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Die
Erfindung betrifft ein Aufbereitunsverfahren für an der Meeresoberfläche oder
auf anderen Gewässern
schwimmenden Kunststoffabfälle
und eine Anlage zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Problematik wird in einem GEO-Artikel
vom März
2004 beschrieben, der der Einfachheit halber im Folgenden zitiert
ist:
"Zwischen
Kalifornien und Hawaii hat sich ein fast geschlossener, drei Millionen
Tonnen schwerer Plastikteppich von etwa der Größe Mitteleuropas ausgebreitet.
Er stammt aus der weltweiten Produktion von jährlich 125 Millionen Tonnen
Kunststoff. In diesem Bereich des Nordpazifik, so hat Charles Moore
von der Algalita Marine Research Foundation errechnet, kommen mittlerweile
auf jedes Kilo tierischen Planktons sechs Kilo Plastikabfall. Dieser
treibt vorwiegend in den oberen Wasserschichten, ebenso wie das
Zooplankton, dessen pflanzliche Nahrung die Sonne braucht.
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Grund
für die
Müllschwemme
weitab von menschlichen Siedlungen sind kreisende Strömungen von Wind
und Wasser. Klimatisch wird der weltgrößte Ozean zwischen Japan und
Kalifornien durch Passatwinde bestimmt: Am Äquator steigt heiße Luft
auf, wird durch die Erddrehung westwärts abgelenkt, sinkt erkaltet
auf etwa 30 Grad nördlicher
Breite wieder ab und strömt
in einer Ausgleichsbewegung ostwärts
zurück.
Durch den kreisenden Luftstrom wird auch das Wasser bewegt, langsam
zwar, aber beständig.
Ein sanfter Strudel gigantischen Ausmaßes dreht sich so um ein Zentrum
etwa 2000 Kilometer nordwestlich von Hawaii. Wird der vor den Küsten Asiens
und Amerikas treibende Müll
von dieser Strömung
erfasst, verbleibt er nach Angaben der National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) mindestens 16 Jahre im pazifischen Megastrudel.
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Nicht
lange genug, um zersetzt zu werden; denn bislang werden die meisten
der konventionellen Kunststoffe nicht von Mikroorganismen abgebaut.
Bis UV-Strahlung
und Oxidation eine Spielzeugente in ihre Moleküle zerlegt haben, können bis
zu 500 Jahre vergehen. Verpackungsreste, Colaflaschen und Fischernetze
aus Kunststoff sind mehr als ein nur ästhetisches Problem. Tiere
halten kleinere Teile irrtümlich
für Nahrung und
schlucken den Müll
hinunter. Besonders Seevögel,
wie zum Beispiel Laysan-Albatrosse, sind oft beim Hochwürgen unverdaulicher
Plastikbrocken beobachtet worden.
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Außerdem lagern
sich wasserunlösliche
toxische Substanzen wie DDT oder PCB, die über Flüsse ins Meer gelangen, bevorzugt
an den Oberflächen
des Treibgutes an. Hideshige Takada, Geochemiker an der Universität Tokio,
fand heraus, dass die Konzentration dieser Substanzen an treibenden
Plastikpartikeln um eine Million Mal höher ist als im umgebenden Wasser.
Wenn Fische den Müll
nach Beute "abgrasen", nehmen sie mit
der Nahrung auch die Toxine auf. Je höher sich die Tiere in der Nahrungskette
befinden, desto stärker
reichert sich das Gift im Organismus an – und landet so auch in den
Lebensmitteln der Menschen."
