Aufgaben: Verwertung von Kunststoffen und Bewertung

Eine PET-Pfandflasche beginnt als Rohstoff Erdöl in einer Raffinerie, in der Rohbenzin (Naphtha) abgetrennt wird. Im Chemiepark entstehen daraus Monomere, die zu PET verarbeitet werden. Das Granulat wird zu Flaschen geblasen, abgefüllt, im Supermarkt verkauft, von Kundinnen und Kunden zurückgegeben und schließlich verwertet.

1. a) Beschreiben Sie den Weg einer PET-Flasche von der Rohstoffgewinnung bis zur Verwertung in Stationen.

1. b) Nennen Sie die drei grundsätzlichen Möglichkeiten der Kunststoffverwertung und ordnen Sie ihnen jeweils ein Kernmerkmal zu.

1. c) Erläutern Sie den Zweck des Pfandsystems für Getränkeflaschen.

Eine Sortieranlage trennt einen Gemisch-Abfall aus Verpackungen durch Schwimm-Sink-Trennung in Wasser ($\rho = 1{,}00\,\mathrm{g/cm^3}$).

Kunststoff	Dichte in g/cm³
PP	0,91
PE	0,95
PS	1,05
PET	1,38
PVC	1,40

1. a) Ordnen Sie die Kunststoffe nach Schwimmern und Sinkern in Wasser.

1. b) Erklären Sie das Prinzip der Schwimm-Sink-Trennung.

1. c) Erklären Sie, warum Duroplaste und Elastomere nicht durch Einschmelzen werkstofflich verwertet werden können.

In einer Müllverbrennungsanlage werden Kunststoffabfälle energetisch verwertet. Der Heizwert von Polyethen beträgt etwa $43\,\mathrm{MJ/kg}$. Polyethen wird vereinfacht als $(\mathrm{CH_2})_n$ beschrieben. Es gilt $M(\mathrm{CH_2}) = 14{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{CO_2}) = 44{,}0\,\mathrm{g/mol}$.

1. a) Berechnen Sie die Energie, die bei der Verbrennung von $250\,\mathrm{kg}$ Polyethen freigesetzt wird.

1. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der vollständigen Verbrennung von $\mathrm{CH_2}$-Einheiten auf und berechnen Sie die Masse an Kohlenstoffdioxid, die bei der Verbrennung von $1{,}00\,\mathrm{kg}$ Polyethen entsteht.

1. c) Nennen Sie je einen Vor- und einen Nachteil der energetischen Verwertung.

In einer Region fallen $80\,\mathrm{t}$ gesammelte PET-Flaschen an. Verfahren und angenommene Kennzahlen:

• Werkstoffliches Recycling: $90\,\%$ der Menge sind sortenrein und verwertbar, davon werden $85\,\%$ zu Rezyklat-Granulat.

• Rohstoffliches Recycling (Depolymerisation): $80\,\%$ der Gesamtmenge werden zu Monomeren umgesetzt.

• Energetische Verwertung: Heizwert von PET $23\,\mathrm{MJ/kg}$.

1. a) Erläutern Sie die drei Verfahren und nennen Sie jeweils ein Produkt.

1. b) Berechnen Sie die Masse an Rezyklat-Granulat, die Masse an Monomeren und die bei vollständiger Verbrennung der $80\,\mathrm{t}$ freigesetzte Energie.

1. c) Vergleichen Sie die drei Verfahren anhand geeigneter Kriterien und geben Sie eine begründete Rangfolge an.

Vier Verpackungsmaterialien werden hinsichtlich Rohstoffbasis und Abbaubarkeit verglichen:

Material	Rohstoff	Abbaubarkeit
Bio-PE	Zuckerrohr	nicht biologisch abbaubar
PLA	Mais	industriell kompostierbar bei $58\,°\mathrm{C}$
Kunststoff C	Erdöl	biologisch abbaubar
PET	Erdöl	nicht biologisch abbaubar

Für PLA liegt eine Messreihe vor:

Bedingungen	Abbau nach 12 Wochen
Industrieanlage, $58\,°\mathrm{C}$	$90\,\%$
Gartenkompost, $20\,°\mathrm{C}$	$5\,\%$

1. a) Erklären Sie die Begriffe „biobasiert“ und „biologisch abbaubar“ und weisen Sie jedem Material aus der Tabelle die zutreffenden Merkmale zu.

