Bei PET-Kunststoffabfällen ist wegen ihres kurzen Produktlebenszyklus großes Potential zur Erschließung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft vorhanden. Deshalb ist es das Ziel dieses Forschungsprojektes einen geschlossenen PET-Recycling-Kreislauf mittels nachhaltigem chemischen Recycling zu erschließen. In dieser Arbeit erfolgt die Depolymerisation durch die PET-Glykolyse, die in Abbildung 1 dargestellt ist. In der Gleichgewichtsreaktion wird PET mit einem Glykol (hier: Ethylenglykol) unter moderaten Betriebsbedingungen (T = 190 °C, p = 1 bar) und dem Einsatz eines Katalysators zu dem Monomer BHET umgesetzt. In der Rückreaktion, der Polykondensation, kann aus dem Monomer wieder PET hergestellt werden.

Abbildung 1: Gleichgewichtsreaktion von PET und EG zum gewünschten BHET-Monomer

Für einen möglichst effizienten Prozess müssen sowohl das Upstreaming (Depolymerisation) hinsichtlich der Reaktionsbedingungen (z.B. Temperatur, Lösungsmitteleinsatz, Konzentrationsverhältnisse) als auch das Downstreaming (Kristallisation, Fest-Flüssig-Trennung, Waschung) untersucht und optimiert werden.

In ersten experimentellen Untersuchungen wurden das Reaktionsgleichgewicht und die –kinetik ohne den Einsatz eines zusätzlichen Lösungsmittels (LM) analysiert. Zusammenfassend bewirkt sowohl mehr Katalysator als auch ein größeres Verhältnis von EG zu PET ein schnelleres Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichtes. Für industriell relevante Eduktverhältnisse wird dies nach spätesten 2 h Reaktionszeit erreicht. Wie der Abbildung 2 zu entnehmen ist, bewirkt ein hohes Verhältnis von EG zu PET ebenfalls einen höheren Gleichgewichtsumsatz. Es können nahezu vollständige PET-Umsätze (> 95 %) und hohe Prozessausbeuten von ca. 70 % erzielt werden. Somit stellt der hier verwendete Natriumethanolat-Katalysator eine umweltfreundlichere und konkurrenzfähige Alternative gegenüber etablierten Schwermetall-Katalysatoren dar.

Abbildung 2: Gleichgewichtsumsätze und Prozessausbeuten unter Variation des Eduktverhältnisses

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der thermodynamischen Modellierung des Reaktionssystems, um Reaktionsgleichgewichte und –kinetiken z.B. unter Lösungsmitteleinfluss und/oder veränderten Reaktandenverhältnissen vorherzusagen. Grundlage dafür sind experimentelle Reinstoff- und Phasengleichgewichtsdaten der Reaktionsteilnehmer, die teils aus der Literatur entnommen, teils auch selbst vermessen werden. Eine Skizze, wie das thermodynamische Modell aufgebaut ist, ist der Abbildung 3 zu entnehmen. Für das Reaktionssystem ohne zusätzliches Lösungsmittel werden Reinstoffparameter der Reaktanden PET, EG und BHET als auch drei binäre Wechselwirkungsparameter kij zwischen den Reaktanden benötigt. Wenn der Lösungsmitteleinfluss untersucht werden soll, sind zusätzlich dessen Reinstoffparameter als auch kijs mit den Reaktanden erforderlich. Der Einsatz eines zusätzlichen Lösungsmittels bietet die Möglichkeit die Kinetik deutlich zu beschleunigen, sodass das Reaktionsgleichgewicht in einer sehr viel kürzeren Zeit erreicht werden kann. Die Modellierung soll es ermöglichen, schnelle Kinetiken und hohe Umsätze unter Variation von Eduktverhältnissen und Lösungsmittelmengen vorherzusagen. Diese Ergebnisse werden außerdem experimentell validiert.

Abbildung 3: Skizze zur thermodynamischen Modellierung des Reaktionsgemisches

Neben der Depolymerisation liegt ein weiterer Fokus auf dem Downstreaming (Kristallisation, Fest-Flüssig-Trennung, Waschung) des Prozesses. Das Ziel besteht darin, die nach der Reaktion im Reaktionsgemisch vorliegenden BHET-Monomere in hoher Reinheit und hoher Prozessausbeute zu erhalten. Um diesen Prozessschritt zu untersuchen und zu optimieren sind Löslichkeitsdaten des Monomers in EG/LM-Gemischen in Abhängigkeit der Temperatur erforderlich. Insgesamt soll durch dieses Forschungsprojekt der effizienteste Gesamtprozess entwickelt und wirtschaftlich bewertet werden.