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Im Vorjahr ging der Chemie-Nobelpreis an drei Forscher (Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi) für die Entwicklung sogenannter "metallorganischer Gerüstverbindungen" (MOFs), die sich durch hohe Porosität auszeichnen und vielfältig eingesetzt werden können. Als ein Beispiel für solche Anwendungen nannte das Nobelpreis-Komitee damals die Wasserproduktion aus Wüstenluft.
Die Idee dahinter nennt sich "Atmospheric Water Harvesting" (AWH), also die Gewinnung von Wasser aus der Luftfeuchtigkeit. In vielen Regionen der Welt, insbesondere in trockenen Gebieten, enthält die Luft selbst bei geringer Luftfeuchtigkeit noch Wasserdampf. Diesen können spezielle Materialien aufnehmen. Werden diese dann erwärmt, geben sie das Wasser wieder ab und es kann gesammelt werden.
Materialien, die sich dafür eignen, sind neben MOFs etwa hygroskopische Salze, poröse anorganische Materialien wie Zeolithe oder kovalente organische Gerüste (COFs). "Trotz ihrer starken Wasseradsorptionsleistung bleibt der großtechnische und nachhaltige Einsatz dieser Materialien aufgrund energieintensiver Herstellung, hoher Materialkosten, Korrosionsrisiken oder eingeschränkter Recyclingfähigkeit eine Herausforderung", schreibt das Team um Robert Woodward vom Institut für Materialchemie der Universität Wien in seiner Arbeit.
Woodward hat nun gemeinsam mit Anastasiia Naryshkina und Paul Schweng ein Upcycling-Verfahren zur Herstellung hochporöser Materialien aus verschiedenen Kunststoffabfällen entwickelt. Im Mittelpunkt stehen dabei sogenannte aromatische Kunststoffe, also Polymere, deren Grundbausteine ringförmige Kohlenstoffstrukturen wie etwa Benzolringe enthalten. "Viele handelsübliche Polymere sind aromatisch, allen voran Polystyrol, das etwa in Verpackungen wie Joghurtbecher oder Styroporteile genutzt wird", erklärte Woodward gegenüber der APA.
Für ihre Arbeit nutzte das Forschungsteam nicht nur hochreine Modellpolymere, sondern auch Kunststoffabfälle. Dazu zählten neben Polystyrol auch Polycarbonat wie CDs oder ABS-Kunststoff, aus dem etwa Steckbausteine hergestellt werden.
Die Kunststoffe werden zunächst chemisch vernetzt. Dazu werden sie in einem Lösungsmittel aufgelöst und anschließend "zwischen den langen Polymerketten viele kurze chemische Brücken eingefügt, wodurch Netzwerke mit winzigen Hohlräumen entstehen", so Woodward. Dadurch bildet sich eine viel größere Oberfläche. Anschließend werden Sulfonsäuregruppen eingebaut, die das Material hydrophil (wasserliebend) machen. Das ermöglicht ihnen, Wasser direkt aus der Luft aufzunehmen und später durch Erwärmung wieder freizugeben.
Je nach Ausgangsstoff konnten diese Materialien bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 Prozent bis zu etwa 0,19 Gramm Wasser pro Gramm Material aufnehmen, bei einer Luftfeuchtigkeit von 90 Prozent bis zu 0,57 Gramm Wasser pro Gramm. Besonders gut schnitten dabei Materialien aus Polystyrol ab.
Die neu entwickelten Materialien zeichnen sich durch rasche Wasseraufnahme aus und erreichen selbst bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit von unter 30 Prozent innerhalb von rund einer Stunde ihr Gleichgewicht. Zur Freisetzung des gesammelten Wassers reicht moderates Erwärmen, wofür speziell in trockenen Regionen Solarenergie genutzt werden kann.
"Um Wasser in angemessener Zeit zu entfernen, empfehlen wir in der Regel Temperaturen von über 60 Grad Celsius, es funktioniert aber auch schon bei 30 und 45 Grad Celsius bei einem trockenen Luftstrom", erklärte der Chemiker. Erste Ergebnisse zeigten auch eine positive Langzeitstabilität: Die wiederverwerteten Kunststoffe können über mehrere Wassergewinnungszyklen hinweg wiederverwendet werden, ohne einer nennenswerten Beeinträchtigung ihrer Leistungsfähigkeit.
Während üblicherweise Kunststoffe für ihr Recycling sorgfältig sortiert werden müssen, zeigte das Forschungsteam, dass auch gemischte Kunststoffabfälle in leistungsfähige Wasseradsorbentien umgewandelt werden können. Das könnte die praktische Verwertung von Plastikmüll deutlich erleichtern. Die Möglichkeit, Kunststoffabfällen ein zweites Leben als nützliche Funktionsmaterialien zu geben, bietet für Woodward "einen vielversprechenden Weg zur Bewältigung zweier großer ökologischer Herausforderungen: der Plastikverschmutzung und der Wasserknappheit". Derartige Materialien könnten aber auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, etwa zur Energiespeicherung, Katalyse oder Gasreinigung.
ARCHIV - 08.06.2021, Nordrhein-Westfalen, Erftstadt: Sortierte Verpackungsabfälle stehen gepresst neben einer Halle, nachdem sie in der Sortieranlage eines Entsorgungsunternehmens getrennt worden sind. (zu dpa: «Koalitionsfraktionen planen neue Plastiksteuer») Foto: Rolf Vennenbernd/dpa +++ dpa-Bildfunk +++