Die Kraft der Zitrone - Citronensäure gegen Kalk

Reihe „Alles Plastik? – Kleidung aus Kunststoffen“
BELLAND ® -Material – ein recylingfähiger Kunststoff für Lebensmittelverpackungen
Aufgabenstellung
a) Setzen Sie eine mögliche Strukturformel des Kunststoffs aus den Folienschnipseln „Monomere“
zusammen und fixieren Sie diese mit Klebeband auf der Folienvorlage „Polymere“.
Stellen Sie hieran die intermolekularen Wechselwirkungen dar!
b) Erklären Sie anhand Ihrer Struktur den Recycling-Prozess und skizzieren Sie ihn auf der
leeren Folie.
c) Machen Sie deutlich, wie das Mengen-Verhältnis der beiden Monomere zueinander sich auf
die Recyclingeigenschaften auswirkt, erklären Sie dazu, was „programmiert löslich“ heißt.
d) Erläutern Sie das zugrunde liegende wirtschaftliche Konzept des Einsatzes des im Verhältnis
zu z.B. Polystyrol teureren BELLAND ® Materials, erklären Sie dazu den Begriff „Ökonologie“!
Diskutieren Sie Probleme, die bei einem vermehrten Einsatz ähnlicher Kunststoffe auftreten
könnten!
Arbeitsmaterial
Material 1
Ford Köln Marathon 2005 setzt auf Bewährtes und Neues
Bonn/Köln – Am 11. September 2005 ist es wieder so weit. Dann findet der 9. Ford Köln Marathon
http://www.koeln-marathon.de statt. Seit 1997 ist das sportliche Großereignis ein Anziehungspunkt
für Tausende von Aktiven und Hunderttausende von Zuschauern. Es handelt sich um das
größte Sport-Event in Nordrhein-Westfalen. In diesem Jahr werden rund 20.000 Teilnehmer als
Läufer, Walker, Handbiker oder Inlineskater erwartet. Außerdem rechnen die Veranstalter mit über
500.000 Zuschauern. 2005 gehen rund 3.000 Schülerinnen und Schüler in 420 Staffeln an den
Start und bilden damit den größten Schulmarathon Deutschlands. Die jungen Sportler kommen
von 360 Schulen aus ganz NRW sowie aus Großbritannien, Polen, Frankreich und der Schweiz. Sie
sind zwischen zwölf und 19 Jahre alt und legen bei dem Staffellauf jeweils fünf oder zehn Kilometer
von der 42,195 Kilometer langen Marathon-Strecke zurück.
Ein besonderes Highlight der diesjährigen Veranstaltung. 44 Sportlerinnen und Sportler werden
sogar zwei Mal starten; zunächst als Inliner und danach zu Fuß als Marathonis. Der Kölner Marathon
bietet als einziger Stadt-Lauf in Deutschland die Möglichkeit, die Strecke gleich zwei Mal zu
bewältigen. Zum ersten Mal gehen auch Walker an den Start, die eine karnevalistische Streckenlänge
von 11,11 Kilometern zurücklegen müssen. Einige Dinge bleiben aber beim Alten. Die Ford-
Werke in Köln sind wie jedes Jahr seit 1997 Titelsponsor. Und nach dem erfolgreichen Einsatz im
vergangenen Jahr setzt der Ford Köln Marathon auch am 11. September 2005 auf das bewährte
Material der Firma Belland Vision http://www.belland.de. 2004 hatten die Kölner Veranstalter als
erster Marathon auf die recycelbaren Trinkbecher gesetzt, die bei der Streckenversorgung eingesetzt
werden.
