PMMA-Regenerierung: vom Abfall zur A-Ware

Dieser Tex44αIII Versuchsextruder von JSW wurde für die Depolymerisation von PMMA-Abfällen modifiziert und für die Regenerierung eingesetzt. Foto: JSW/MMA-two

Auch verunreinigte PMMA-Abfälle lassen sich mit einem modifizierten Doppelschneckenextruder regenerieren und in den Sekundärrohstoff rMMA umwandeln.

Die Depolymerisation zur Regenerierung von PMMA-Abfällen ist nicht nur "nice to have" zum Wohle der Umwelt, sondern vor allem eine enorme Ressource und ein Kapital, das bis heute im industriellen Maßstab kaum professionell genutzt wird. MMA-two geht die wirtschaftliche Lösung dieses Umweltproblems methodisch an. Zu diesem Zweck haben sich 13 europäische Unternehmen zusammengeschlossen und gehen im Rahmen des EU-Programms Horizon 2020 gemeinsam voran.

Den technischen Schwerpunkt bildet das JSW Europe Extrusion Technical Center mit einem modifizierten JSW-Doppelschneckenextruder Tex44αIII. Mit ihm werden verschiedene Testreihen zur Depolymerisation von PMMA durchgeführt.

Verfahren setzt ökologisch und ökonomisch neue Akzente beim PMMA-Recycling

Makoto Tojo, Technical Manager der Japan Steel Works Europe GmbH, Düsseldorf: „Wir kommen der industriellen, wirtschaftlich hochinteressanten Umsetzung unseres PMMA-Depolymerisationsprojekts immer näher." Foto: Behne

„Verschiedene Arten und Mischungen von PMMA-Abfällen zu recyceln, ist gar nicht so einfach. Wir testen aber gerade ein Verfahren, das – selbstbewusst wie wir sind – sowohl ökologisch als auch ökonomisch neue Akzente bei diesem Thema setzt“, sagt Makoto Tojo, Technical Manager der Japan Steel Works Europe GmbH (JSW-EU), Düsseldorf.

Sein Kollege, Hayato Hobo, JSW-EU Sales Representative, erläutert die Rahmenbedingungen: „Der größte Teil des Kunststoffrecyclings – nicht nur von PMMA – erfolgt derzeit mechanisch. Bei diesem Verfahren wird die Qualität des Kunststoffs mit jedem Mal, wenn er recycliert wird, immer schwächer. Durch die Regenerierung in Verbindung mit dem Depolymerisationsprozess kann jedoch eine Umwandlung des Polymers in Monomer erreicht werden.“

Und PMMA ist nach Überzeugung von Hobo definitiv das Polymer, das durch thermische Depolymerisation in seinen monomeren Zustand regeneriert werden kann: „Wohlgemerkt: Wir können nicht sagen, dass die thermische Depolymerisation auf alle Kunststoffe angewendet werden kann. Zum Beispiel ist Polycarbonat einer der Konkurrenten von PMMA, was die optischen Eigenschaften betrifft, aber es kann nicht zum Monomer zurück-depolymerisiert werden. Auch Polystyrol kann auf die gleiche Weise recycelt werden, die Ausbeute ist jedoch geringer.“

Für die Depolymerisation von PMMA wird vor allem in Asien häufig das Verfahren der Trockendestillation eingesetzt. Die Technologie ist kapitalschonend, aber die Reinheit des zurückgewonnenen Monomers ist in der Regel gering und liegt unter den Erwartungen des EU-Marktes. Außerdem ist es nicht sehr energieeffizient. Zudem ist die Palette der PMMA-Sorten, die behandelt werden können, begrenzt. Das herkömmliche Verfahren zur PMMA-Depolymerisation in Europa ist das Bleischmelzbadverfahren. Nur hochwertige PMMA-Abfälle, wie zum Beispiel post-industrieller Rückstand, können mit diesem Verfahren recycelt werden.

