Aufgaben: Nachhaltigkeit, Recycling und kritische Analyse

Das mechanische Recycling eines Thermoplasten kann Zerkleinern, Waschen und erneutes Formen durch Aufschmelzen umfassen. a) Begründen Sie, warum PET auf diesem Weg wiederaufbereitet werden kann, ein stark vernetztes Duroplast-Harz wie Bakelit dagegen nicht auf dieselbe Weise erneut aufgeschmolzen und geformt werden kann. b) Erklären Sie zwei Vorgänge, die die beliebige Wiederholung von Zyklen bei Thermoplasten begrenzen, und stellen Sie einen Zusammenhang zur Kettenlänge und zum Vorhandensein von Verunreinigungen her. Unterscheiden Sie die Wiederaufbereitung durch Aufschmelzen vom Zerkleinern eines Duroplasten zur Verwendung als Füllmaterial.

Eine bestimmte Verpackung aus Poly(milchsäure), PLA, wurde für die industrielle Kompostierung unter kontrollierten Bedingungen von Feuchtigkeit, Sauerstoff und mikrobieller Aktivität bei Temperaturen von etwa $55$–$60\,^{\circ}\mathrm{C}$ geprüft. a) Erklären Sie, warum das Ergebnis dieser Prüfung nicht belegt, dass sich jeder Gegenstand aus PLA im Meer schnell zersetzt, wo sich Temperatur, Dicke, Mikroorganismen und Expositionsdauer ändern. b) Unterscheiden Sie die Fragmentierung in kleine Partikel von Biodegradation und Mineralisierung. Begründen Sie, warum sich die Zertifizierung eines Produkts unter bestimmten Bedingungen nicht automatisch auf eine ganze Familie von Harzen übertragen lässt.

In einem Vorschlag zur Kreislaufwirtschaft gilt die Prioritätenfolge „Abfälle vermeiden, wiederverwenden und erst danach recyceln“. Eine Charge zurückgewonnenes PVC enthält Gemische aus Pigmenten, Weichmachern und anderen Additiven unterschiedlicher Herkunft. a) Erklären Sie, wie diese Mischung die Verwendung in einer Anwendung erschweren kann, die gleichbleibende Zusammensetzung, Festigkeit und Sicherheit verlangt. b) Vergleichen Sie das Recycling, das die Herstellung eines gleichwertigen Produkts ermöglicht, mit der Verwendung des Materials in einer Anwendung mit geringeren Anforderungen. Begründen Sie, warum die Verringerung unnötiger Materialien und die Konstruktion leicht trennbarer Bauteile Probleme vermeiden können, die das spätere Recycling nicht löst.

Eine Anlage verarbeitet $1000\,\mathrm{kg}$ unsortierten PET-Verpackungsabfall. Bei der Sortierung werden $150\,\mathrm{kg}$ ungeeignete Materialien entfernt; beim Waschen gehen $50\,\mathrm{kg}$ an Etiketten, Klebstoffen und Schlamm verloren; und bei der Extrusion gehen $40\,\mathrm{kg}$ durch Spülchargen, Restfeuchte und andere ausgeschiedene Materialien verloren. Der Stofffluss ist im Schema dargestellt:

1. a) Berechnen Sie die Endmasse des recycelten PET-Granulats und die gesamte Massenausbeute bezogen auf den Eingang. b) Erklären Sie, warum diese Ausbeute nicht ausreicht, um die Nachhaltigkeit zu bewerten: Nennen Sie zwei zusätzliche Daten zu Energie, Wasser, Emissionen oder Qualität des Polymers. Alle Verluste beziehen sich auf absolute Massen derselben Charge; vernachlässigen Sie andere Zufuhren und Anreicherungen.