Die Becher werden von den Abfallwirtschaftsbetrieben (AWB) http://www.awbkoeln.de nach dem
Marathon zusammen mit den restlichen Veranstaltungsabfällen eingesammelt und dem Herstellerunternehmen
Belland Vision ohne Vorsortierung übergeben. Der Kunststoff wird dann dort in einem
einfachen Recyclingverfahren sortenrein und molekular gereinigt zurückgewonnen und kann
dann wieder zu neuen Bechern verarbeitet werden. Die gesamte Produktionsenergie und der eingesetzte
Rohstoff Erdöl bleibt erhalten. Dieses Materialkonzept vermeidet teuer zu entsorgenden
Müll, schont nachhaltig die Umwelt und spart letztlich Geld, sagen Umweltexperten. Das Belland

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BELLAND ® -Material – ein recylingfähiger Kunststoff für Lebensmittelverpackungen
Material wird mittlerweile auch in der Münchner Allianz-Arena und in der Frankfurter Commerzbank-Arena
eingesetzt.
Quelle: http://www.businessportal24.com/de/a/1628 (18.04.2006)
Material 2
Innovation und Einzigartigkeit Im Rahmen der BELLAND – Deutsche Wertstoffgemeinschaft vertreibt BellandVision mit BEL-
LAND ® Material einen innovativen Kunststoff, der im ersten Schritt als Catering-Geschirr bei Großveranstaltungen
und in Sportstadien eingesetzt wird – u.a. in Münchens hochmoderner Allianz-
Arena. Für die Forschung und Entwicklung des High-Tech-Kunststoffes wurden bereits über 150
Millionen Euro investiert. Bereits bei der Entwicklung wurde das Recycling mit Priorität berücksichtigt.
Mit diesem innovativen Material können deshalb vorbildlich geschlossene Materialkreisläufe
realisiert werden. Die Einzigartigkeit von BELLAND ® Material besteht darin, dass es selbst aus gemischten
und verschmutzten Abfällen in sortenreiner und molekular gereinigter Form zurück gewonnen
werden kann. Nach dem Recycling hat BELLAND ® Material die gleichen Eigenschaften wie
das Ausgangsmaterial und entspricht damit allen lebensmittelhygienischen Anforderungen.
Downcycling ist out
BELLAND ® Material wird beim Recyclingverfahren nicht nur oberflächlich von Verschmutzungen und
Aufdrucken gereinigt, sondern nach Auflösung in seine Polymerketten auf molekularer Ebene auch
von migrierten 1 Verunreinigungen befreit. In dem Prozess kommen bewährte Filtriermethoden aus
dem Papierrecycling und der Abwasserreinigung zum Einsatz. Ein gebrauchter Joghurtbecher muss
deshalb nicht wie bei herkömmlichen Kunststoffen zu einer Parkbank „downgecycelt“ werden, sondern
kann wieder zum Joghurtbecher werden. Die Energie des eingesetzten Erdöls bleibt ebenso
im Material erhalten wie die Veredelungsenergie. Erstmalig vereint damit ein neues Material die
hervorragenden Anwendungseigenschaften von Kunststoffen mit den überzeugenden Recyclingeigenschaften
von Papier.
Ökonologie
Ziel ist es, BELLAND ® Material über den Cateringbereich hinaus im Verpackungsmarkt zu platzieren.
Weil gebrauchte Joghurtbecher wieder zu neuen Bechern werden können, wird der kostspielige
Einsatz von Neumaterial drastisch reduziert. Dies ist auch der ökonomische Anreiz für das Sammeln
und Recycling des BELLAND ® Materials, der dann staatliche Vorschriften, wie z.B. eine VerpackV
2 , überflüssig macht. Der ökologische und volkswirtschaftliche Nutzen liegt auf der Hand,
denn der Einsatz von Verpackungen aus BELLAND ® Material schont die immer knapper werdende
Ressource Erdöl, die dadurch nicht mehr teuer importiert werden muss.
Originäre Produktverantwortung übernehmen
Für das BELLAND ® Material will BellandVision die vom Gesetzgeber gewollte originäre Produktverantwortung
umfassend selbst wahrnehmen. Um sich nicht Dritter, teurer Systeme bedienen zu
müssen, wurde unter dem Dach der BELLAND – Deutsche Wertstoffgemeinschaft die BELLAND-
1 migrare (lat.) - wandern
2 Verpackungsverordnung

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Selbstentsorgergemeinschaft geschaffen. Damit steht ein leistungsstarkes Erfassungs- und Verwertungssystem
zur Verfügung, das Rückführung und Recycling gebrauchter Verpackungen aus BEL-
LAND ® Material sicherstellen kann.
