DE102004024754B3

DE102004024754B3 - Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen

Info

Publication number: DE102004024754B3
Application number: DE200410024754
Authority: DE
Inventors: Ernö Dr. Németh; Frank Dr. Simon; Victoria Dr. Albrecht; Gert Prof. Dr. Schubert
Original assignee: Leibniz Institut fuer Polymerforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Polymerforschung Dresden eV
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-05-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Chemie und der Abfallwirtschaft und betrifft ein Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen, welches beispielsweise für Kunststoffabfälle in der Automobil- und Elektroindustrie zur Anwendung kommen kann. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, durch das eine nahezu vollständig sortenreine Trennung realisiert werden kann. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen, bei dem die Produkte aus Kunststoffgemischen ganz oder teilweise aus Kunststoffen bestehen, die sich nicht oder nur gering triboelektrisch aufladen lassen, oder die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die sich nicht ausreichend selektiv triboelektrisch aufladen lassen, diese Produkte aus den Kunststoffgemischen zerkleinert, anschließend einer Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung unterzogen, danach mindestens 10 Minuten gelagert, nachfolgend einer triboelektrischen Aufladung und im wesentlichen unmittelbar danach einer Elektrosortierung unterzogen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Chemie und der Abfallwirtschaft und betrifft ein Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen, welches beispielsweise für Kunststoffabfälle in der Automobil- und Elektroindustrie zur Anwendung kommen kann.
Zunehmend wird dazu übergegangen, auch Kunststoffabfälle neben einer thermischen Entsorgung auch roh- und werkstofflich wiederzuverwerten. Allerdings liegen Kunststoffabfälle meist als Verbund oder als Gemisch verschiedener Kunststoffe vor. Für eine werkstoffliche Verwertung der Kunststoffabfälle ist eine Trennung in sortenreine Komponenten zwingend notwendig.

Prinzipiell können Kunststoffgemische nach einer triboelektrischen Aufladung in einem elektrostatischen Feld getrennt werden (E. Németh: Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2003; V. Albrecht, u.a.: J. Electrostatics 58, 3–16 (2003); G. Schubert, u.a. Tagungsband 2. Kolloquium Sortieren Innovationen und Anwendungen, Technische Universität Berlin, 11.10.–12.10.2001, Berlin; DE 30 35 649 C1 ).

Der geringe Energieaufwand, der hierzu notwendig ist, stellt einen entscheidenden wirtschaftlichen Vorteil gegenüber anderen Trennverfahren zur Kunststoffsortierung dar.

Für eine Trennung werden die Verbundwerkstoffe und andere Kunststoffabfälle zunächst auf eine Korngröße von einigen Millimetern zerkleinert. Die triboelektrische Aufladung der Granulate erfolgt in Aufladeeinheiten unterschiedlicher Bauart (z.B. Drehtrommel, Wirbelschicht- oder Schüttelapparatur). Während des Aufladevorgangs werden die Teilchen des zu trennenden Gemischs mechanisch kontaktiert (Stoß). Dabei laden sie sich stoffspezifisch positiv oder negativ elektrostatisch auf. Die aufgeladenen Teilchen separieren stoffspezifisch entsprechend ihrer Aufladung beim Durchgang durch das Feld eines elektrostatischen Freifallscheiders.

Gut trennbar sind Gemische, deren Komponenten die sich triboelektrisch stark und mit umgekehrten Vorzeichen aufladen.

Trennprobleme stellen Kunststoffkomponenten dar, die sich nicht oder nur geringfügig aufladen. Kunststoffgemische aus solchen Komponenten lassen sich nicht sortenrein trennen. Zu diesen Kunststoffgemischen gehören auch Polyolefingemische, wie beispielsweise Polyethylen/Polypropylen und andere.

Diese Polyolefingemische stellen aufgrund ihres hohen Produktionsvolumens und ihres weiten Anwendungs- und Einsatzspektrums die Hauptkomponente des Gesamtaufkommens bei Kunststoffabfällen dar.

Kunststoffgemische, die aus Polyolefinen, insbesondere aus Polyethylen- und Polypropylentypen bestehen, lassen sich weder durch die konventionelle elektrostatische Aufladung noch durch andere Separationsprinzipien in hinreichender Sortenreinheit trennen.

Weiterhin bekannt ist die Behandlung von Kunststoffen mit einem Niedertemperatur-Niederdruck-Plasma (z.B. E. Occhiello u.a.: J. Appl. Polym. Sci. 42, 551–559 (1991), R. Foerch u.a.: J. Appl Polym. Sci. Symp. 46, 415 (1990)). Diese Behandlung kann mit unterschiedlichen Prozessgasen realisiert werden. Es dient zur Aktivierung und Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen, um ihre Benetzbarkeit gegenüber polaren Flüssigkeiten zu erhöhen, Zentren für chemische Folgereaktionen zu schaffen oder die Adhäsion oder Kompatibilität zu einer zweiten Komponente zu verbessern.