Eine Studie vergleicht Tüten für den Transport eines Einkaufs von $15\,\mathrm{kg}$. Diese funktionelle Einheit erfordert eine Tüte aus Polyethylen hoher Dichte von $10\,\mathrm{g}$ oder zwei Papiertüten von je $40\,\mathrm{g}$. Die Herstellung verursacht $1{,}80\,\mathrm{kg}$ CO₂-Äquivalent pro Kilogramm Polyethylen und $1{,}10\,\mathrm{kg}$ pro Kilogramm Papier. Der Prozesswasserverbrauch beträgt jeweils $5{,}0$ und $50{,}0\,\mathrm{L}$ pro Kilogramm Material. a) Berechnen Sie die Emissionen und den Wasserverbrauch der Herstellung pro funktioneller Einheit für beide Optionen. b) Grenzen Sie ab, welchen Vergleich diese Ergebnisse erlauben und welche Informationen fehlen, um zu entscheiden, welche Option über den gesamten Lebenszyklus die geringere Umweltwirkung hat, einschließlich Wiederverwendung, Transport und Entsorgung.

Die Glykolyse von PET ist ein chemischer Recyclingweg, der Ethan-1,2-diol einsetzt und Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat, BHET, liefert. Im Grenzfall langer Ketten lautet die formale Bilanz pro Einheit:

Die molare Masse der PET-Einheit beträgt $192{,}2\,\mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ und die von BHET $254{,}2\,\mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$. a) Es werden $961{,}0\,\mathrm{kg}$ reines PET mit überschüssigem Diol umgesetzt und $1143{,}9\,\mathrm{kg}$ gereinigtes BHET isoliert. Berechnen Sie die Ausbeute bezogen auf das stöchiometrische Maximum. b) Erklären Sie, warum die Masse des Produkts die des eingesetzten PET übersteigen kann, ohne die Erhaltung der Materie zu verletzen. Vergleichen Sie eine Möglichkeit zur Reinigung und einen Energieaufwand dieses Wegs mit dem mechanischen Recycling.

Es werden zwei Verpackungen verglichen, die pro Nutzung $1\,\mathrm{L}$ Wasser abgeben. Eine Einweg-PET-Flasche verursacht $110\,\mathrm{g}$ CO₂-Äquivalent pro Nutzung, einschließlich Herstellung und Entsorgung. Eine Glasflasche verursacht $480\,\mathrm{g}$ bei der Herstellung und $40\,\mathrm{g}$ beim abschließenden Recycling; jede Nutzung fügt $22\,\mathrm{g}$ durch Spülen und $18\,\mathrm{g}$ durch zusätzlichen Transport hinzu. a) Formulieren Sie die kumulierten Emissionen beider Systeme nach $n$ Nutzungen und berechnen Sie die kleinste ganze Zahl an Nutzungen, für die das Glas streng weniger emittiert. Geben Sie an, wie vielen Wiederverwendungen nach der ersten Nutzung dieses Ergebnis entspricht. b) Eine unabhängige Verlustrate von 12 % pro Zyklus ergibt eine mittlere Lebensdauer von etwa 8,3 Nutzungen, ohne für jede Flasche ein Maximum festzulegen. Erklären Sie, warum Mittelwert, Streuung und tatsächliche Verluste berücksichtigt werden müssen, bevor der Umweltvorteil verallgemeinert wird.

Eine Polyethylentüte mit prooxidativen Additiven wird als „100 % ökologisch, oxo-biologisch abbaubar und abfallfrei“ beworben. Die Prüfungen zeigen, dass sie unter UV-Strahlung und Sauerstoff rasch zerfällt, liefern aber weder Messungen zur vollständigen Umwandlung des Kohlenstoffs in CO₂ noch zu Wirkungen auf Organismen. a) Erklären Sie, wie Oxidation und Kettenbruch kleine Fragmente erzeugen können, ohne eine biologische Mineralisierung zu belegen. b) Beurteilen Sie, welche Werbeaussagen mit diesen Daten unbegründet bleiben, und schlagen Sie messbare Nachweise zu ihrer Überprüfung vor: Bedingungen und Dauer der Prüfung, Kohlenstoffbilanz und Menge der Restpartikel. Setzen Sie Ihre Vorschläge in Beziehung zum Risiko der Bildung und Verbreitung von Mikroplastik. Als normative Angabe für diese Analyse gilt: Artikel 5 der Richtlinie (EU) 2019/904 verbietet das Inverkehrbringen von Produkten aus oxo-abbaubarem Kunststoff. Setzen Sie diese Maßnahme in Beziehung zum Unterschied zwischen Fragmentierung und biologischem Abbau.