Auszeichnung
Der BellandVision wurde im November 2004 vom Bayerischen Staatsminister für Umwelt, Gesundheit
und Verbraucherschutz, Dr. Werner Schnappauf, die Bayerische Staatsmedaille für Verdienste
um Umwelt und Gesundheit verliehen.
Quelle: http://www.bellandvision.de/belland/3-belland-material.php (17. 04.2006)
Material 3
BELLAND ® -Material
Chemisch basiert BELLAND ® Material auf einem linearen Copolymer aus Styrol- und Acrylsäure-
Monomeren.
Recycling-Eigenschaften
BELLAND ® Polymere sind aus hydrophoben und hydrophilen Teilen zusammengesetzt, dass sie gegenüber
neutralem Wasser beständig, in wässrigen Basen jedoch löslich sind, wobei die Polymerketten
als solche erhalten bleiben.
Die Polymere sind programmiert löslich, d.h.
1. der Zeitpunkt des Lösebeginns und
2. die Geschwindigkeit des Lösevorgangs können vorherbestimmt werden.
Der Auflösevorgang wird durch den Kontakt mit einer wässrigen Base festgelegt. Die Lösegeschwindigkeit
wird durch den Polymeraufbau sowie den pH-Wert der Base gesteuert.
Die Löslichkeit in Basen impliziert die Wiederausfällbarkeit mit Säuren. Damit ist die Möglichkeit
einer einfachen Entsorgung und eines kontrollierten Recycling gegeben.
Quelle: belland_material.pdf auf: Einweg. Mehrweg. BELLAND t
.
® Weg. Informa ions-CD über
http://www bellandvision.de zu beziehen.
benötigte Strukturformeln H H
C C
H
H H
C
C C
OH
Styrol Acrylsäure
O
H

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Lösungsvoraussetzungen:
radikalische Polymerisation, Thermoplaste, chemische Bindung, Protolysen, bei Verwendung der
Folie „Monomere II“: Kopf-Schwanz-Verknüpfung
Lösungserwartungen:
zu a)
H
O
O
H H H
C C
C C
H C H H
O O
H
C
H
O
H
C
H
C
H
H H
C C
H
H
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C
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C
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O O
O
O O
O O
C H H H H C H H H H H
C
H
C
H
C
CH
C C
H H
H
C C
H H
O
C C
C H
O
H
C C
H H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
C
H H
C C
CH C
H H
H
C
O
H
C
H C H
O O
H
H H
C C
H C
O O
H
Bei Verwendung der Folien-Kopiervorlage II wir als zusätzliche Leistung erwartet: Die
Monomere sind durchgängig Kopf-Schwanz verknüpft, da bei der Polymerisation beim
Kettenwachstum die sekundären Radikale stabiler sind und damit das radikalische
Kettenende stets ein sekundäres Kohlenstoffatom trägt.
zu b) Beim Recycling-Prozess werden die Carboxylgruppen der Polymere durch die Lauge
deprotoniert, die negativen Ladungen der Carboxylatgruppen führen dazu, dass sich
die Polymerketten untereinander abstoßen, es können so auch keine van-der-Waals-
Kräfte oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen mehr zwischen den Polymerketten ausgebildet
werden.
