Techniek met licht kan plastic afbreken en helemaal hergebruiken

Plasticvervuiling teistert land en oceaan. Chemici zoeken manieren om plasticmoleculen uit elkaar te halen om er later weer nieuw, hoogwaardig plastic van te maken. Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben een meer dan honderd jaar geleden ontdekte chemische reactie op basis van licht hiervoor ingezet.

Anders dan bij andere fotochemische recyclingmethoden kunnen de plasticmoleculen met hun aanpak niet alleen losgeknipt maar ook opnieuw gekoppeld worden met behulp van licht, schrijven ze in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials. „Dat is nog niet eerder gedaan”, zegt Fabian Eisenreich, assistant professor Chemical Engineering en Chemistry aan de TU Eindhoven en een van de auteurs van het onderzoek. „Het maakt deze plasticmoleculen helemaal circulair.”

Mechanische recycling

Net als plastic zelf is ook plasticrecycling er in vele soorten en maten. Mechanische recycling wordt in de praktijk nu mondjesmaat toegepast. Hierbij worden grote stukken plastic gesorteerd per soort en opgeknipt in snippers die hergebruikt kunnen worden. Bedrijven die hiermee bezig zijn hebben het de laatste jaren echter zwaar, omdat oliebedrijven volop inzetten op de productie van plastic waardoor nieuw plastic goedkoper is dan hergebruikt plastic.

Ondertussen vindt er veel onderzoek plaats in de richting van chemische recycling. Hierbij worden de lange ketens van moleculen waar plastic uit bestaat – polymeren – omgezet in kleine moleculen – monomeren – die weer als nieuwe bouwstenen voor plastic of andere chemische producten kunnen dienen. Hoge temperaturen of licht drijven de chemische reacties voor het opknippen aan, eventueel in combinatie met een katalysator.

„Het voordeel van licht is dat het veel minder energie vraagt dan hitte”, zegt Eisenreich. „Chemisch gezien zijn er ook belangrijke verschillen. Met licht zijn moleculen selectief aan te pakken. Als je plastic verhit, tot 500 tot 800 graden, dan breekt het de polymeren ook wel, maar je krijgt dan een complexe mix van verschillende moleculen in plaats van gerichte monomeren van één soort.”

Toch is het ook met licht nog moeilijk om precies de juiste bouwblokken terug te krijgen om er nieuw plastic van te maken. „Meestal worden de moleculen die na fotochemische recycling overblijven in andere chemische processen ingezet. Dat wordt wel gezien als hoogwaardig hergebruik, maar het maakt de plastic-cirkel niet helemaal rond.”

Fotochemische transformaties

Dat is nu wel gelukt, dankzij een proces in twee stappen. Het idee voor het eerste deel van de aanpak deed Eisenreich op tijdens de voorbereiding van een college voor studenten. „Ik keek oude tekstboeken over fotochemie in en kwam de pinacol coupling-reacties tegen. Dat zijn uitgebreid bestudeerde fotochemische transformaties die in 1900 al zijn ontdekt. Daarbij ontstaat onder invloed van licht een stabiele koolstof-koolstofbinding. Ik was verrast dat ik nergens onderzoek kon vinden dat deze aanpak succesvol had toegepast op polymeren. In de jaren 70 was wel een poging gedaan, maar dat was op niks uitgelopen.”

Sindsdien is er op het gebied van licht veel vernieuwing geweest. Met LED is gekleurd licht met veel energie eenvoudig uit te zenden, dat heeft voor fotochemie veel nieuwe mogelijkheden opgeleverd. Eisenreich en zijn collega’s besloten opnieuw te proberen de pinacol coupling-reacties te gebruiken voor het maken van polymeren. Met succes.

Blauw LED-licht

Om de cirkel te kunnen sluiten moeten de gemaakte polymeren selectief losgeknipt worden, in monomeren waarmee de pinacol coupling-reactie opnieuw kan plaatsvinden. Dat gebeurt met een ander chemisch proces. „We gebruiken naast blauw LED-licht daarbij ook een katalysator, ceriumchloride”, zegt Eisenreich. „Onze polymeer is alleen ontvankelijk voor het licht als ook de katalysator aanwezig is. Het molecuul breekt dan op precies de juiste plek.”

Eisenreich wil met zijn aanpak nu meer polymeren gaan maken. Op bestaand plastic is zijn methode niet toe te passen. Ook biedt het geen oplossing voor problemen rond verzamelen en sorteren van verschillende soorten plastic. „We ontwerpen nieuwe polymeren die hopelijk ooit in de plaats kunnen komen van nu veelgebruikte plastics zoals PP en PE. Met dezelfde kwaliteiten qua gebruik, maar gemaakt met recyclen indachtig.”