Drei Schüler vergleichen Schalen aus EPS mit einem Biokomposit aus Myzel und Stroh. Das Prozessteam meldet eine Feuchtmasse von $200\,\mathrm{kg}$ pro Charge von 1000 Schalen; beim Trocknen werden 40 % dieser Masse entfernt. Die Pasteurisierung verbraucht $180\,\mathrm{MJ}$, ohne das Trocknen. Das Umweltteam schätzt einen Transport dieser Feuchtmasse über $120\,\mathrm{km}$ mit Emissionen von $0{,}12\,\mathrm{kg}$ CO₂-Äquivalent pro Tonne und Kilometer; für EPS liegt nur ein Herstellungsfaktor von $2{,}8\,\mathrm{kg}$ CO₂-Äquivalent pro Kilogramm vor. Das Team für Ökotoxikologie hat noch keine Daten zu Additiven und Sickerwässern. a) Berechnen Sie die Trockenmasse, die Pasteurisierungsenergie pro Kilogramm Trockenmasse und die Transportemissionen der Charge. b) Verfassen Sie ein gemeinsames Fazit, das berechenbare Ergebnisse von Unsicherheiten unterscheidet. Geben Sie an, warum die Masse des äquivalenten EPS, die Trocknungsenergie und weitere Daten fehlen, um die vollständigen Fußabdrücke zu vergleichen.

Herausforderung des Themas. Wie stark hängt dein Alltag von synthetischen Polymeren ab? Werde zum Umweltprüfer in deinem eigenen Zuhause und entwirf einen Plan für den Übergang zu nachhaltigeren Materialien.

1. Haushaltsprüfung: Wähle 5 Alltagsgegenstände (Verpackungen, Textilien oder Haushaltsartikel). Bestimme das Polymer, aus dem sie bestehen (Recyclingcode oder Etikett: PET, HDPE, Nylon usw.), und schätze ihre Masse mit einer Küchenwaage.

2. Makromolekulare Chemie: Ordne sie nach ihrer Polymerisationsart ein (Polyaddition oder Polykondensation). Gib die Strukturformeln der Monomere und die Wiederholungseinheit von mindestens zwei davon an: eines durch Polyaddition und eines durch Polykondensation gebildet.

3. Struktur und Eigenschaften: Begründe, wie zwischenmolekulare Kräfte (z. B. Dispersionskräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen) ihre Flexibilität, Wärmebeständigkeit und Eignung für das mechanische Recycling beeinflussen.

4. Kritische Analyse: Recherchiere auf der Website des MITECO oder von Ecoembes die Recyclingquote von Kunststoffverpackungen in Spanien (ca. $51,5\,\%$) und verfasse einen kurzen Bericht, in dem du praktikable Alternativen (Wiederverwendung, Biopolymere) vorschlägst, um den Kunststoff mit der größten Umweltwirkung deiner Auswahl zu ersetzen.

Bewertet werden:

• Genauigkeit bei der chemischen Formulierung der Monomere und der Zuordnung des Polymerisationsmechanismus.

• Schlüssige Argumentation, die Molekülstruktur, makroskopische Eigenschaften und Recyclingfähigkeit verknüpft.

• Analytische Qualität des Berichts auf Grundlage der erhobenen Haushaltsdaten und des Abgleichs mit amtlichen Quellen.