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In
Anbetracht der in diesem Artikel geschilderten Problematik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Aufbereitungsverfahren zu
schaffen, um eine Schwimmschicht aus Kunststoffabfällen mit
vertretbarem Aufwand abzubauen. Des Weiteren soll eine Anlage zur
Durchführung
dieses Aufbereitungsverfahrens geschaffen werden.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Aufbereitungsverfahrens durch die
Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Anlage
durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruchs
13 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden
nach dem erfindungsgemäßen Konzept
zunächst
die auf der Meeresoberfläche
oder einem sonstigen Gewässer
aufschwimmenden Kunststoffabfälle
abgeschöpft
und mechanisch aufbereitet. Diese mechanische Aufbereitung kann
beispielsweise eine Zerkleinerung, Vorentwässerung und Kompaktierung der
Kunststoffabfälle
umfassen. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Abfälle getrocknet
und anschließend
oder davor Schadstoffe, Störstoffe
sowie Wertstoffe wie PET-haltige Abfälle ausgeschleust.
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Die
verbleibenden, von Schadstoffen und Wertstoffen befreiten Kunststoffabfälle werden
entweder einer stofflichen Verwertung zugeführt oder verflüssigt und
beispielsweise zu Kraftstoffweiterverarbeitet.
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In
dem Fall, in dem die Kunststoffabfälle von der Meeresoberfläche abgeschöpft werden,
ist es erforderlich, die Abfälle
von Salzen oder dergleichen zu befreien, um bei der Weiterverarbeitung
die Entstehung von Chloriden oder sonstigen Schadstoffen zu unterbinden.
Dieses "Entsalzen" erfolgt vorzugsweise
durch einen Waschvorgang, bei dem das Waschwasser im Umlauf gefahren
und über
eine Aufbereitungsanlage gereinigt und entsalzt wird.
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Diese
Abwasseraufbereitungsanlage kann auch verwendet werden, um bei der
Entwässerung
der Abfälle
anfallendes Kondensat oder Presswasser zu reinigen.
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Die
im Abwasser, Kondensat oder Presswasser enthaltenen Schadstoffe
können
durch geeignete Verfahren, beispielsweise durch Sorption an Aktivkohle
gebunden und entsorgt werden.
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Der
bei der Kunststoffverflüssigung
entstehende Kraftstoff (Heizöl,
Diesel ...) und nicht kondensierbare Gase können zur Energieversorgung
von beim Aufbereitungsverfahren benutzen Anlagen, beispielsweise
bei einer Verbrennung der Schadstoffe oder bei der mechanischen
Aufbereitung der Abfälle
genutzt werden, so dass die Aufbereitungsanlage weitestgehend autark
betrieben werden kann.
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Beim
Abschöpfen
kann es vorkommen, dass Lebewesen, insbesondere Meeresgetier mit
abgeschöpft wird – diese
Lebewesen werden über
einen gesonderten Sortierschritt abgezweigt und vorzugsweise wieder ins
Gewässer
zurückgeführt. Prinzipiell
könnten
diese auch einer weiteren Verwertung zugeführt werden – beispielsweise eine Verarbeitung
zu Lebensmitteln.
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Der
eingangs beschriebene Entwässerungsschritt
enthält
vorzugsweise neben einer Vorentwässerung
eine Trocknung, die bei Unterdruck und vergleichsweise geringer
Temparatur im Bereich zwischen 100 und 200°C durchgeführt wird, so dass die Gefahr
der Entstehung von Chloriden oder weiterer Schadstoffe minimiert
ist.
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Erfindungsgemäß wird es
bevorzugt, wenn die Abfälle
mittels einer Vielzahl von Schiffen oder schwimmenden Einrichtungen
abgeschöpft
werden und dann zur Weiterverarbeitung an eine oder mehrere schwimmende
oder am Festland angeordnete Zentralstationen weitergegeben werden,
auf der die eigentliche Aufbereitung erfolgt.
