DE10149505A1

DE10149505A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Selektierung von Kunststoffen und anderen Materialien bezüglich Farbe und Zusammensetzung

Info

Publication number: DE10149505A1
Application number: DE10149505A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-10
Also published as: EP1300200B1; EP1300200A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Identifikation und zur Separation von Materialteilchen, insbesondere zur Erkennung von Einfärbungen sowie zur Identifizierung von verschiedenen Kunststofftypen und von mit Kontaminationen verunreinigten Kunststoffen unter Verwendung von mindestens einer Beleuchtungseinheit, von mindestens einem optischen Spektrometer mit Analyseeinheit zur Messung und Auswertung der Fluoreszenzspektren sowie einer mit Düsenstrahlen und/oder mit einer Koronaentladung betriebenen Separationseinheit für die Sortierung in Gut- und Schlechtstoffe, wobei die Separationseinheit aus mehreren rinnenförmigen Kanälen besteht, in welche im Tiefpunkt des Querschnittsprofils getaktete Düsen zur Aussortierung charakteristischer Materialteilchen in mindestens zwei Materialfraktionen integriert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie Vorrichtungen zur Trennung von Materialien inbesondere von Kunststoffen verschiedener Typen wie z. B. die Selektierung von Polyethylenteraphtalat in Mischungen mit Polyolefinen, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, etc. sowie zur Aussortierung von mit verschiedenen Farben eingefärbten Kunststoffen unter farblosen Kunststoffen und zur Ausscheidung von Metallen und anderen Stoffen, wie z. B. Aluminium, Holz, Papier etc. in Prozessströmen, die zur Wiederverwertung von Wertstoffen konzipiert sind. Das Verfahren sei beispielhaft am Recyclingprozess von Kunststoffen, welche aus Getränkeflaschen stammen und bereits mindestens einmal mit Mineralwasser oder Softdrinks oder zweckentfremdet mit Schadstoffen befüllt waren erläutert. Es ist jedoch in gleicher Weise auch zur Trennung verschiedener Bestandteile anderer rieselfähiger Multikomponenten Stoffgemische geeignet.
Zur Herstellung von Kunststoff Getränkeflaschen aus Polyethylenteraphtalat (PET) wird in der Regel neues Material, welches aus Polymerisationsprozessen stammt, verwendet. In neuerer Zeit geht man jedoch dazu über die bereits als Lebensmittelverpackungen verwendeten Gebinde nach einem Recyclingprozess wieder für die Verpackung von Lebensmitteln, insbesondere für Getränkeflaschen, einzusetzen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt einerseits in einem günstigeren Preis für das recyclierte PET Material im Vergleich zu Neumaterial und andererseits darin, daß die Entsorgungsproblematik für gebrauchte Kunststoffe entfällt. Zur Garantie der Lebensmittelqualität müssen jedoch zusätzliche sensorsystemtechnische Massnahmen, mit dem Ziel der Aussortierung unzulässiger Bestandteile getroffen werden, welche die Vorschriften der internationalen Gesetzgebung erfüllen.
Gemäß dem Stand der Technik werden derzeit die zu recyclierenden Kunststoffteile, z. B. Getränkeflaschen oder andere Lebensmittelverpackungen, in kleine Stücke mit den Kantenlängen von 5 bis 12 mm zerkleinert, einem kontinuierlichen Reinigungsprozess unterzogen und danach mit einem Kamerasystemen auf Farben geprüft. Alle gefärbten Kunststoffteile werden in einem sich anschliessenden Sortierer aus dem Plastikstrom über Luftdüsen herausgeblasen und zu niederwertigeren Kunststoffen weiterverarbeitet. In weiterentwickelten Anordnungen gemäß dem Stand der Technik erfolgt zusätzlich eine Aussortierung von PVC-Kunststoffteilen, indem ausgenutzt wird, daß durch Erhitzung eine Schwärzung dieses Kunststofftyps auftritt welche vom Farbsortierer erkannt wird.