H
C
C
H
O
H
C
H

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O
H H H
C C
C C
H C H H
O O -
O
C H
-
C
H
C
H
H H
C C
H
H
C
H
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C
H
H
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C
O -
O
C H H H
-
O
O O
C H H H H
H
-
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-
H
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O
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C
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H
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H
C
H H
C C
CH C
H H
H
C
H
C
H C
O - H
O
H H
C C
C
O O -
H
Das Polymer liegt nun in der Lauge gelöst vor. Durch Zugabe schwacher Säuren kann
das Polymer wieder in Flockenform ausgefällt werden, nach Abtrennung und Trocknung
ist ein erneuter Einsatz mit den üblichen Verfahren der Kunststoffverarbeitung
möglich.
zu c) „Programmiert löslich“ bedeutet, dass die Lösegeschwindigkeit und der Beginn des
Lösevorgangs durch Kontrolle der Polymerzusammensetzung und des pH-Wertes möglich
ist: Je nach Verhältnis der beiden eingesetzten Monomere Acrylsäure und Styrol
setzt der Löseprozess unterschiedlich schnell ein: je mehr Carboxylatgruppen im Molekül
enthalten sind, desto stärker ist die Abstoßung der Polymerketten untereinander
nach der Deprotonierung, allerdings wird dann auch mehr Base benötigt, der Löseprozess
beginnt später. Ein sehr geringer Acrylsäureanteil würde das Recycling gänzlich
verhindern, da dann die van-der-Waals-Kräfte an Bedeutung gewinnen und sich der
Kunststoff zunehmend wie Polystyrol verhält.
zu d) Das Recycling von Lebensmittelverpackungen ist seit dem Beginn der Recyclingdebatte
rund um das Duale System Deutschland DSD ein problematisches Feld: sehr bekannt
ist das Beispiel der Parkbänke und Lärmschutzwände aus recycelten Joghurtbechern
(Polystyrol). Das Problem ist vor allem die nicht zu garantierende Sortenreinheit
der Abfälle. Die Firma BELLAND hat ein Material entwickelt, das so designt wurde, dass
durch einen chemischen Prozess ein echtes Recycling möglich wird.
Aus kommerzieller Sicht lohnt sich das Material, wenn man bei gewöhnlichen Materialien
die Entsorgungskosten und die DSD-Abgaben mit einberechnet: die Firma BEL-
LAND ® verkauft ihr Produkt als Gesamtpaket inklusive Entsorgung resp. Recycling.
„Ökonologie“ ist eine Wortschöpfung aus den Begriffen Ökologie und Ökonomie. Gemeint
ist damit, dass sich ein ökologisch vorteihaftes Verfahren auch ökonomisch
O -
C
C
H
O
H
C
H

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BELLAND ® -Material – ein recylingfähiger Kunststoff für Lebensmittelverpackungen
lohnt.
Das Verfahren basiert darauf, dass der verhältnismäßig energieaufwändige Schritt
vom Erdöl zum Monomer und dann zum Polymer nur einmalig durchgeführt wird
(„Veredlungsenergie“), die Polymere bleiben während des Recyclingprozesses erhalten
und werden nur immer wieder neu zu Werkstücken zusammengesetzt.
Als problematisch könnte sich in Zukunft erweisen, wenn andere Firmen ähnliche
Kunststoffe entwickeln, die ebenfalls in Laugen löslich sind: Ein sortenreines Recycling
von gemischten Abfällen wäre dann vermutlich nicht mehr möglich.
Hinweise für die Lehrkraft:
Die Aufgabe eignet sich für ein vollständig selbstgesteuertes Erarbeiten des Themenkomplexes
durch die Schülerinnen und Schüler. Dazu muss jeder Schülergruppe folgendes Material zur Verfügung
gestellt werden:
- Folie „Polymere“ (siehe Kopiervorlage)
- Folienschnipsel „Monomere I“ oder „Monomere II“
- Klebefilm
- wasserlöslicher Folienstift
- eine weitere OHP-Folie zur Präsentation
Durch das Hilfekartensystem wird eine selbstgesteuerte Binnendifferenzierung ermöglicht. Die Karten
formulieren die Arbeitsaufträge kleinschrittiger bzw. bieten Teillösungen an.
Die Hilfekarten müssen nicht für jede Gruppe verfügbar sein, sie können entweder mit oder ohne
Lösungen auf Karteikarten geklebt oder auch einlaminiert werden.
Zur Motivation oder zum Einstieg ins Thema eignet sich der Werbefilm der Firma BELLAND ® Vision.
