Plastiktüten könnten künftig zu einem Rohstoff für die Herstellung von Nylon werden. Was bislang überwiegend aus Erdöl produziert wird, ließe sich dann zumindest teilweise aus Kunststoffabfällen gewinnen.
Am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock haben Chemiker einen Weg gefunden, Polyethylen unter vergleichsweise milden Bedingungen in Dicarbonsäuren umzuwandeln. Diese chemischen Verbindungen können als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Polyamid dienen. Das Besondere: Die Reaktion benötigt keinen Katalysator und kommt mit Temperaturen von maximal 120 °C aus.
Den Wissenschaftlern ist es gelungen, Dicarbonsäuren mit Kettenlängen zwischen vier und zehn Kohlenstoffatomen herzustellen. Für den angestrebten Einsatz als Ausgangsstoff für Nylon benötigen sie jedoch insbesondere Verbindungen mit genau sechs Kohlenstoffatomen. Die Selektivität der Reaktion muss deshalb weiter verbessert werden.
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Polyethylen-Recycling: Warum die Pyrolyse an Grenzen stößt
Polyethylen gehört zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen. Es steckt unter anderem in Plastiktüten und macht gemeinsam mit Polypropylen einen erheblichen Anteil des weltweiten Kunststoffabfalls aus. Nach Angaben des LIKAT entfallen auf diese beiden Polyolefine rund vier Fünftel der Kunststoffabfälle, deren jährliches Aufkommen weltweit auf etwa 400 Mio. t geschätzt wird.
Für das chemische Recycling dieser Kunststoffe hat sich bislang vor allem die Pyrolyse etabliert. Dabei wird der Kunststoff laut Esteban Mejía auf bis zu 600 °C erhitzt. Bei diesem Verfahren entsteht ein ölartiges Produkt, das sich als chemischer Rohstoff nutzen lässt.
Nach Darstellung des Forschers verursacht der Prozess selbst keine CO₂-Emissionen. Problematisch ist jedoch der hohe Energiebedarf, der den CO₂-Fußabdruck des Verfahrens erheblich belastet. Mejía verweist darauf, dass Umweltbehörden die Pyrolyse zunehmend kritisch betrachten und in den USA bereits entsprechende Anlagen stillgelegt würden.
Die Rostocker Chemiker suchen deshalb nach einem anderen Weg, um Polyethylen chemisch aufzuschließen und daraus höherwertige Ausgangsstoffe zu gewinnen.
Reaktive Sauerstoffverbindungen zerlegen die Kunststoffketten
Ein Ansatzpunkt sind oxidative Verfahren, bei denen sogenannte reaktive Sauerstoffspezies eine entscheidende Rolle spielen. Diese Verbindungen werden als ROS bezeichnet, abgeleitet vom englischen Begriff reactive oxygen species. Die reaktiven Sauerstoffspezies greifen die chemische Struktur des Kunststoffs an und ermöglichen dessen Abbau. „ROS zerlegen das Polyethylen chemisch. Sie fressen quasi das Material“, erläutert Mejía.
Bekannte katalytische Verfahren, die diesen Mechanismus nutzen, haben allerdings Nachteile. Sie benötigen hohe Drücke, was nach Angaben des Forschers mit Explosionsgefahren verbunden ist und die Übertragung in größere technische Maßstäbe erschwert. Hinzu kommt, dass die eingesetzten Katalysatoren auf Edelmetallen basieren. Das verteuert den Prozess und schafft zusätzliche Abhängigkeiten von den entsprechenden Rohstoffmärkten.
Bei der Suche nach Alternativen stieß die Arbeitsgruppe auf Veröffentlichungen, in denen Polyethylen bereits mithilfe von Salpetersäure in Dicarbonsäuren umgewandelt worden war. Die beschriebenen Verfahren arbeiteten allerdings unter vergleichsweise anspruchsvollen Bedingungen, beispielsweise mit hochkonzentrierter Salpetersäure bei 180 °C und unter Einsatz von Mikrowellen.
„Das sind recht harsche Prozesse“, sagt Esteban Mejía, „doch es reizte uns, den Weg mit Salpetersäure weiter zu verfolgen und den Prozess zu vereinfachen.“
Plastiktüte löst sich bei 120 °C auf
Seit April 2026 beschäftigt sich der Postdoktorand Dr. Satyajit Panda am LIKAT mit diesem Forschungsansatz. Zeitweise wurde er von einem Masterstudenten der Universität Rostock unterstützt. Durch Literaturrecherchen und experimentelle Versuche entwickelte die Arbeitsgruppe schließlich eine Reaktion, die mit stark verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid auskommt.