Depolymerisation mit modifiziertem Doppelschneckenextruder

Hayato Hobo, JSW-EU Sales Representative: "Das Depolymerisationsverfahren mit unserem Tex-Doppelschneckenextruder kann eine breite Palette von PMMA-Abfällen – einschließlich Altware, die anorganische Verunreinigungen enthält – verarbeiten und eine hohe Ausbeute erzielen." Foto: Behne

Anders bei der Lösung von JSW. Hayato Hobo: „Das Depolymerisationsverfahren mit unserem Tex-Doppelschneckenextruder kann jedoch eine breite Palette von PMMA-Abfällen – einschließlich Altware, die anorganische Verunreinigungen enthält – verarbeiten und eine hohe Ausbeute erzielen. Durch den Erfolg des MMA-two-Projekts kann eine große Menge an Abfällen, die normalerweise deponiert, verbrannt oder exportiert werden, mehrfach recycelt und immer wieder verwendet werden.“

Hayato Hobo über den Verlauf des MMA-two-Projekts: „Arkema hat uns zum ersten Mal im Juni 2017 kontaktiert. Wir fuhren nach Paris und erklärten das Patent von JSW aus dem Jahre 1997, bei dem es um das chemische Recycling von PMMA geht. Zu diesem Zeitpunkt kannten wir den Plan für das Projekt noch nicht. Im November 2017 hatten wir ein Treffen mit Arkema und Heathland, und sie luden uns ein, im Konsortium als Schlüsseltechnologieanbieter für die Depolymerisation mitzuarbeiten. Das dann gegründete MMA-two-Konsortium bereitete den Antrag vor und reichte ihn bei der zuständigen EU-Kommission ein, die daraufhin das Projekt genehmigte und das Budget freigab. So startete das MMA-two-Projekt im Oktober 2018. Die Laufzeit des Projekts beträgt vier Jahre und endet somit im September 2022."

Die Aufgabe besteht also darin, ein innovatives Verfahren für das Recycling von postindustriellen und unbrauchbaren PMMA-Abfällen zu Methylmethacrylat (MMA)-Rohstoff der zweiten Generation – also rMMA – zu entwickeln und eine zweite Wertschöpfungskette für diesen Kunststoff aufzubauen. Auf diesen ersten Schritt folgt ein großer zweiter: Am 1. Oktober 2018 wird MMA-two gegründet.

Gemeinschaftsprojekt von 13 EU-Unternehmen

13 Unternehmen aus 6 EU-Ländern engagieren sich in dem Projekt unter der Koordination von Arkema/Frankreich und Heathland/Niederlande: Quantis ist ein Partner, der die Ökobilanz für die verschiedenen Design-Optionen für die MMAtwo-Wertschöpfungskette erstellt. PDC entwickelt das Prozessdesign und führt die techno-ökonomischen Bewertungen durch. Certech ist der Chemie-Partner, der die Emissions- und Geruchsanalysen sowie die Standardisierung der PMMA-Abfallanalyse durchführt. Die Universität Gent ist der akademische Partner für das Verständnis der Depolymerisationskinetik, einschließlich der Validierung der Testwerte.

Ecologic, Arkema, Delta Glass und Heathland beschaffen die Abfälle. Heathland und Comet Traitements sind für die Materialtrennung/Vorbehandlung zuständig. JSW-EU ist für die gesamte Extrusionstechnik verantwortlich. Speichim übernimmt die Endreinigung des rohen MMA, und Delta Glass, Arkema und Plados Telma sind die Endverbraucher des vom Konsortium zurückgewonnenen Materials.

Last but not least hilft Ayming beim Projektmanagement. Immerhin fließen Fördermittel in das Projekt – 6,6 Mio. EUR aus dem EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020.

Der erste Versuchsaufbau stand im Juni 2020 im Technikum von JSW in Düsseldorf bereit. „Die Basis war unser gleichlaufender Tex44αIII-Doppelschneckenextruder. Diesen mussten wir zuvor für die Hochtemperatur-Depolymerisation von postindustriellen und Alt-PMMA-Abfällen umrüsten. Unser Werk in Japan hat die notwendigen Komponenten nach unseren konzeptionellen Vorgaben konstruiert und gebaut sowie die entsprechenden Computerprogramme implementiert", erklärt Makoto Tojo.

