Anwendung der Thermoanalyse zur Untersuchung der Verwertungsprozesse ausgewählter Kunststoffe

 

Chemie  |  Biochemie  |  Medizin

 

Jakub Kwiatkowski, 2007 | Suhr, AG

 

Angesichts der zunehmenden Abfallproblematik von Kunststoffen werden in dieser Arbeit die Verwertungsprozesse von Kunststoffen am Beispiel von LDPE, PP und PLA untersucht. . Die Kunststoffe wurden auf zwei verschiedene Arten behandelt: die Pyrolyse in einer Inertgasatmosphäre und die Verbrennung in einer fast hundertprozentigen Sauerstoffatmosphäre. Die Thermogravimetrie und die DTA wurden als analytische Methoden verwendet. Es konnte festgestellt werden, dass die Verbrennung in einer niedrigeren Temperatur stattfindet als die Pyrolyse und keine Spuren am Tiegel bei der Verbrennung entstehen. Die Pyrolyse verläuft kontrollierter als die Verbrennung, jedoch bei höheren Temperaturen. Pyrolyseprodukte sind vorwiegend langkettige Kohlenwasserstoffe, deren Verwendung eine weitere Verarbeitung und Standardisierung erfordern. Daraus schlussfolgernd wird als Verwertungsprozess für LDPE und PP die Pyrolyse empfohlen, da die Produkte Potenzial auf Wiederverwendung aufweisen. Als Verwertungsprozess für PLA, sollte ein Kompostieren dieses Materials nicht möglich sein, wird die Verbrennung empfohlen. Hierbei sollte das Erhitzen über die Pyrolysetemperatur vermieden werden.

Fragestellung

Untersucht werden Polyethylene (konkret LDPE), PP und das Bioplastik PLA, welche im Jahr 2019 jeweils 24%, 16% und < 1% der gesamten Kunststoffproduktion ausmachten. Es wird das Verhalten dieser Polymere beim Erhitzen in einer Inertgasatmosphäre (Pyrolyse) bzw. einer oxidierenden Atmosphäre (Verbrennung) untersucht. Es soll festgestellt werden, bei welcher Temperatur der Polymerabbauprozess stattfindet und in welchem Ausmass die Reaktion erfolgt. Schlussendlich soll allen drei Kunststoffarten der optimale Verwertungsprozess zugeordnet werden.

Methodik

Alle Experimente wurden in einem simultanen Thermoanalyzer durchgeführt bei gleichzeitiger DTA- und TG-Messung und die Produkte in einem Massenspektrometer untersucht. Es wurde mit allen drei Kunststoffarten die Pyrolyse und die Verbrennung durchgeführt. Bei der Verbrennung waren Vorversuche zur Bestimmung der optimalen Atmosphäre nötig. Die Massenspektrometrie wurde aus technischen Gründen nur bei der Pyrolyse von PP durchgeführt.

Ergebnisse

Es konnte festgestellt werden, dass die Pyrolyse von LDPE, PP und PLA bei jeweils 361 °C, 342 °C und 322 °C einsetzt. Bei der Verbrennung betragen diese Temperaturen jeweils 210 °C, 215 °C und 311 °C. Bei der Polymerverbrennung wurde beobachtet, dass bei einer niedrigen Sauerstoffmenge die Verbrennung nur teilweise stattfand. Stattdessen wurde eine Pyrolyse beobachtet. Hierbei konnte auch bestimmt werden, dass für eine Verbrennung eine oxidierende Atmosphäre mit >90% Sauerstoff nötig ist. Bei LDPE und PP verlief die Pyrolyse kontrollierter als die Verbrennung, während sich bei PLA kein Unterschied zeigte. Die Massenspektrometrie der Pyrolyse von PP zeigte, dass vor allem langkettige Kohlenwasserstoffe wie 1-Decen oder 1-Undecen die Produkte dieser Reaktion bilden.

Diskussion

Der kontrollierte Verlauf der Verbrennung von PLA lässt sich darauf zurückführen, dass PLA Sauerstoff enthaltet. Ein Kausalzusammenhang zwischen dem Schmelzpunkt einer Kunststoffart und seiner Pyrolysetemperatur konnte widerlegt werden, da LDPE einen niedrigeren Schmelzpunkt, jedoch eine höhere Pyrolysetemperatur als PP hat. Die Produkte aus der Pyrolyse von PP würden sich zur Wiederverwendung als Bauteile von Polymeren eignen und den angenommenen Produkten der Verbrennung (CO2 und H2O) zu bevorzugen, sie müssten jedoch für eine Verwendung als Substrat in nachfolgenden Synthesen notwendig standardisiert werden. Für die Untersuchung der Fragestellung wurden die richtigen Methoden und das richtige Vorgehen gewählt, doch leider konnte wegen technischen Problemen die Massenspektrometrie nur bei der Pyrolyse von PP durchgeführt werden.

Schlussfolgerungen

Aus der Arbeit kann geschlussfolgert werden, dass sich die Pyrolyse für LDPE und PP besser als Verwertungsprozess eignet, da die Reaktion kontrollierter ist und die Produkte Potential zur Wiederverwendung aufweisen. Bei PLA ist, sofern eine Kompostierung nicht möglich ist, die Verbrennung aufgrund seiner niedrigeren Temperatur und der Absenz von Spuren zu bevorzugen. Nach wie vor bleibt offen, welche exakten Produkte bei den unterschiedlichen Reaktionen entstehen. Als weiterer Schritt wäre auch eine Untersuchung anderer Verwertungsprozesse wie der Vergasung denkbar.

 

 

Würdigung durch den Experten

Theodor Bühler

Jakub Kwiatkowski hat in seiner Maturaarbeit “Anwendung der Thermoanalyse zur Untersuchung der Verwertungsprozesse ausgewählter Kunststoffe.” eine saubere Gegenüberstellung von ausgewählten reinen Polymeren in Bezug auf deren Verwertbarkeit mittels Verbrennung und Pyrolyse verfolgt. Die Arbeit zeigt wie die Thermoanalyse als Beurteilungsmittel eingesetzt werden kann. Die Beurteilung der gestellten Hypothesen ist schlüssig und nachvollziehbar.

Prädikat:

Bronze

 

 

 

Alte Kantonsschule Aarau
Lehrer: Dr. Christoph Wullschleger