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Die
bei der Aufbereitung anfallenden Produkte, wie beispielsweise Diesel,
Heizöl
oder recyclebare Kunststoffe werden dann von der Zentralstation
weg zur weiteren Verwertung transportiert.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Grundgedanken
der Verfahrensschritte welche notwendig sind, um die Plastikabfälle aus
den Ozeanen zu entfernen und stofflich zu verwerten, ohne dass Schadstoffe
wieder ins Wasser gelangen;
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2 ein
Verfahrensmodell in dem nach dem Abschöpfen und Entwässern eine
weitergehende Aufbereitung auf dem Wasser sowie auch auf dem Festland
erfolgen kann;
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3 ein
Gesamtverfahren, welches schwimmende Aufbereitungsanlagen mit Tanklager
und Lagerbunker für
die festen Wertstoffe beinhaltet. Der erzeugte Flüssigbrennstoff,
sowie die festen Wertstoffe werden dann von zwischen den schwimmenden
Aufbereitungsanlagen und dem Festland pendelnden Transportschiffen
auf See aufgenommen und an Land gelöscht, und
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4 die
Problemlösung
zum Aufnehmen und Verwerten der im Ozean treibenden Mischkunststoffe (1).
Durch die Rotation (1.1) wird die Auffangflotte bestehen
aus Schiffen mit Abschöpf-,
Vorentwässerungs-, und
Vorzerkleinerungsvorrichtungen (2 u. 3), derart
positioniert, dass der Kunststoffteppich immer auf die Auffangflotte
zuströmt.
Die Positionierung kann sich jahreszeitlich verändern und wird mit Satelitenüberwachung durch
Detektion und GPS-Steuerung unterstützt. Das vorkomprimierte Material
wird in den Schiffsbunkern gelagert und zu einer der schwimmenden
zentralen Verarbeitungsstationen transportiert (3.7). Durch
Andocken (3.8) an die Zentralstation (4) werden
die vorbehandelten Mischkunststoffe übergeben. Der geschlossene
Ovale Plastikmüllteppich
hat zur Zeit eine Länge
von 3'000 km und
eine Breite von ca. 2'000
km. Die Auffangflotte (2–3.6) besteht beispielsweise
aus ca. 12 Schiffen und mindestens 3 schwimmenden Zentralstationen
(4–15) und
decken eine Breite von ca. 150 km und eine Länge von ca. 400 km ab. Zwischen
den Zentralstationen (4–15) pendeln Transportschiffe
(16) welche die gewonnenen Wertstoffe (10.1/5 u. 7)
ans Festland (17) verbringen und einer stofflichen Verwertung
(18) zuführen.
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Plastikabfälle im Ozean
enthalten Mischkunststoffe wie:
PS,
Polystyrol | vorwiegend
aus Verpackungsmaterialien |
PH,
Polyethylene und Transportkörbe, | Gastankflaschen,
Kanister, Gebinde, Spielzeuge, |
PP,
Polypropylene Folien etc. | Verpackungsnetze?,
Rohre, Schuhe, Sandalen, |
Nylon,
Perlon vorliegend | vorwiegend
als Fischernetze und Kleidungsstücke |
PVC | Da
PVC schwerer als Wasser ist, sinken die meisten Teile auf Grund.
Aber als Verbundstoffe, geschlossene Hohlkörper, sowie umwickelt mit anderen
Kunststoffen verbleiben sie im Kunststoffteppich als Schwimmgut. |
PET | Vorwiegend
als Getränkeflasche
vorliegend ist dieses Material schwerer als Wasser und sinkt gefüllt mit Wasser
auf Grund. Da die meisten Flaschen verschlossen sind treiben sie
an der Wasseroberfläche mit. |
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Für die Kunststoffverflüssigung
muss PVC aussortiert werden, da dieses Material beim Schmelzen Chloride
freisetzt und stark korrosive Eigenschaften aufweist welche die
Anlagen zerstört
und der Brennstoff nicht mehr als Treibstoff in Form von Diesel
verwendet werden kann.
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PET
eignet sich nicht für
die Flüssigbrennstoffherstellung,
ist aber als Rohstoff im Recycling ein gesuchtes und wertvolles
Material mit einem hohen Wertschöpfungspotential
(z.B. zur Wiederverwertung als Flaschen für die Getränkeindustrie).
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Wenn
bei der Sortierung von PS, PH und PP, sortenreine Fraktionen vorliegen,
könnten
auch diese als Rohstoffe wieder zur Erstellung von neuen Produkten
verwendet werden. Diese müssten
jedoch vorgängig
total gereinigt werden und das enthaltene Salz und die chemischen
Substanzen wie z.B. DDT oder PCB, entfernt werden.
