Recycling-Status von Kunststoffabfällen

Kunststoffe sind allgegenwärtig, werden auf vielfältige Weise klassifiziert und existieren in zahlreichen Varianten. Nach ihrem Verwendungszweck lassen sich Kunststoffe in Standardkunststoffe, technische Kunststoffe und Spezialkunststoffe unterteilen; nach der Bindungskraft der Polymere in Thermoplaste und Duroplaste; nach der Zusammensetzung der Kunststoffpolymere gibt es theoretisch Tausende von Arten. Zudem halten Wissenschaftler und Chemieunternehmen jedes Jahr ein gewisses Tempo bei Forschung und Entwicklung aufrecht, wodurch die Vielfalt der Kunststoffe stetig zunimmt. Derzeit umfassen die wichtigsten Kunststoffarten: PP, PE (LDPE, HDPE), PVC, PET und PS.

Der weltweite Kunststoffverbrauch ist enorm und steigt von Jahr zu Jahr, während die allgemeine Recyclingquote niedrig bleibt. Laut Statista lag die weltweite Jahresproduktion von Thermoplasten im Jahr 2020 bei nahezu erschreckenden 400 Millionen Tonnen und wird voraussichtlich alle fünf Jahre um mehr als 10 % rasant wachsen. Bis 2050 wird die weltweite Produktion von Thermoplasten voraussichtlich 589 Millionen Tonnen erreichen.

Da Kunststoffe eine äußerst wichtige Rolle im menschlichen Leben spielen, ist es schwierig, sie zu ersetzen. Angesichts der zunehmend kritischen Situation beim Umweltschutz ist das Recycling von Kunststoffabfällen daher zu einem Thema von allgemeinem Interesse für Regierung und Gesellschaft geworden. Vor diesem Hintergrund bewerten professionelle Analysten im Bereich Umweltschutz rund um das Recycling von Kunststoffabfällen aus wissenschaftlicher und technologischer Sicht die derzeit marktgängigen Recyclingtechnologien und vermitteln die wichtigsten technologischen Aspekte in diesem Bereich.

Recycling-Status von Kunststoffabfällen:

Prognose der weltweiten Thermoplastproduktion von 2020 bis 2050

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, hat PP unter den derzeit wichtigsten Thermoplasten das größte Produktionsvolumen, gefolgt von LDPE und HDPE. Allein diese drei Kunststoffe machen fast 50 % der gesamten Thermoplastproduktion aus.

Die Recyclingquote von Kunststoffabfällen ist niedrig, und die Unterschiede zwischen Regionen und verschiedenen Kategorien sind groß. Im Vergleich zur weltweit steigenden Kunststoffproduktion stagnieren die Recyclingquoten. Nach Angaben der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) werden weltweit nur etwa 14-18 % der Kunststoffabfälle recycelt und etwa 24 % verbrannt. Etwa 58 bis 62 Prozent der Kunststoffabfälle landen auf Deponien oder werden in der natürlichen Umwelt entsorgt. Die Recyclingquote von Kunststoffabfällen variiert stark von Region zu Region. Die allgemeine Recyclingquote für Kunststoffabfälle in der EU ist weltweit relativ hoch und hat sich seit 2014 bei über 30 % stabilisiert. Die Recyclingquote für Kunststoffabfälle in China ist ähnlich wie in der Europäischen Union und erreichte 2020 26,7 Prozent. Die Recyclingquoten in den Vereinigten Staaten liegen weit hinter anderen Regionen zurück, mit einer allgemeinen Recyclingquote von nur 8,7 Prozent im Jahr 2018.

Die Rückgewinnungsrate bei unterteilten Kunststoffen variiert stark. Das folgende Diagramm zeigt die von der OECD sortierten Recyclingquoten verschiedener Arten von Kunststoffabfällen in den USA. Es ist zu erkennen, dass die allgemeine Rückgewinnungsrate von PET und PE hoch ist und jeweils 10 % übersteigt, was über dem allgemeinen Recyclingniveau von Kunststoffabfällen in den Vereinigten Staaten liegt. Die Rückgewinnungsrate von PP, das das größte jährliche Produktionsvolumen aufweist, liegt jedoch bei unter 1 %, was weit unter dem allgemeinen Niveau des Kunststoffabfallrecyclings liegt.

Biologisch abbaubare Kunststoffe kommen auf, sind jedoch teuer und technologisch weniger ausgereift. Die folgende Tabelle ist eine Zusammenfassung der aktuellen Kunststoffproduktion, der technologischen Reife und des Preises auf dem Markt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, haben PBS und andere neue erneuerbare Kunststoffe im Vergleich zu ausgereiften Kunststoffprodukten wie PE, PP und PET keine Vorteile hinsichtlich technologischer Reife und Preis.

