Long-chain aliphatic monomers from HDPE: Value-added chemistry towards circular economy DeHPOL

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 719.07.23

Key words (German)

chemisches Recycling, HDPE, high-density polyethylen, katalytischen Dehydrierung, Depolymerisation, langkettige aliphatische Polyester

Short description (German)

Im Projekt soll ein Verfahren für das chemische Recycling von HDPE (high-density polyethylen) entwickelt werden. HDPE ist ein weit verbreitetes Material, das aber chemisch inert ist. Deshalb sind für dessen chemisches Recycling in der Regel extreme Prozessbedingungen nötig. Mit Hilfe einer geeigneten Katalysator-Substanz und der richtigen Prozesswahl und -führung soll der Bedarf an Energie und Chemikalien gesenkt werden. In einem ersten Projekt (UTF 666.14.21) wurde ein Prozess zur katalytischen Dehydrierung als Vorbereitung für die Depolymerisation entwickelt. Verwendet wurden Katalysatoren auf Platinbasis. Damit konnte die die Reaktionstemperatur auf unter 250 °C gesenkt werden, was sogar noch niedriger ist als die gängigere Pyrolyse-Methode zur Behandlung von Polymerabfällen. Die so behandelten HDPE-Ketten wiesen über 1% Doppelbindungen als Reaktionsstellen für die spätere Depolymerisation auf. Im Folgeprojekt sollen nun die langkettigen Verbindungen durch Mikrowellenunterstützte Oxidation der Doppelbindungen zu funktionellen Monomeren mit Mehrwert abgebaut werden. Diese Monomere sollen anschliessend wieder repolymerisiert werden.

 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 30.09.2022 genehmigt.

Results according to contract (German)

1. Durch die Depolymerisation mittels Mikrowellenunterstützter Oxidation konnten 10 g langkettige aliphatische Monomere gewonnen werden. Die Prozessparameter sind beschrieben. Die Bedingungen für die Re-Polymerisation der entstandenen Monomere zu langkettigen aliphatischen Polyestern sind bekannt.
2. Angaben zur Energie-Bilanz und zu den Kosten des Prozesses sind vorhanden, Möglichkeiten zur Optimierung des Prozesses aufgezeigt. Die Aktivitäten für eine zukünftige Kommerzialisierung des Verfahrens sind beschrieben (z.B. Patentierung, mögliche Umsetzungspartner).
3. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.2 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
4. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien
   (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
5. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Project aims (German)

Der Prozess der Depolymerisation und anschliessenden Re-Polymerisation ist so weit entwickelt, dass aus den während des Prozesses entstandenen Monomeren 10 g langkettige aliphatische Polyester produziert werden konnten.

Description of results (English)

Long-chain aliphatic monomers are important raw chemicals for developing new long-chainpolymers, like polyesters and polyamides, which can offer properties similar topolyolefins. These "PE-like" polymers have enhanced mechanical properties and degradability in applications such as special in coatings, packaging, adhesives, and foams applications. They also support a closed-loop economy by being easily depolymerized back into their monomers.

 

In the DeHPOL phase 2 project, we further developed the catalytic method for upcycling fresh HDPE into valuable long-chain dicarboxylic acids (LCAs). The proof-of-concept work is published in the Green Chemistry journal D4GC03108C (rsc.org). By employing a mild catalytic dehydrogenation process using Pt/Al₂O₃, we introduce unsaturation points into HDPE, which is then oxidized in a controlled environment to useful new monomers. This innovative approach not only enhances the recyclability of HDPE but also provides an energy efficient route, comparing to non-selective pyrolysis methods (300 – 800 °C) which is commonly used to treat polyolefin wastes, to creating new monomers that can be used in the synthesis of new aliphatic polyesters.The method is expected to offer a viable alternative to traditional recycling methods of polyolefins, promoting a circular economy by converting plastic waste into chemicals.

Transfer and application (English)

The obtained long-chain aliphatic dicarboxylic acids do not exist alone in nature. At present, they have been synthesized mainly via chemical synthesis and biological fermentation in industry. From this point of view, our synthetic method to produce long-chain aliphatic dicarboxylic acids is of great social and economic importance. We are using pure polymer and potentially polymer waste as a chemical feedstock, to develop valuable raw materials. Thus, we believe in the potential of this method, and we need to further develop it for scaling up and commercializing.

 

Methodology optimization of reaction yields, isolation of diacids from mixture, scaling up process and polycondensation of the diacids were ongoing. In addition, the polyester synthesis using the LCDCAs was under optimization, with an internship student assigned for this project (Ms. Lea Monti from ECPM). She worked on simplified and cleaner separation of the diacids, and the optimization of polycondensation conditions to obtain longer molecular weights of the special aliphatic polyesters.

Follow up (English)

After the feasibility study, we worked on the upscaling and optimization of the process, to applied on real HDPE waste and to obtain reusable catalyst systems and bigger quantity of the LCDAs. As a key enabler in the process, the catalyst is the most important raw material, yet the reusability has limitations, thus some aspects are taken into consideration for further optimization, including the lower concentration of Pt loading, secondary catalysts center (Fe or Ir), and physical catalyst formulation method screening. The first two are planned to run in the chemistry group, the later one in collaboration with the plasma group in Empa (Empa - Advanced Fibers - Publications).

 

To use the catalytically recovered new raw chemical from polymer wastes, a high-end and value-added application is essential to demonstrate the economic feasibility for possible industrialization. One following project idea would be the application demonstration of long-chain polyesters as safe and biodegradable films. The safe nature will be evaluated under application scenarios in contact with human skin cells.