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- 1.1 Rotationsbewegung der schwimmenden Plastikabfälle.
- 2 Schwimmende Vorrichtung zur Abschöpfung der Kunststoffe aus dem
Meer.
Hier könnten
zum Beispiel folgende Möglichkeiten
genannt werden:
– Grossräumige Schiffe
aus der Fischerei, ausgerüstet
mit Schleppnetzen und Einzugsbrücken
für den
Einzug und Vorentwässerung
der Mischkunststoffe.
– Absaugschnorchel über Zyklone
welche das Plastikgut vom Wasser trennen.
– Eine am Schiffsbug angebrachte
Auffangvorrichtung, welche dass das eingebrachte Kunststoffmaterial z.B.
mit einem Elevator in das Schiff fördert und über den Elevator (welcher aus
Lochsiebelementen besteht), zugleich entwässert.
– Grossvolumige
Krangreifer, welche vom Schiff aus den Kunststoffmüll einbringen.
– Als 2003
Probeaufnahmen mit Greifern welche am Helikopter befestigt waren,
durchgeführt
wurden, ist durch den Rotordruck der Plastikteppich auseinander
gerissen worden.
2.1 Die mit eingebrachten Meerestiere werde
aussortiert und gehen:
2.2 Zurück ins Wasser
2.3 In die
Verwertung als Nahrung. Dies ist jedoch in diesem Umfeld mit der
hohen Pestizid- und Toxinbelastung nicht zu empfehlen (sh. Geo-Bericht,
letzter Absatz).
- 3 Vorbehandlung auf dem Sammelschiff zur Entwässerung
und Verringerung des Volumens von ca. 200kg/m3 auf
400kg/m3 und damit zur Erhöhung der
Transportkapazität
durch:
3.1 Verkleinerung z.B. über Rotorscheren
3.2 Kompaktierung
z.B. in einer Ballenpresse mit dem gleichzeitigen Effekt das die
Mischkunststoffe zusätzlich
entwässert
werden.
3.3 Das mit Kunststoffkleinteilen vermischte Abwasser
wird einer Siebung (3.4) unterzogen.
3.4 Siebanlage
für das
Presswasser. Dabei werden Kunststoffteile (3.5) wieder
der Kompaktierung (3.2) zugeführt.
3.5 Rückführung der
Kunststoffteile nach der Waschwassersiebung.
3.6 Das Salzwasser
wird nach dem Siebdurchlauf wieder zurück ins Meer geleitet.
3.7
Transport der Kunststoffmaterialien zu einer schwimmenden Zentralstation
3.8
Andocken an die Übergabevorrichtung
und Übergabe
des Kunststoffgemisches z.B. mit einer Vorrichtung ähnlich eines
Heugebläses
oder Kornabsaugvorrichtung mittels einem Radialventilator über eine
flexible Rohrleitung, die Kunststoffschnitzel in die Bunkeranlage
bläst oder
saugt.
- 4 Schwimmende Zentralstation mit Aufbereitungsanlage für die verunreinigten
Mischkunststoffe. Aus dem Zwischenbunker wird das Material vorzugsweise über eine,
hier nicht dargestellte Absaugvorrichtung folgenden Behandlungsschritten
zugeführt.
4.1
Zerkleinerung auf vorzugsweise handtellergrosse Stücke.
4.2
Wäsche
in handelsüblichen
Waschtrommeln oder Waschsystemen, welche speziell für die Reinigung von
Kunststoffteilen im Durchlaufverfahren eingesetzt werden.