Daher ist Recycling eine zuverlässigere Lösung als das Vertrauen auf biologisch abbaubare Kunststoffe, um das Problem der Kunststoffabfälle zu lindern. Zudem ist der aktuelle Marktanteil von recycelten Kunststoffen im Vergleich zu Primärkunststoffen gering, es gibt also noch viel Raum für Wachstum. In diesem Zusammenhang ist das Verständnis der technischen Schlüsselpunkte im Kunststoffrecyclingprozess für Investoren in verwandten Bereichen von großer Bedeutung.

Analyse der Recyclingtechnologie von Kunststoffabfällen

Je nachdem, ob die Polymer-Kohlenstoffkette in Kunststoffen aufgebrochen wird, kann die Recyclingtechnologie für Kunststoffabfälle in physikalisches Recycling und chemisches Recycling unterteilt werden.

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Physikalisches Recycling (Recyclingmaschine)

Physikalisches Recycling bezeichnet das Verfahren, bei dem die Polymerstruktur des Kunststoffs nicht zerstört, sondern der Kunststoffabfall lediglich gereinigt, zerkleinert und anschließend direkt dem Kunststoffgranulierprozess unterzogen wird. Ein Teil des Prozesses kann auch die Plastifizierung umfassen. Der übliche Prozessablauf ist wie folgt:

Kunststoffsortierung:

Die Trennung erfolgt im Allgemeinen durch die physikalischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials, wie z. B. die Verwendung von Magnetkraft zur Entfernung eines Teils des Metalls im Ausgangsmaterial; einige schwer zu trennende Substanzen müssen möglicherweise auch manuell sortiert werden. Zu den gängigen Trennmethoden gehören: manuelle Trennung, Dichtetrennung, magnetische Trennung, Röntgenfluoreszenztrennung, elektrostatische Trennung usw.

Kunststoffwäsche und -trocknung:

Für verschiedene Verunreinigungen gibt es entsprechende Behandlungsmethoden. Zum Beispiel kann die Reinigung der Kunststoffoberfläche von Erde und Staub einfach durch Wasserreinigung erfolgen; bei Ölverschmutzungen kann Lauge erforderlich sein, aber diese Methode hat auch offensichtliche Nachteile – sie verursacht leicht Verschmutzungen. Die Trocknung nach der Reinigung ist relativ einfach und erfolgt im Allgemeinen mit einem Industrietrockner, um das Wasser vom Kunststoffkörper zu entfernen.

Kunststoffe werden nach der einfachen Sortierung und Reinigung im Allgemeinen mit industriellen Zerkleinerern für die Kunststoffzerkleinerung behandelt, um die nachfolgende Verarbeitung zu erleichtern. Industrielle Zerkleinerer verwenden im Allgemeinen Klingen, um Kunststoffe im Inneren zu zerkleinern, und je nach Härte oder Form des Ausgangsmaterials werden unterschiedliche industrielle Zerkleinerer eingesetzt. Je kleiner die Partikelgröße nach der Zerkleinerung ist, desto höher sind die Zerkleinerungskosten.

Zuführung und Plastifizierung:

Um die Qualität der Endprodukte in der Produktionslinie sicherzustellen, kann ein Teil des Prozesses Plastifizierungsschritte umfassen. Im Allgemeinen dient die Beschickung bei Thermoplasten dazu, die Kosten zu senken; bei Duroplasten dient die Beschickung der Kostenreduzierung und Modifizierung. Bei der Plastifizierung wird der Füllstoff und der Kunststoffabfall in einem Kneter bei einer Temperatur von etwa 100-200 °C gemischt, um einen Klumpen zu erzeugen, der die anschließende Extrusion erleichtert.

Kunststoff-Extrusionsgranulierung:

Im Allgemeinen wird ein Extruder verwendet, um aus Pellets recycelte Kunststoffpartikel herzustellen, wobei die Reaktionstemperatur etwa 150-250 °C beträgt.

Der physikalische Rückgewinnungsprozess ist relativ einfach und kann im Allgemeinen die meisten gängigen Kunststoffe auf dem Markt aufnehmen. Die Nachteile sind jedoch auch offensichtlich. Die nach dem physikalischen Recycling hergestellten Kunststoffe sind in der Regel minderwertige Kunststoffe, und die Leistung der Kunststoffe verringert sich nach wiederholtem physikalischem Recycling, sodass ein unendliches physikalisches Recycling nur schwer zu erreichen ist. Infolgedessen können einige Hersteller die Art des Kunststoffs, den sie in ihre Recycling-Produktionslinie einspeisen, begrenzen, um sicherzustellen, dass das Produkt ein hochwertiger Kunststoff ist, während andere möglicherweise nur PET-Flaschen recyceln. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anwendungsszenarien für die physikalische Rückgewinnung in vielerlei Hinsicht begrenzt sind.

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Chemisches Recycling:

Chemisches Recycling ist die Umwandlung von Polymer-Kohlenstoffketten in Kunststoffen in kleine Moleküle zur Herstellung von Kraftstoff, Chemikalien, Strom oder anderen Produkten. Zu den gängigen chemischen Recyclingmethoden gehören:

Verbrennungsstromerzeugung

Auch als Peroxidverfahren bekannt, kann es alle Arten von Kunststoffabfällen verarbeiten. Der Prozess wandelt Kohlenstoff und Wasserstoff aus Kunststoffabfällen in Kohlendioxid und Wasser um und erzeugt Wärme, die schließlich in Strom umgewandelt und in das Übertragungssystem eingespeist wird.