Wurde die Kopf-Schwanz-Verknüpfung der Monomere bei Polymerisationen bereits besprochen
oder soll sie hier thematisiert werden, so kann der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe durch die alternative
Verwendung des Materials „Monomere II“ gesteigert werden. Die erste Aufgabenstellung
lautet dann folgendermaßen:
a) Setzen Sie eine mögliche Strukturformel des Kunststoffs aus den Folienschnipseln „Monomere“
zusammen und fixieren Sie diese mit Klebeband auf der Folienvorlage „Polymere“.
Begründen Sie die Verknüpfung der Monomere! Verdeutlichen Sie die intermolekularen
Wechselwirkungen!
weitere Informationen zum Material:
Es handelt es sich beim BELLAND ® Material um ein vollständig recyclingfähiges Copolymerisat aus
Styrol und Acrylat-Monomeren. Die intermolekulare Vernetzung der Polymer-Ketten wird primär
durch die Wasserstoffbrückenbindungen der Carboxyl-Gruppen erreicht. Die mechanischen Eigenschaften
des Polymers entsprechen denen von Polystyrol: es lässt sich in den üblichen Verarbeitungsverfahren
(Spritzguss oder Tiefziehen) für thermoplastische Kunststoffe zu Gebrauchsgegenständen
verarbeiten.
Das Recycling auch vermischter Abfälle ist durch mechanische Reinigungsprozesse, anschließendes
langes Erwärmen und Rühren in verdünnten Laugen möglich, so werden die Carboxylgruppen
deprotoniert und die intermolekularen Kräfte zwischen den Polymeren werden so geschwächt, dass
sich das Material verflüssigt. Mit schwachen Säuren kann das Polymer wieder ausgefällt werden,

Reihe „Alles Plastik? – Kleidung aus Kunststoffen“
BELLAND ® -Material – ein recylingfähiger Kunststoff für Lebensmittelverpackungen
dabei fällt es sortenrein als sog. BELLAND ® -Flocke an. Insofern handelt es sich hier um ein echtes
Recycling und nicht um ein Downcycling: aus dem recycelten Material werden wieder Lebensmittelverpackungen
hergestellt.
Grundsätzlich sind Polyacrylate über die radikalische Polymerisation zugänglich, reine Polyacrylate
finden kaum Verwendung, da sie extrem niedrige Glasübergangstemperaturen (unter 0°C) aufweisen.
Sie werden aus diesem Grund fast nur zur Herstellung von Copolymeren eingesetzt. Die Verknüpfung
der Monomere wird vermutlich überwiegend als Kopf-Schwanz-Struktur (1,3-Stellung der
Substituenten) vorliegen, die Abfolge der Monomere ist vermutlich statistisch, über das Mengen-
Verhältnis der Monomere lassen sich die Recycling-Eigenschaften einstellen.
Weitere Informationen, Materialproben und eine Recyclinganleitung können über die Homepage
der Firma BELLAND ® Vision bezogen werden, dort kann auch der im Unterricht einsetzbarer Trailer
heruntergeladen werden, dieser ist ebenfalls auf der CD enthalten.
Literatur:
CD Römpp Chemie Lexikon – Version 1.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1995.
„Die Realisierung einer Vision“ (wmv-Video) http://www.belland.de/flash/flash_deu.html
(18.04.2006)
Einweg. Mehrweg. BELLAND ® Weg.( Informations-CD o.J. o.Ort).
MSWWF (Hrsg.), Richtlinien und Lehrpläne für die Sekundarstufe II – Gymnasium / Gesamtschule
in Nordrhein-Westfalen. Chemie. (Ritterbach, Frechen 1999).
Müller, M., Kunststoffe aus Makromolekülen. Bayer AG Leverkusen, aktualisierte Ausgabe 1995.
http://www.belland.de (08.01.2006)
http://www.bellandvision.de/belland/ (18.04.2006)
http://www.businessportal24.com/de/a/1628 (18.04.2006)