe zu schaffen (Bild 3). Je kleiner dabei der Kreislauf, desto ökonomischer ist er. Deshalb sollte, wenn irgend möglich, das Produkt-Recycling gewählt werden, bei dem mit geringem Aufwand durch Auffrischen der verbrauchten Güter neuwertige Produkte entstehen. Ist dieser Weg nicht möglich, bietet das kunststoff-schonende Material-Recy-cling mit kontinuierlicher Qualitätskontrolle die nächstbeste Wahl. Das dabei anfallende Recyclat kann zu neuen, gleichwertigen Produkten verarbeitet werden – im Idealfall denselben, aus denen der Altkunststoff stammte. Dagegen fließt der beim chemischen Recy-cling erhaltene Rohstoff – je nach Verfahrenstyp in Form von Polymerkettenfragmenten – wieder in die Polymerisation. Ergebnis kann aber auch ein Öl sein, das wie Erdöl raffiniert oder zur Energiegewinnung verwendet wird.

Unter allen Umständen den Kreislauf eines Kunststoffs in einem bestimmten Produkt mit einer vorgegebenen Recy-cling-Art erzwingen zu wollen, auch wenn das nicht wirtschaftlich ist, wäre paradox. Die Wiederverwertung soll nicht nur umweltschonend sein, sondern auch einen energetischen und stofflichen und damit wirtschaftlichen Nutzen bringen. Um das zu erreichen, darf man die einzelnen Kreisläufe für ein Kunststoffprodukt nicht isoliert betrachten. Erst durch Verknüpfen und Kombinieren von Materialkreisläufen läßt sich ein umweltschonendes und ökonomisch sinnvolles System erreichen.

Dafür ist die Verbindung von Lösungsmittel- und Kunststoff-Recycling ein gutes Beispiel (Bild 4). Der energetisch aufwendigste Schritt beim Lösungsmittel-Recycling ist die Destillation der Lösungsmittel; und weil dies auch beim Material-Recycling über Lösen erforderlich ist, kann man beides sinnvoll kombinieren. So entstehen aus Altkunststoffen neue Polymere und gleichzeitig aus gebrauchten frische, gereinigte Lösungsmittel.

Zudem sollten die Recycling-Methoden in Kunststoffkreisläufen weitgehend auf die jeweiligen Produkte abgestimmt sein. Ganz besondere Ansprüche stellen dabei komplexe Verbundsysteme aus Kunststoffen mit anderen Werkstoffen. Ein bei uns entwickeltes elegantes Verfahren eines sanften Recyclings löst von aluminium-beschichteten Kunststoffen (Verbundfolien, Compact Discs, Reflektoren) das Metall zwischen dem Polymer und der Deckschicht (Lack oder Papier) heraus; dadurch kann der Kunststoff sortenrein zurückgewonnen werden. Nutzt man spezielle Eigenschaften von Altprodukten, lassen sich zudem eventuell einzelne Verfahrensschritte einsparen. So haben wir beim Recycling von Polycarbonat aus Compact Discs durch Optimieren unseres Verfahrens erreicht, daß auch ohne Umschmelzen ein Granulat hergestellt werden kann.

Bei vielen anderen Werkstoffen im Verbund mit Kunststoffen – zum Beispiel bei Leitungssätzen und metallverstärkten Kunststoff-Autozierleisten – ist eine Trennung allerdings so schwierig, daß herkömmliche Verfahren bisher versagten. Um auch bei diesen Altprodukten die Komponenten wirtschaftlich zurückzugewinnen, arbeiten seit einigen Jahren weltweit mehrere Institute – darunter auch das Kunststofftechnikum der Technischen Universität Berlin – an neuen Verfahren mit Lösungsmitteln (siehe auch den Beitrag auf Seite 114).

Überdies haben wir vielfältige Konzepte für übergreifende Strategien entwickelt, um einen Mehrfach-Nutzen zu erzielen, der das Recycling wirtschaftlicher macht. Eine aussichtsreiche Möglichkeit dazu ist, die vor dem eigentlichen Material-Recycling erforderlichen Schritte wie Trennen, Sortieren und Reinigen in den Recycling-Prozeß zu integrieren (Bild 5). Man kann sogar die anschließende Weiterverarbeitung mit einbeziehen. Beispielsweise eignen sich entstehende Lösungen in hochkonzentrierter Form für Klebstoffe oder in verdünnter Form für Beschichtungen und Lacke. Einen zusätzlichen Nutzen bringt auch die gleichzeitige Abtrennung und Rückführung von Additiven und Schwermetallen.

Die gelösten Altkunststoffe lassen sich auch chemisch verändern. So kann man die Eigenschaften der Polymerketten oder der Additive gezielt einstellen. Hier wird die Grenze zum chemischen Recycling erreicht.

Im günstigsten Fall liefert die integrierte Aufarbeitung Produkte, die in ihren Eigenschaften neuwertigen Gütern gleichen. Beispielsweise läßt sich aus Altkabeln durch Material-Recycling über Lösen ein Polyvinylchlorid-Pulver gewinnen, das dem frisch hergestellten Material gleichwertig ist und direkt verarbeitet werden kann (Bild 6).

Dies zeigt, daß eine Kreislaufwirtschaft mit ausgeklügelter Verfahrensführung viele bisher nicht genutzte Möglichkeiten eröffnet, Kunststoffe wirtschaftlicher und umweltfreundlicher wiederzuverwerten.

Künftige Entwicklung

Wie gesagt, ist ein Hauptgrund für die Probleme beim Recycling, daß viele Produkte aus unterschiedlichen Werkstoffen in Verbunden oder Gemischen bestehen. Bis vor kurzem setzte man bei der Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen eben voraus, daß die meisten Güter nach Gebrauch einfach deponiert oder verbrannt würden. Sinnvoll ist aber, schon bei der Gestaltung des Produkts an späteres Recycling zu denken. Von der Herstellung der Polymere über Entwurf und Konstruktion der daraus gefertigten Produkte bis zu den zu erwartenden Veränderungen beim Gebrauch sollte vorab berücksichtigt werden, wie sich der beim Recycling zu treibende Aufwand für das Erfassen, Trennen und Sortieren sowie für den Wiederverwertungsprozeß selbst minimieren läßt. Ein erster, zur Zeit diskutierter Ansatz wäre, die Kunststofftypen bereits bei der Herstellung zu kennzeichnen.

Die künftige Entwicklung geht dahin, einerseits durch abgemagerte, schonendere Varianten des Umschmelzens hochwertigere Recyclate zu gewinnen und andererseits innovative sanfte Methoden wie die Löseverfahren einzuführen. Möglichkeiten birgt auch das chemische Recycling, das im Vergleich zur Herstellung von Polymeren aus neuen Rohstoffen noch unterentwickelt ist. Schließlich läßt sich, wie beim Kunststoff-Recycling über Lösen gezeigt, durch synergistische Kombination von Kreisläufen sicherlich noch in vielen Fällen ein Mehrfachnutzen und damit eine bessere Wertschöpfung erreichen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1993, Seite 102
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