Das Grundprinzip von Sortierern gemäß dem Stand der Technik besteht z. B. darin, daß das zu sortierende Material beim Durchlaufen von Parabelbahnen in der Luft im Falle der Schlechtdetektion von senkrecht zur Flugbahn verlaufenden Düsenstrahlimpulsen so abgelenkt werden, dass sie in einem separaten Auffangbehälter für niederwertigere Kunststoffe landen. Wegen der statistisch stark schwankenden Form und schwankendem Gewicht der Kunststoffstücke weicht die jeweilige Flugbahn der Kunststoffstücke jedoch zum Teil stark von der Parabelform ab, weshalb die Sortierdüsen zur Vermeidung von Kollisionen mit den Kunststoffstücke in großem Abstand von der Idealflugbahn montiert werden müssen. Aus dieser Entfernung werden die vorbeifliegenden Schlechtstoffe nicht mehr vom konzentrierten Düsenstrahl unmittelbar vor der Düsenöffnung selektiv erfasst, sondern nur noch von einem aufgeweiteten und mit Turbulenzen behafteten, schwachen Düsenstrahl zusammen mit sich in der Nähe befindlichem Gutstoff unsicher abgelenkt. Die Folge ist eine Vermischung von hoch- und niederwertigen Kunststoffen verbunden mit einem Qualitätsverlust sowie einem Mengenverlust der hochwertigen Kunststofffraktion. Beide Nachteile führen zu wirtschaftlichen Problemen, die die Ökonomie des Gesamtprozesses gefährden. Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren sowie Vorrichtungen aufzuzeigen, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen und zu einer eindeutigen Trennung der verschiedenen Materialfraktionen führen.
Das Ziel der Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die auf einer schiefen Ebene gleitenden Kunststoffteile mit optischer Strahlung beleuchtet werden, dass aus der von den Kunststoffteilen als Folge der Beleuchtung ausgesandten Lichtfluoreszenz durch Spektralanalyse der Kunststofftyp, die Farbe und eventuelle Kontaminationen des jeweiligen Kunststoffteilchens infolge von Fremdstoffen ermittelt werden und dass die als minderwertig erkannten Kunststoffteile von einer in der schiefen Ebene integrierten Düse mit einem Druckluftimpuls ausgestoßen werden. Für die Erfindung wesentlich ist dabei die Tatsache, dass die in der schiefen Ebene integrierte Druckluftöffnung als Düse zur Erzeugung einer konzentriert gebündelten Überschallströmung, z. B. als Lavaldüse, ausgebildet ist.
In einer weitergehenden Ausbildung der Erfindung wird zusätzlich zu der die Kunststoffteile beleuchtenden Lichtquelle zur Erzeugung von Fluoreszenzlicht eine weitere Lichtquelle eingesetzt, die zur Durchstrahlung der Kunststoffteilchen und insbesondere zur effizienten Verbesserung der Erkennung von Farben sowie zur Erkennung von nicht fluoreszierenden und/oder nicht transparenten Stoffen, wie z. B. von Holz oder von Metallteilchen, dient.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren detailliert beschrieben. Dabei zeigen die einzelnen Figuren folgende Sachverhalte:
Fig. 1 Gesamtsystem bestehend aus Fördereinheit für die Materialteilchen, schiefe Ebene mit Überschalldüsen, Beleuchtungseinrichtungen für Fluoreszenz, Separationseinheit für hochwertiges und niederwertiges Material, optisches Spektrometer mit Strahlscanner, Auswerteeinheit und Ventilansteuerung;
Fig. 2 Gesamtsystem zur Teilchenseparation;
Fig. 3 Detail der Düsen;
Fig. 4a/4b Detail der Strukturierung der schiefen Ebene;
Fig. 4c Detail zur Partikeltrennung duch elektrostatische Ladung;
Fig. 5 Detail der Transmissionsmessung in der schiefen Ebene.