Esteban Mejía beschreibt den Versuch so: „Du gibst Stücke einer Plastiktüte in ein Reagenzglas mit stark verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid, erhitzt das Ganze auf maximal 120 °C und kannst dabei zuschauen, wie das Polyethylen sich auflöst.“ Damit gelang es den Forschenden, Polyethylen unter deutlich milderen Bedingungen umzusetzen als bei den zuvor beschriebenen Verfahren mit hochkonzentrierter Salpetersäure. Ein zusätzlicher Katalysator ist für die Reaktion nicht erforderlich.
Die eigentliche Herausforderung liegt allerdings nicht allein darin, den Kunststoff chemisch aufzulösen. Entscheidend ist vielmehr, welche Verbindungen während der Reaktion entstehen und wie sich deren Zusammensetzung beeinflussen lässt.
Die Wärmezufuhr entscheidet über das Reaktionsergebnis
Die Umwandlung von Polyethylen in Dicarbonsäuren erfolgt über mehrere Reaktionsstufen. Dabei entstehen Zwischenprodukte, die sich im weiteren Verlauf chemisch verändern. Wie lange diese Zwischenprodukte im Reaktionsprozess verbleiben und unter welchen Bedingungen sie weiterreagieren, beeinflusst die Zusammensetzung des Endprodukts. „Wichtig ist ein bestimmtes Regime der Wärmezufuhr“, erläutert Esteban Mejía.
Für Nylon sind sechs Kohlenstoffatome entscheidend
Dicarbonsäuren können Kohlenstoffketten unterschiedlicher Länge besitzen. In bisherigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen wurden bei der Umwandlung von Polyethylen Produkte mit Kettenlängen zwischen zwei und mehr als 40 Kohlenstoffatomen beschrieben.
Diese Stoffgemische wurden unter anderem als Tenside für die Seifenherstellung genutzt. Die Rostocker Forschenden wollten aber Dicarbonsäuren gewinnen, die sich für die Herstellung von Polyamid eignen. Dabei geht es um eine Verbindung mit einer Kettenlänge von genau sechs Kohlenstoffatomen.
In den bisherigen Experimenten gelang es der Arbeitsgruppe, die Kettenlängen der entstehenden Dicarbonsäuren auf einen Bereich zwischen vier und zehn Kohlenstoffatomen einzugrenzen.
Die gewünschte Selektivität für das Zielprodukt mit sechs Kohlenstoffatomen wurde jedoch noch nicht erzielt. Um die Zusammensetzung zu verbessern, wollen die LIKAT-Chemiker mit Prof. Dr. Udo Kragl von der Technischen Chemie der Universität Rostock zusammenarbeiten. Für die geplanten Untersuchungen wurde unter anderem eine Projektförderung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) beantragt.
Was während der Reaktion tatsächlich passiert
Ein weiterer Schwerpunkt der geplanten Forschungsarbeiten ist die Aufklärung des Reaktionsmechanismus. Gemeinsam mit Analytikern am LIKAT wollen die Wissenschaftler untersuchen, welche chemischen Zwischenprodukte bei der Umwandlung von Polyethylen entstehen und wie sich deren Konzentration im zeitlichen Verlauf verändert.
Dabei gehe es vor allem darum herauszufinden, „welche Intermediate sich wann und wie schnell im Reaktionsprozess bilden“, erklärt Esteban Mejía. Die Ergebnisse sollen helfen, die Reaktion gezielter zu steuern und die Ausbeute der gewünschten Dicarbonsäuren zu erhöhen.
Zusätzlich arbeitet das Team mit einem Wissenschaftler der Universität Guayaquil in Ecuador zusammen. Dort wird in photochemischen Experimenten untersucht, welchen Einfluss Licht auf die Funktion der reaktiven Sauerstoffspezies hat. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen sollen zum besseren Verständnis der chemischen Prozesse beitragen.
Kunststoffabfälle als Rohstoff für die Polyamidproduktion
Das wirtschaftliche Potenzial des Forschungsansatzes ergibt sich aus den großen Mengen an Kunststoffabfällen und dem Bedarf an Polyamid. Weltweit werden nach Angaben des LIKAT schätzungsweise acht Millionen Tonnen Polyamid hergestellt. Die Produktion basiert bislang überwiegend auf Erdöl als primärer Rohstoffquelle.
Sollte es gelingen, Polyethylen in größerem Maßstab gezielt in geeignete Dicarbonsäuren umzuwandeln, könnte ein Teil der fossilen Ausgangsstoffe durch chemisch aufbereitete Kunststoffabfälle ersetzt werden.
„Eine massenhafte Aufbereitung für die Nylon-Produktion würde die Umwelt entlasten und die Industrie in diesem Bereich unabhängig von fossilen Rohstoffen machen“, sagt Esteban Mejía. Bis dahin ist es weit. Langfristiges Ziel ist ein Verfahren im Technikumsmaßstab. Auch eine Fachveröffentlichung steht noch aus; das Team bereitet nach eigenen Angaben einen Beitrag für das Journal of the American Chemical Society vor.