1. b) Begründen Sie, warum biobasiert nicht gleichbedeutend mit biologisch abbaubar ist.

1. c) Beurteilen Sie die Aussage: „PLA-Verpackungen können bedenkenlos im Garten kompostiert werden.“

Ein Getränkehersteller vergleicht Mehrweg- und Einwegflaschen aus Kunststoff:

	Mehrweg-PET	Einweg-PET
Energiebedarf Herstellung je Flasche	5,0 MJ	3,0 MJ
Umläufe	25	1
Energiebedarf Reinigung je Umlauf	0,4 MJ	–

1. a) Berechnen Sie den Energiebedarf je Befüllung für beide Flaschentypen.

1. b) Berechnen Sie, ab welcher Umlaufzahl die Mehrwegflasche je Befüllung weniger Energie benötigt als die Einwegflasche.

1. c) Bewerten Sie beide Systeme unter ökologischen, ökonomischen und sozialen Gesichtspunkten und benennen Sie Grenzen des Vergleichs.

Ein Hersteller wirbt auf seinen Wegwerfbechern: „Unser oxo-abbaubarer Kunststoff zerfällt innerhalb von zwei Jahren rückstandsfrei – gut für die Umwelt!“ In einer unabhängigen Untersuchung wurde dieser Kunststoff unter Freilandbedingungen beobachtet:

Beobachtung nach 24 Monaten	Ergebnis
Zerfall in Fragmente kleiner als 5 mm	ja, nahezu vollständig
Anteil der Masse, der zu $\mathrm{CO_2}$ und Wasser umgesetzt wurde	$3\,\%$
Fragmente auffindbar im Boden	ja

Die Studie wurde vom Umweltbundesamt zusammengefasst. Der Werbetext stammt vom Hersteller.

1. a) Analysieren Sie beide Quellen im Hinblick auf Herkunft, Intention und Aussagekraft.

1. b) Beurteilen Sie die Werbeaussage anhand der Messwerte.

1. c) Leiten Sie Handlungsoptionen für Verbraucherinnen und Verbraucher sowie für den Gesetzgeber ab.

Die Stadt Dortmund möchte für den Wochenmarkt Verpackungen für Speisen einführen und vergleicht zwei Systeme für $10\,000$ Nutzungen.

	Mehrweg-Box aus PP	Einweg-Schale aus PLA
Masse je Stück	120 g	25 g
Nutzungen je Stück	200	1
Anschaffungspreis je Stück	3,50 €	0,12 €
Spülung je Nutzung	0,5 L Wasser, 0,05 €	–
Entsorgung	werkstoffliches Recycling	industrielle Kompostierung oder Müllverbrennung

1. a) Berechnen Sie für beide Systeme die Gesamtmasse an Kunststoff, die Gesamtkosten und das Volumen an Spülwasser für $10\,000$ Nutzungen.

1. b) Bewerten Sie die beiden Systeme unter ökologischen, ökonomischen und sozialen Gesichtspunkten.

1. c) Geben Sie eine begründete Handlungsempfehlung für die Stadt ab und nennen Sie Bedingungen, unter denen Ihre Empfehlung nicht mehr gelten würde.

Bei der Pyrolyse (rohstoffliche Verwertung) von $1{,}00\,\mathrm{t}$ Polyethen-Abfall unter Luftabschluss entstehen laut Messung: $700\,\mathrm{kg}$ Pyrolyseöl, $200\,\mathrm{kg}$ Pyrolysegas und $100\,\mathrm{kg}$ Koks. Der Prozess benötigt $3\,000\,\mathrm{MJ}$ Energie je Tonne Einsatz.

Produkt	Heizwert
Pyrolyseöl	41 MJ/kg
Pyrolysegas	48 MJ/kg
Koks	30 MJ/kg
Polyethen	43 MJ/kg

1. a) Berechnen Sie die im Pyrolyseprodukt gespeicherte Energie und die Energie bei direkter Verbrennung von $1{,}00\,\mathrm{t}$ Polyethen. Berechnen Sie außerdem die Nettoenergie nach Abzug des Prozessenergiebedarfs.

1. b) Erläutern Sie, wie das Pyrolyseöl stofflich genutzt werden kann, und grenzen Sie das Verfahren von der energetischen Verwertung ab.

1. c) Bewerten Sie das Pyrolyseverfahren im Vergleich zum werkstofflichen Recycling und zur Müllverbrennung im Hinblick auf Nachhaltigkeitsziele.