Das in einem Vorratsbehälter (1) gemäß Fig. 1 enthaltene optisch zu analysierende und anschliessend in verschiedene Fraktionen (2) und (3) zu trennende Material wird mit einem Fördersystem (4) auf die schiefe Ebene (5) gebracht, über die es durch Schwerkraftwirkung hinabgleitet. Durch Beleuchtung mit den stabförmigen Lichtquellen (6) und (7) erzeugt jedes Materialteilchen Fluoreszenzlicht (8), welches mit einem Scannersystem (9) quer zur Transportrichtung auf der gesamten Breite der schiefen Ebene erfasst und auf ein optisches Spektrometer (10) geleitet wird. Ein Analysesystem (11) berechnet aus den Spektren sowohl den Typ des jeweiligen Kunststoffes, als auch die Farbe, als auch eventuelle Verunreinigungen der Kunststoffpartikel, z. B. durch Benzin, Diesel, Motoröl, Farbverdünner, Urin, Pflanzenschutzmittel etc. Sofern reines, d. h. für Lebensmittelverpackungen geeignetes, Polyethylen detektiert wird, läuft es per Schwerkraft in den Kanal (2) und wird dem Kunststoffrecycling für Getränkeflaschen oder für andere Lebensmittelverpackungen zugeführt. Sollten Kontaminationen oder Einfärbungen oder andere Kunststoffmaterialien vorliegen, werden die Materialteilchen per Überschallstrahl in den Kanal (3) abgelenkt und im Rahmen einer Wiederverwertung zur Erzeugung untergeordneter Kunststoffe eingesetzt.
Das Verfahren zur erfindungsgemäßen Trennung der Materialteilchen per Vielfach- Überschall-Düsensystem gemäß Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4a/b ist dadurch charakterisiert, das gemäß Fig. 2 das vom Vibrationslinearförderer (12) auf die schiefe Ebene (13) gelangende Teilchenmaterial (14,24,29) durch die Überschalldüse (15, 25, 32) in den Recyclingkanal (16) für minderwertigere Kunststoffe bzw. alternativ in den Recyclingkanal (17) für lebensmitteltaugliche Kunststoffe per Schwerkraft sortiert wird. Quer zur Transportrichtung sind eine Vielzahl von identischen Düsen (15, 25, 32), die in den Figuren in ihrer Gesamtheit nicht dargestellt sind, im Abstand der Abmessungen der Materialteilchen angeordnet. Sämtliche Düsen (15, 25, 32) werden mit ölfreier, trockener Druckluft über den Querkanal (18) versorgt. Die jeweilige Düse (15, 25, 32) ist über eine Stichleitung (19) und das Schnellschaltventil (20) mit dem Querkanal verbunden. Die Öffnungs- und Schließfunktion des jeweilgen Schnellschaltventiles (20) erfolgt nach Ansteuerung durch die Analyseeinheit (11) gemäß Fig. 1. Ein wesentlicher Teil der Erfindung beruht auf dem Einsatz von Überschalldüsen (15, 25, 32). Letzteres ist dadurch bedingt, dass aus Wirtschaftlichkeitsgründen ein Mindestmassenstrom von Materialteilchen (14, 24, 29) durch die Anordnung gefördert werden muß, so dass die Teichengeschwindigkeit auf der schiefen Ebene (13) Werte erreicht, die eine maximale Geschwindigkeit des Überschallstrahles (21, 26, 33) erfordern, um zu verhindern, dass zu viele hochwertige Materialteilchen (14, 24, 29) vor bzw. nach dem Ausblasprozess des jeweils auszusortierenden Teilchens unerwünscht in die minderwertige Fraktion geleitet werden. Die schiefe Ebene (13) aus Fig. 2 besteht gemäß Fig. 4a/b aus zahlreichen rinnenförmigen Spuren (30), die konkav gemäß Querschnitt (31) ausgebildet sind und eine präzise Führung der Materialteilchen (14, 24, 29) relativ zu den Düsenöffnungen (15, 25, 32) gewährleisten. Vorteilhafterweise ist jede Düseneinheit gemäß Fig. 4a/b mit mehreren Düsenöffnungen (32) versehen. Dadurch wird sichergestellt, dass das für Überschallgeschwindigkeit erforderliche kritische Expansionsverhältnis auf jeden Fall erreicht wird und dass ein auf die Materialteilchenfläche gleichmäßig verteilter mechanischer Kraftstoß resultiert.