Die Verbrennungsstromerzeugung besteht im Allgemeinen aus drei Teilen: Fermentation, Verbrennung und Abfallentsorgung. Der Kunststoffabfall wird mit anderem Abfall gemischt und dann einfach fermentiert, bevor er in einem Verbrennungsofen verbrannt wird. Die bei der Verbrennung erzeugte Wärme wird verwendet, um Wasser im Kessel zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der zum Antrieb einer Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird. Die bei dem Prozess entstehende Schlacke und die im Rauchgas gesammelte Flugasche werden entsorgt und auf Deponien geschickt oder wiederverwendet, und das Rauchgas wird nach der Behandlung in die Atmosphäre abgegeben.

Chemisches Recycling ist die Umwandlung von Polymer-Kohlenstoffketten in Kunststoffen in kleine Moleküle zur Herstellung von Kraftstoff, Chemikalien, Strom oder anderen Produkten. Zu den gängigen chemischen Recyclingmethoden gehören:

Verbrennungsstromerzeugung

Auch als Peroxidverfahren bekannt, kann es alle Arten von Kunststoffabfällen verarbeiten. Der Prozess wandelt Kohlenstoff und Wasserstoff aus Kunststoffabfällen in Kohlendioxid und Wasser um und erzeugt Wärme, die schließlich in Strom umgewandelt und in das Übertragungssystem eingespeist wird.

Die Vor- und Nachteile der Verbrennungsstromerzeugung sind ebenfalls offensichtlich: Der Vorteil ist, dass die Anforderungen an das Ausgangsmaterial nicht hoch sind und alle Arten von Kunststoff verarbeitet werden können; der Nachteil ist, dass das bei der Verbrennung entstehende Abgas im Allgemeinen Schadstoffe enthält. Wenn der Kunststoffabfall im Ausgangsmaterial Chlor enthält, können giftige und schädliche Gase wie Dioxine entstehen.

Partieller Oxidationsprozess

Er eignet sich für Polyolefin-Kunststoffabfälle. Im Gegensatz zur Verbrennung ist kein überschüssiger Sauerstoff an der Reaktion beteiligt. Eine kleine Menge Sauerstoff reagiert mit dem Ausgangsmaterial zu Synthesegas (einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff), und das Endprodukt kann in der Kohlechemie zur Herstellung von Methanol und Ammoniak verwendet werden.

Partielle Oxidationsprozesse umfassen im Allgemeinen Trennung, Reinigung und Trocknung, Zerkleinerung, Schmelzen und Vergasung. Der Prozess der Sortierung, Reinigung, Trocknung und Zerkleinerung ist derselbe wie bei der physikalischen Rückgewinnung. Andere Prozesse werden im Folgenden hauptsächlich beschrieben:

Schmelzen: Die Temperatur liegt im Allgemeinen bei 100-500 °C. Einige Prozesse haben nur ein Schmelzen, und einige Prozesse können mehrere Schmelzvorgänge für einen besseren Schmelzeffekt haben. Beim Schmelzprozess entsteht etwas leichtes Komponentengas, das als Wärmequelle während des Schmelzens genutzt werden kann. Wenn das Ausgangsmaterial halogenhaltige Kunststoffe enthält, können zudem halogenhaltige Säuregase und halogenhaltige Verbindungen entstehen. Die Entstehung halogenhaltiger Verbindungen verringert die Ausbeute, und die Entstehung halogenhaltiger Verbindungen kann durch das Einleiten einer angemessenen Menge Dampf vermieden werden.

Vergasung: Die Reaktionstemperatur beträgt etwa 1000-1600 °C. Bei diesem Prozess wird gerade genug Luft oder Sauerstoff injiziert, um eine partielle Oxidation zu erreichen, wodurch Kohlenstoff- und Wasserstoffatome im Kunststoff in Kohlenmonoxid bzw. Wasserstoff umgewandelt werden. Die endgültigen Vergasungsprodukte können Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie eine kleine Menge Kohlendioxid, Wasserdampf, Halogengase usw. enthalten, wobei eine gewisse Menge an Verunreinigungsentfernung je nach Endverwendung des Produkts erfolgt. Neben Gasprodukten entsteht in der Regel auch Schlacke. Nach entsprechender Behandlung kann die Schlacke auf Deponien geschickt oder einer sekundären Verwendung zugeführt werden.

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Zusammenfassend

Da das Recycling von Kunststoffabfällen ein wichtiger Bestandteil der CO2-neutralen Ära ist, glauben wir, dass in absehbarer Zukunft durch technologische Befähigung minderwertige Kunststoffabfälle in Schätze verwandelt werden oder die nächste Umweltschutzindustrie zur Lösung der Kunststoffprobleme werden könnten.