Bekanntermaßen unterscheiden sich derart behandelte Polyolefine bezüglich der gewünschten Modifizierungseffekte nicht oder nur sehr wenig, wenn sie unter gleichen Bedingungen und mit dem gleichen Prozeßgas behandelt wurden.

Eine Plasmabehandlung wurde bisher nur als prozessvorbereitender Schritt bei der bekannten nasschemischen Trennung von Kunststoffen unter Verwendung von Tensiden (O. Stückrad, Dissertation, Technische Universität Clausthal, 1996) erwogen. Dort soll die Plasmabehandlung zu einer selektiven Tensidadsorption führen.

Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass sie einerseits keine ausreichend sortenreine Trennung realisieren können und andererseits dazu aufwendige und teuere Verfahren einsetzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen anzugeben, durch dass eine nahezu vollständig sortenreine Trennung realisiert werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen werden Produkte aus Kunststoffgemischen, die ganz oder teilweise aus Kunststoffen bestehen, die sich nicht oder nur gering triboelektrisch aufladen lassen, oder die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die sich nicht ausreichend selektiv triboelektrisch aufladen lassen, zerkleinert, anschließend einer Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung unterzogen, danach mindestens 10 Minuten gelagert, nachfolgend einer triboelektrischen Aufladung und im wesentlichen unmittelbar danach einer Elektrosortierung unterzogen.

Vorteilhafterweise werden Produkte aus Kunststoffgemischen eingesetzt, die Polyolefinkomponenten enthalten oder die aus Polyolefinen bestehen, noch vorteilhafter die aus Gemischen aus Polyolefinen bestehen und noch vorteilhafterweise die aus Gemischen aus Polyethylen und Polypropylentypen bestehen.

Weiterhin vorteilhafterweise wird die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung bei Drücken zwischen 10^–6 und 1 Pa, in Mikrowellen-Plasmen oder in RF-Plasmen, bei einer Plasmaleistung von 50 bis 600 W, innerhalb von 1 bis 1000 s, unter reaktiven und/oder inerten Prozessatmosphären und insbesondere unter Sauerstoff-, Stickstoff-, Ammoniak-, Stickoxidatmosphäre und/oder Luft oder unter einer Edelgasatmosphäre durchgeführt.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird eine Lagerung der plasmabehandelten Kunststoffgemische vor einer Weiterbehandlung von 10 min bis 30 Tagen und insbesondere zwischen 10 und 40 Stunden und noch vorteilhafterweise zwischen 20 bis 30 Stunden durchgeführt.

Von Vorteil ist auch, wenn die triboelektrische Aufladung der plasmabehandelten und gelagerten Kunststoffgemische in einer Wirbelkammer bei einem Luftstrom von 1 bis 10 m/s und bei einer relativen Luftfeuchte von 0 bis 95 % und einer Temperatur von 0 bis 140°C für mindestens 10s oder in einem Schütteltopf bei einer relativen Luftfeuchte von 0 bis 95 % und einer Temperatur von 0 bis 140°C für mindestens 10s realisiert wird.

Und weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Elektrosortierung in einem elektrischen Feld eines Freifallscheiders mit elektrischen Feldstärken zwischen 1 und 10 kV/cm durchgeführt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es auf einfache und preiswerte Weise möglich, bisher nur schwer und mit geringer Effektivität trennbare Kunststoffgemische, die mindestens Polyolefinkomponenten enthalten oder daraus bestehen, nun sortenrein mit hoher Effektivität zu trennen. Dies ist überraschenderweise durch die Behandlung der Kunststoffgemische, die mindestens Polyolefinkomponenten enthalten oder daraus bestehen, mit einem Niedertemperatur-Niederdruck-Plasma möglich, was bisher weder bekannt noch aus den bekannten Lösungen ableitbar gewesen wäre. Der Einfluss einer Plasmabehandlung auf die elektrostatische Aufladbarkeit von Kunststoffen ist bisher nicht untersucht worden und daher nicht bekannt.

Überraschenderweise wirkt sich eine Plasmabehandlung dieser Kunststoffgemische, die mindestens Polyolefinkomponenten enthalten oder daraus bestehen, stark und selektiv auf das Aufladeverhalten der einzelnen Kunststoffe in dem Gemisch aus, so dass eine leichte und sortenreine Trennung möglich ist. Insbesondere bei Zweikomponenten-Polyolefingemischen, wie beispielsweise Poylethylen und Polypropylen, laden sich die Komponenten stoffspezifisch mit unterschiedlichen Vorzeichen auf und lassen sich dadurch leicht separieren.

