Die Pfandflasche im Kreislauf
AFB I–IIPfandflaschen aus PET werden in Deutschland fast vollständig zurückgegeben. Im Recyclingbetrieb werden sie nach Farbe sortiert, zerkleinert, heiß gewaschen und in einem Wasserbecken getrennt: Die Flakes aus PET sinken, die Flakes der Deckel (PE-HD) und Etiketten (PP) schwimmen. Die PET-Flakes werden getrocknet, eingeschmolzen und zu neuen Flaschen verarbeitet („bottle-to-bottle“). Nach mehreren Durchläufen wird das Material zunehmend spröde und wird dann zu Fasern für Fleecejacken verarbeitet.
| Stoff | Dichte in g/cm³ | molare Masse |
|---|---|---|
| PET (Repetiereinheit \(\ce{C10H8O4}\)) | 1,38 | \(192{,}17\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| PE-HD | 0,94–0,97 | — |
| PP | 0,90–0,91 | — |
| \(\ce{CO2}\) | — | \(44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
- Nennen Sie die drei Wege der Kunststoffverwertung und ordnen Sie das beschriebene Verfahren ein.
- Erläutern Sie die Trennung im Wasserbecken mithilfe von M1.
- Berechnen Sie die Masse an Kohlenstoffdioxid, die beim Verbrennen von 1,00 t PET entstünde.
- Begründen Sie, warum PET-Rezyklat nach mehreren Durchläufen spröde wird und dann nur noch zu Fasern verarbeitet wird.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Werkstoffliche Verwertung (Makromoleküle bleiben erhalten), rohstoffliche Verwertung (Spaltung in kleine Moleküle, z. B. Pyrolyse, Hydrolyse), energetische Verwertung (Verbrennung). Bottle-to-bottle ist werkstoffliches Recycling.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
PET hat mit 1,38 g/cm³ eine größere Dichte als Wasser und sinkt. PE-HD und PP sind leichter als Wasser (unter 1,00 g/cm³) und schwimmen. So entstehen sortenreine PET-Flakes — Voraussetzung für hochwertiges Rezyklat.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{C10H8O4 + 10 O2 -> 10 CO2 + 4 H2O}\); \(n = 10^{6}\,\mathrm{g}/192{,}17\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 5204\,\mathrm{mol}\); \(m(\ce{CO2}) = 10\cdot 5204\,\mathrm{mol}\cdot 44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 2{,}29\,\mathrm{t}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Beim Einschmelzen können Esterbindungen durch Restwasser hydrolysiert und durch Hitze gespalten werden; die Ketten werden kürzer. Kürzere Ketten haben weniger Kontaktfläche, die zwischenmolekularen Kräfte sind schwächer, das Material wird weniger fest und spröde. Für Flaschen (Druck, Dichtigkeit) reicht die Qualität dann nicht mehr; Fasern stellen geringere Anforderungen (Downcycling).
Öl aus Kunststoffabfall
AFB II–IIIGemischte, verschmutzte Kunststoffabfälle aus Polyolefinen (PE, PP) lassen sich kaum werkstofflich recyceln. Ein Unternehmen plant deshalb eine Pyrolyseanlage: Der Abfall wird unter Luftausschluss auf 400 bis 500 °C erhitzt. Die Makromoleküle zerfallen in Alkane und Alkene unterschiedlicher Kettenlänge, die als Öl kondensieren; kurze Moleküle bleiben gasförmig. Das Öl kann in Raffinerien wieder zu Ethen und Propen verarbeitet werden.
| Größe | Wert je t Abfall |
|---|---|
| Pyrolyseöl | 0,70 t |
| Pyrolysegas (wird zur Beheizung des Reaktors verbrannt) | 0,20 t |
| fester Rückstand (Koks, Füllstoffe) | 0,10 t |
| Energiebedarf der Anlage | etwa 3 GJ, zum großen Teil durch das Pyrolysegas gedeckt |
| Chlorgehalt | PVC-Anteile führen zu Chlorwasserstoff im Öl |
- Beschreiben Sie die Vorgänge bei der Pyrolyse auf der Teilchenebene.
- Formulieren Sie die Gleichung für die Spaltung eines Kettenausschnitts \(\ce{C20H42}\) in ein Alkan und ein Alken mit je zehn C-Atomen, und geben Sie einen Nachweis für das Alken an.
- Werten Sie M2 im Hinblick auf die Massen- und Energiebilanz aus.
- Bewerten Sie die Pyrolyse im Vergleich zur energetischen Verwertung gemischter Kunststoffabfälle.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Durch die hohe Temperatur schwingen die Atome der Ketten so stark, dass C–C-Bindungen an zufälligen Stellen brechen; es entstehen kürzere Bruchstücke (Alkane und Alkene). Unter Luftausschluss kann der Kohlenstoff nicht zu CO₂ oxidiert werden — die Bruchstücke bleiben als brennbare Rohstoffe erhalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{C20H42 -> C10H22 + C10H20}\) (Decan + Decen). Nachweis: Bromwasser wird durch das Alken entfärbt (Addition an die C=C-Doppelbindung).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Massenbilanz: 70 % des Abfalls werden als Öl wieder Rohstoff (stoffliche Verwertung); 20 % werden als Gas verbrannt und liefern die Prozesswärme, 10 % sind Rückstand. Energiebilanz: Die Pyrolyse ist endotherm (Bindungen werden gespalten) und braucht etwa 3 GJ je Tonne, die größtenteils aus dem eigenen Gas stammen — ein Teil des Kohlenstoffs wird also doch verbrannt. PVC-Anteile verunreinigen das Öl mit Chlorwasserstoff; eine Vorsortierung ist nötig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für die Pyrolyse: Der größte Teil des Kohlenstoffs bleibt im Stoffkreislauf, Erdöl wird eingespart; geeignet für Abfälle, die werkstofflich nicht verwertbar sind. Gegen: hoher Energiebedarf, Anlagen sind teuer, Rückstände und Chlorverbindungen müssen behandelt werden, das Öl muss aufwendig in der Raffinerie weiterverarbeitet werden. Energetische Verwertung ist einfach und nutzt die Wärme vollständig, setzt aber den gesamten Kohlenstoff sofort als CO₂ frei. Urteil: Für gemischte Polyolefin-Abfälle ist die Pyrolyse ökologisch sinnvoller, sofern die Energie weitgehend aus dem Prozess selbst stammt; werkstoffliches Recycling sortenreiner Abfälle bleibt vorrangig.