Regenerierung macht aus verschmutztem PMMA-Abfall hochwertigen Rohstoff

In einem ersten Schritt wurden zunächst relativ reine PMMA-Abfälle verarbeitet. In den beiden folgenden Versuchen im Jahr 2020 lag der Fokus auf verunreinigtem PMMA-Abfallmaterial. „Das sind eindeutig schwer zu regenerierende Abfälle in unterschiedlichen Verschmutzungsgraden, Farben et cetera“, räumt der technische Leiter ein, „und diese konnten wir schließlich in den hochwertigen Sekundärrohstoff rMMA umwandeln.“

Das Verfahren zur Regeneration von PMMA-Abfällen wurde im Extrusion Technical Center von JSW in Düsseldorf im November 2020 erfolgreich getestet. Foto: JSW/MMA-two

Der Depolymerisationsprozess erfolgt durch Aufschmelzen des Materials in der vorgelagerten Zone des speziellen Tex44αIII-Doppelschneckenextruders, mit anschließendem Erhitzen der Schmelze auf Depolymerisationstemperatur und Umwandlung in gasförmige Materie in der nachgelagerten Zone des Extruders, wobei das verflüssigte Produkt im anschließenden Kondensationstank aufgenommen wird. JSW erreichte die angestrebte rMMA-Reinheit, und das rMMA wurde an Speichim und Arkema zur weiteren Verarbeitung und Anwendung geliefert.

In einem MMAtwo-Newsletter heißt es: "Im November 2020 wurden in Düsseldorf eine ganze Woche lang Depolymerisationsversuche im kleinen Maßstab (entsprechend einer Kapazität von etwa 1.000 t/a) durchgeführt, bei denen verschiedene PMMA-Abfälle als Ausgangsmaterial für die Produktion von hochwertigem rMMA verwendet wurden. Unter den Abfällen, die alle mit der MMAtwo-Technologie verarbeitet wurden, befanden sich PMMA-WEEE- und PMMA-Verbundabfälle, die hervorragende Ausbeuten an regeneriertem Roh-MMA lieferten."

Industrielle Umsetzung der PMMA-Depolymerisation rückt immer näher

Die nächsten Etappen: Im Frühjahr 2021 soll die vierte Versuchsreihe in Angriff genommen werden „Wir kommen der industriellen, wirtschaftlich hochinteressanten Umsetzung unseres PMMA-Depolymerisationsprojekts immer näher. Der Personalbedarf ist im Vergleich zum konkurrierenden konventionellen Verfahren deutlich geringer. Der ökologische Vorteil, die Nachhaltigkeit und die Bedienersicherheit stehen außer Frage“, resümiert Makoto Tojo.

Für 2021 stehen noch zwei bis drei weitere experimentelle Testreihen auf dem Plan. Der Beitrag von JSW Europe – die Entwicklung einer technischen Lösung für die Monomerisierung von verschiedenen PMMA-Abfällen – steht bald vor seinem Abschluss. Kurz nach dem Ende des Projekts soll die erste kommerzielle Anlage in Betrieb genommen werden.

gk

PMMA – Zahlen-Daten-Fakten

PMMA (Acrylglas) hat hervorragende optische und physikalische Eigenschaften. Es wird zur Verglasung zum Beispiel von Wohnwagen, Fassaden, Möbeln und Fahrzeugrückleuchten verwendet. Auch Flachbildschirme, Leuchtreklamen, Werbe-, Dekorations- und Schmuckartikel werden aus Acrylglas hergestellt. Die IT-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Pharmaindustrien verwenden PMMA. Für einen Marktwert von rund einer 1 Mrd. EUR werden derzeit allein in Europa jährlich etwa 300.000 t dieses Materials produziert. Nur 10 % davon werden derzeit am Ende des Produktzyklus gesammelt und recycelt. Der weitaus größere Anteil wird exportiert, deponiert oder verbrannt.