Ein Zusatz von Additiven, wie Tensiden, Polyelektrolyten, Weichmachern, Farbstoffen und anderen oberflächenaktiven Substanzen, die die Trennung mehr oder weniger selektiv beeinflussen können, ist nicht erforderlich. Dadurch können Kontaminationen, die sich bei der Aufbereitung und Weiterverwertung der separierten Kunststofftypen als nachteilig erweisen können, vermieden werden. Da auch der Separationsprozess beim Einsatz von Additiven durch zusätzliche Parameter (einzusetzende Additivmenge, Applikationsverfahren, Homogenität der Additivadsorption, Lösungsmittelwahl etc.) erheblich schwerer zu steuern ist, kann durch den Wegfall von Additiven das Trennverfahren insgesamt einfacher gestaltet werden.

Prinzipiell beeinflusst aber der Zusatz derartiger Additive den Trenneffekt, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht wird, nicht negativ.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 Aufladeverhalten eines erfindungsgemäß plasmabehandelten Polyethylen-Polypropylen-Gemisches über die Zeit
Beispiel
Ein Kunststoffgemisch (300 g) aus Polypropylen (150 g) und Polyethylen (150 g) wurde zunächst in einer Drehtrommel 120 s homogenisiert. Anschließend wurde das Gemisch einer Niedertemperatur-Niederdruck-Sauerstoff-Plasmabehandlung unterzogen (Plasmaleistung: Mikrowelle 300 W, Prozeßgas: 30 % O₂ bei einem Fluß von ca. 60 sccm, Druck 48–50 Pa, Behandlungszeit 600 s). Während der Plasmabehandlung blieb die Drehtrommel in Rotation mit 40 U/min.
Nach einer Lagerung wurde das plasmabehandelte Kunststoffgemisch, in der Wirbelschicht-Aufladeeinheit (Luftgeschwindigkeit ca. 5 m/s) des elektrostatische Freifallscheiders über 2 min bei 25°C und einer relativen Luftfeuchte von 10 % aufgeladen und erfolgreich im Freifallscheider (Feldstärke 4,5 – 2,0 kV/cm bei einem Potential von ± 72 kV) in eine Polyethylen- und eine Polypropylenfraktion getrennt. Es konnte eine vollständige sortenreine Trennung von Polyethylen und Polypropylen erreicht werden.
1 zeigt den Zusammenhang zwischen der Flächenladungsdichte σ, die als Maß für die elektrostatische Aufladbarkeit der Komponenten interpretiert werden kann und damit als Maß für die Güte des Separationsprozesses dient, und der Lagerzeit t. Aus der Abb. wird auch ersichtlich, daß sich Gemische aus Polyethylen und Polypropylen ohne vorbereitende Plasmabehandlung nicht hinreichend verschieden aufladen, um erfolgreich getrennt zu werden.

Claims

Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemischen, bei dem die Produkte aus Kunststoffgemischen ganz oder teilweise aus Kunststoffen bestehen, die sich nicht oder nur gering triboelektrisch aufladen lassen, oder die aus mindestens zwei Kunststoffen bestehen, die sich nicht ausreichend selektiv triboelektrisch aufladen lassen, diese Produkte aus den Kunststoffgemischen zerkleinert, anschließend einer Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung unterzogen, danach mindestens 10 Minuten gelagert, nachfolgend einer triboelektrischen Aufladung und im wesentlichen unmittelbar danach einer Elektrosortierung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Kunststoffgemische eingesetzt werden, in denen Polyolefinkomponenten enthalten sind oder die aus Polyolefinen bestehen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Kunststoffgemische eingesetzt werden, die aus Gemischen aus Polyolefinen bestehen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Kunststoffgemische eingesetzt werden, die aus Gemischen aus Polyethylen und Polypropylentypen bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung bei Drücken zwischen 10^–6 und 1 Pa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung in Mikrowellen-Plasmen oder in RF-Plasmen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung bei einer Plasmaleistung von 50 bis 600 W durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung innerhalb von 1 bis 1000 s durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung unter reaktiven und/oder inerten Prozessatmosphären durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung unter Sauerstoff-, Stickstoff-, Ammoniak-, Stickoxidatmosphäre und/oder Luft durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Niedertemperatur-Niederdruck-Plasmabehandlung unter einer Edelgasatmosphäre wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Lagerung der plasmabehandelten Kunststoffgemische vor einer Weiterbehandlung von 10 min bis 30 Tage durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Lagerung zwischen 10 und 40 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine Lagerung von 20 bis 30 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die triboelektrische Aufladung der plasmabehandelten und gelagerten Kunststoffgemische in einer Wirbelkammer bei einem Luftstrom von 1 bis 10 m/s und bei einer relativen Luftfeuchte von 0 bis 95 % und einer Temperatur von 0 bis 140°C für mindestens 10s oder in einem Schütteltopf bei einer relativen Luftfeuchte von 0 bis 95 % und einer Temperatur von 0 bis 140°C für mindestens 10s realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Elektrosortierung in einem elektrischen Feld eines Freifallscheiders mit elektrischen Feldstärken zwischen 1 und 10 kV/cm durchgeführt wird.