4.3
Die Trocknung erfolgt vorzugsweise in einem Vacuumtrockner bei einer
Prozesstemperatur von 100 bis 200Fehler! Textmarke nicht definiert.C
bei einem Unterdruck von bis 50 mbar. Durch Schleusen im Eingang-
und dem Ausgangbereich, kann dieser Trocknungsprozess quasi kontinuierlich
gefahren werden. Bei einer Aufenthaltszeit von zwischen einer bis
drei Stunden werden unter dem Einfluss von Temperatur und Unterdruck
nicht nur die Restfeuchtigkeit entzogen, sondern auch die anhaftenden
Schadstoffe wie Chloride und Toxine gehen über die Dampfphase nach der
Abkühlung
in das Kondensat über.
4.4
In der Schadstoff-/Wertstofftrennung werden durch Handsortierung
und mit elektronischer Detektion die Schadstoffe, wie Holz, Metallverbundstoffe,
Aluminium, Metallteile und Kartonagen abgetrennt und stofflich sortiert,
sodass die verwertbaren Stoffe separiert in:
- 5 PET-Material welches vorzugsweise in einer Ballenpresse kompaktiert
wird.
- 6 Mischkunststoffe zur stofflichen Verwertung oder zur Konversion
zu Flüssigtreibstoffen.
- 7 Mischkunststoffe welche der stofflichen Verwertung zugeführt werden
und für
den Transport in einer Ballenpresse kompaktiert werden.
- 8 Lagerung der kompaktierten Mischkunststoffe (7) und
PET (5) in Bunkeranlagen.
- 9 Kunststoffverflüssigung
in einer Anlage wie z.B. in der Patentanmeldung DE 10 2006 039 824.6 beschrieben
ist. Bei diesem Verfahren werden durch Wärmeeinwirkung die Mischkunststoffe
(6) zwischen 300 bis 350 C geschmolzen und die Flüssigkeit
einem Crackreaktor zugeführt
in welchem bei 420–450C
die gecrackten Kunststoffe gasförmig
ausgetrieben werden und nach durchlaufen einer Destillationskolonne über eine
Qunche abgekühlt
werden und das anfallende Kondensat als Flüssigtreibstoff vorliegt.
- 10 Lagertank für
die Bunkerung des Flüssigkraftstoffes.
10.1
Zuführung
von Flüssigbrennstoff
in die Schadstoffverbrennungsanlage
- 11 Meerwasserentsalzungsanlage zur Herstellung von Waschwasser
für den
Waschprozess (4.2)
- 12 Abwasseraufbereitung zur Reinigung des mit Schmelz- und Schadstoffen
beladenem Abwasser aus der Wäsche
(4.2) und dem Kondensat aus der Trocknung (4.3)
Die toxischen Stoffe werden an Aktivkohle gebunden, welche nach
dem erreichen der Sättigung
in der Verbrennungsanlage (14) schadstofffrei entsorgt werden.
12.1
Schadstoffe aus der Abwasseraufbereitungsanlage (12)
12.2
Schmutzwasser aus der Waschanlage (4.2) und dem Kondensat
aus der Trocknung (4.3)
12.3 Zurückführung von gereinigtem Wasser
in den Waschprozess (4.2)
- 13 Schmutz- und Schadstoffzwischenlager aus der Abwasseraufbereitung
(12.1) und den Schadstoffen (12.2) aus der Schadstoff-/Wertstofftrennung
(4.4)
13.1 Schmutz- und Schadstoffe aus der Schadstoff-/Wertstofftrennung
(4.4)
13.2 Zuführung
der Schadstoffe von (13) in die Verbrennung (14)
- 14 Verbrennung der Schadstoffe und Zuführung von Gasen und Flüssigbrennstoff
aus dem Lagertank (10) bei einer Temperatur von über 1'400C zur Rückstandslosen
Verbrennung sämtlicher
Schadstoffe.
- 15 Abwärmeverwertung
aus der Verbrennungsanlage (14) zur Erzeugung von Sattdampf
(11.3) und Heisswasser (11.2)
15.1 Zuführung der
Heissgase aus der Verbrennung (14)
15.2 Heisswasser
für den
Waschprozess (4.2)
15.3 Sattdampf von 200C zur Versorgung
der Kunststoffverflüssigung
(9) und deren Nebenanlagen mit Zusatzenergie.