Die Beleuchtung der Materialteichen erfogt zur Lichtanregung von beiden Seiten gemäß Fig. 2 mittels 2 Lichtquellen (36) und (37). Um den Lichtdurchgang durch die rinnenförmigen Spuren (30, 31) zu gewährleisten sind letztere mit einer lichtdurchlässigen Scheibe (23, 27, 34) aus Quarzglas versehen, die gegenüber der Rinne einen kleineren Neigungswinkel aufweist, um einen störungsfreien Übergang zwischen Rinne und Glas zu erreichen. Der jeweils auf das Spektrometer mit Analysesystem (11) gemäß Fig. 1 treffende Fluoreszenzlichtstrahl ist durch die Strahlverläufe (22) und (28) in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Zur Optimierung der Farberkennung zeigt Fig. 5 einen Lichtstrahl (36), der die Materialteilchen durchleuchtet und mit einem nachgeschalteten Farbspektrometer z. B. die aus milchigen Polyolefinen oder aus Aluminium bestehenden Verschlußkappen von Getränkeflaschen identifiziert. Mit dieser Anordnung können insbesondere auch Störstoffe, wie z. B. Holz und Metallfolien identifiziert und ausgeschleust werden. Zu diesem Zweck wird der Lichtdurchtritt durch die Rinne (37) durch ein UV-Strahlung reflektierendes Filter (38), das die Strahlung der Lichtquelle (39) zur Anregung von Fluoreszenzlicht auf die Unterseite der Kunststoffteile lenkt, in Kombination mit einem optischen Hochpassfilter (40), welches Licht einer Halogenlichtquelle (41) oberhalb einer Wellenlänge von ca. 480 nm zur Analyse durchläßt, ermöglicht. Das Filter (38) wird durch eine Schutzscheibe (42) vor mech. Verschleiss geschützt.
In einer besonderen Ausbildung der Erfindung erfolgt die Partikeltrennung dadurch, daß den auszusortierenden Teilchen gemäß Fig. 4c über eine Hochspannungskoronaentladung (43) an einer Metallspitze (44) eine elektrische Ladung aufgesprüht wird und diese elektrostatisch geladenen Materialteilchen anschliessend während des freien Falls durch ein elektrisches Feld (45) abgelenkt und somit in die Fraktionen hochwertige (46) und niederwertige Kunststoffe (47) separiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Identifikation und zur Separation von Materialteilchen insbesondere zur Erkennung von Einfärbungen sowie zur Identifizierung von verschiedenen Kunststofftypen und von mit Kontaminationen verunreinigten Kunststoffen unter Verwendung von mindestens einer Beleuchtungseinheit, von mindestens einem optischen Spektrometer mit Analyseeinheit zur Messung und Auswertung der Fluoreszenzspektren sowie einer mit Düsenstrahlen betriebenen Separationseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationseinheit aus mehreren rinnenförmigen Kanälen besteht, in welche im Tiefpunkt des Querschnittprofils getaktete Düsen zur Aussortierung charakteristischer Materialteilchen in mindestens zwei Materialfraktionen integriert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsen in jeder Kanalrinne auf einer Fläche untergebracht sind, die nicht größer ist als die Fläche des kleinsten zu sortierenden Materialteilchens

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen als Überschalldüsen ausgebildet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Düse die Kanalrinnen eine Vertiefung aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle der schiefen Ebene unmittelbar nach den Düsen enden und die Flugbahnen der Materialteilchen unterstützt durch ein Trennblech direkt in den Sammelbehältern enden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Düsen über ein gemeinsames Querrohr mit Druckluft versorgt und daß die Düsen gepulst unter Ansteuerung durch die Analyseeinheit ein- und ausgeschaltet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialteilchen von einer zusätzlichen Lichtquelle, deren Spektrum im sichtbaren Bereich liegt durchstrahlt werden und daß die resultierende optische Transmission mit einem Spektrometer erfasst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass den auszusortierenden Materialteilchen über einen Koronaentladung an einer Metallspitze über dem Materialstrom in jede Kanal eine elektrische Ladung aufgesprüht wird und diese Materialteilchen anschliessend während des freien Falls durch ein elektrisches Feld abgelenkt und somit separiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auszusortierenden Materialteilchen über einen schwachen Düsenstrahl aus dem Kanal angehoben und anschliessend über eine mit Unterdruck beaufschlagten Haube abgesaugt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der schiefen Ebene im Abschnitt zwischen Materialaufgabe und Separiereinrichtung auf der Oberseite verschlossen sind und innerhalb der Kanäle ein Gasstrom erzeugt wird der die Beschleunigung der Materialteilchen während dem Hinabrutschen unterstützt und im weiteren Verlauf auf gleichmäßiger Geschwindigkeit hält.