- 16 Übergabe
der Flüssigbrennstoffe
(10.1) und der kompaktierten Wertstoffe (8) von
der schwimmenden Zentralstation (4) an Transportschiffe.
- 17 Transport ans Festland und Entladen der Flüssigstoffe
(10.1) und der recyclierbaren Stoffe (5 u. 7).
- 18 Stoffliche Verwertung auf dem Festland der:
– Flüssigbrennstoffe
(10.1)
– Kunststoffe
(5 u. 7)
-
Mitte
dem Jahr 2006 wurde das Gewicht des Plastikteppichs auf annähernd fünf Millionen
Tonnen angereichert. Es wird vermutet, dass jährlich zwischen 200' und 400'000 Tonen zugeschwemmt
werden. Um in einem realistischen Zeitraum von 15 Jahren dieses
Treibgut auf ein fünftel
zu reduzieren, müssten
pro Jahr 600'000
Tonnen abgezogen werden. Aus dieser Jahresmenge könnten 600
Millionen Liter Flüssigkraftstoffe gewonnen
werden (Dies entspricht 4.3 Millionen Barrels Heizöl bei einem
Rohmarktpreis von 344 Millionen Euro/a). Bei einer Betriebszeit
von 320 Tagen/a müsste
jeder der zwölf
Fangschiffe (3–3.8)
ca. 160 Tonnen pro Tag abfischen und der schwimmenden Zentralstation
zuführen,
welche eine Verarbeitungskapazität
von min. 640 Tonnen aufweisen muss. Überschlägige Berechnungen zeigen, dass
der Aufbau einer solchen Flotte bestehend durch Umbau von bestehenden
Schiffen sich innerhalb von fünf
Jahren amortisiert und die Betriebs- und Unterhaltskosten bei ca.
150 Millionen Euro/a liegen. Dies bedeutet, dass der Bruttogewinn
innerhalb der nachfolgenden zehn Betriebsjahren (ohne Berücksichtigung
der ansteigenden Rohölpreise)
bei über
2 Milliarden Euro liegen wird.
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- 1
- Plastikabfälle im Ozean
- 1.1
- Rotationsbewegung,
Megastrudel
- 2
- Abschöpfvorrichtung
- 2.1
- Meerestiere
- 2.2
- Meerestiere
zurück
ins Wasser
- 2.3
- Meerestiere
zur Nahrung
- 3
- Vorbehandlung,
Entwässerung
- 3.1
- Zerkleinerung
- 3.2
- Kompaktierung
- 3.3
- Abwassersiebung
- 3.4
- Siebanlage
- 3.5
- Plastikrückführung
- 3.6
- Salzwasserrückführung
- 3.7
- Transport
zur Zentralstation
- 3.8
- Materialrückgabe
- 4
- Schwimmende
Zentralstation
- 4.1
- Zerkleinerung
- 4.2
- Kunststoffwäsche
- 4.3
- Vakuumtrocknung
- 4.4
- Sortieranlagen
- 5
- PET-Material
- 6
- Mischkunststoffe
zur Verflüssigung
- 7
- Mischkunststoffe
zur Verwertung
- 8
- Lagerung
PET und Mischkunststoffe
- 9
- Kunststoffverflüssigung
- 10
- Lagertank
- 10.1
- Flüssigbrennstoff
- 11
- Meerwasserentsalzungsanlage
- 12
- Abwasseraufbereitung
- 12.1
- Schadstoffe
- 12.2
- Schmutzwasser
- 12.3
- Gereinigtes
Wasser
- 13
- Schadstofflager
- 13.1
- Schmutzstoffe
- 13.2
- Schadstoffe
in Verbrennung
- 14
- Schadstoffverbrennungsanlage
- 15
- Abwärmeverwertung
- 15.1
- Heissgase
- 15.2
- Heisswasser
- 15.3
- Sattdampf
- 16
- Transportschiff
- 17
- Transport
zum Festland
- 18
- Verwertung
auf dem Festland