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Gemischte Kunststoffe, wie sie beispielsweise bei der Aufbereitung von PET-Flaschen, Elektronikschrott und ähnlichem vorkommen, werden üblicherweise durch eine Kombination aus nassen und trockenen Aufbereitungsverfahren getrennt und anschliessend in möglichst sortenreine Fraktionen separiert.
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Zur Kunststofftrennung setzt man häufig Schwimm-Sink-Verfahren ein, bei denen die Kunststoffe anhand ihrer Dichte bzw. ihres spezifischen Gewichtes getrennt werden können. Bei der anschliessenden Separation in einzelne Kunststoffsorten verwendet man verschiedene Verfahren wie beispielsweise eine Sortierung im nahen Infrarot oder elektrostatische Separationstechnik.
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Wenn Kunststoffe beispielsweise aus Elektronikschrott, Tonerkassetten oder ähnlichem verarbeitet werden, besteht der überwiegende Teil aus schwarz eingefärbten Kunststoffteilen. Zur Separation solcher Kunststoffe kommen im Wesentlichen nur elektrostatische Verfahren in Betracht.
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Elektrostatische Separationsverfahren nutzen triboelektrische Effekte zur Separation aus. Die zerkleinerten Kunststoffteile werden durch intensiven Kontakt miteinander gegenseitig aufgeladen. Ein Kunststoff lädt sich dabei positiv, der andere negativ auf. Die anschliessende elektrostatische Separation in einem Hochspannungsfeld unter Verwendung von positiv und negativ gepolten Elektroden ist dann kein Problem. Die Reinheit der getrennten Produkte wird über Stellklappen optimiert.
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Elektrostatische Effekte sind reine Oberflächeneffekte, d. h., es wird ausschliesslich die Oberfläche der Kunststoffteile aufgeladen.
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Problematisch ist nun, wenn die Kunststoffteile insbesondere durch chemische Effekte an der Oberfläche beeinflusst werden. Dies ist z. B. möglich, wenn die Kunststoffteile durch starke Laugen, Salzlösungen oder ähnliches, wie sie zum Teil bei der Schwimm-Sink-Trennung vorkommen, an ihrer Oberfläche chemisch verändert werden. Hierbei können etwa bestimmte chemische Verbindungen oder einzelne Atome in die Oberfläche der Kunststoffe eingelagert werden. Dies führt dann bei der anschliessenden elektrostatischen Separation dazu, dass die Kunststoffteilchen nicht mehr oder nur geringfügig aufgeladen werden können. Dieser Prozess ist auch durch Waschen mit Wasser oder anderen Chemikalien nicht reversibel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kunststoffteile, und insbesondere solche Kunststoffteile mit „passiven” Oberflächen, die nicht oder nur ungenügend elektrostatisch aufgeladen werden können, für eine elektrostatische Separation vorzubereiten.
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Diese Aufgabe ist gemäss der Erfindung für ein Verfahren gemäss der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Merkmale für eine Vorrichtung gemäss der Erfindung sind in dem unabhängigen Patentanspruch enthalten.
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Demgemäss wird vor der elektrostatischen Separation der Kunststoffteilchen deren Oberfläche intensiv aufgeraut, wobei vorzugsweise zumindest ein Teil deren Oberfläche mechanisch zerstört und entfernt wird.
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Es wird mit der vorliegenden Erfindung ein mechanisches Verfahren vorgestellt, um die z. B. durch eine chemische Vorbehandlung „passive” Oberfläche der Kunststoffteile teilweise zu zerstören und aufzurauen. Man verletzt also bewusst die Oberfläche, um wieder „aktive” und elektrostatisch aufladbare Kunststoffteile zu bekommen.
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Zu bemerken ist, dass bekannte Verfahren zur Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise Hammermühlen oder ähnliche Verfahren, nicht zielführend sind, da die chemisch verunreinigten Oberflächen der aufzuladenden Kunststoffteilchen im Wesentlichen nur umgeformt, aber nicht zerstört oder entfernt werden.
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Das Verfahren kann natürlich auch angewendet werden, wenn die Oberfläche der Kunststoffteile nicht durch eine „passive” Schicht bedeckt ist. Es werden in jedem Fall, etwa bei verschmutzten Kunststoffteilen, Bereiche freigelegt, die elektrostatisch aufgeladen werden können.
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Zur Durchführung der Erfindung können z. B. die Kunststoffteile mit harten Stahlborsten gebürstet werden, sodass ein Teil von deren Oberfläche entfernt und damit wieder aktiviert wird. Auch andere Verfahren sind möglich, so z. B. rotierende Mühlen, in denen die Kunststoffteile einer Vielzahl von Schleifpartikeln ausgesetzt werden, sodass ihre Oberfläche zumindest teilweise wieder zerstört wird und dadurch aufgeladen werden kann.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:
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1: Schematisch die Vorbehandlung von Kunststoffpartikeln vor einer elektrostatischen Trennung;
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2: Schematisch eine Darstellung der elektrostatischen Aufladung von Kunststoffpartikeln;
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3: Eine schematische Darstellung der Behandlung der Oberfläche von Kunststoffpartikeln mithilfe mechanischer Bürsten;
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4: Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Behandlung der Oberfläche von Kunststoffpartikeln;
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5: Eine Teildarstellung der Auflage zur Aufnahme der zu behandelnden Kunststoffpartikel;
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6: Eine weitere Darstellung der Auflage für die Kunststoffpartikel;
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7: Schematisch eine Darstellung einer Maschine zum Bürsten der Oberfläche von Kunststoffpartikeln;
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8: Einen Teil eines Längsschnittes durch eine Maschine gemäss 7 zum Bürsten der Oberfläche von Kunststoffpartikeln;
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9: Schematisch eine weitere Ausführungsform einer Maschine zum Behandeln der Oberfläche von Kunststoffpartikeln; und
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10: ein Ablaufdiagramm zu den Verfahren gemäss der Erfindung.
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Gemäss 1 werden Kunststoffpartikel 1 in einen Trennbehälter X gegeben, der z. B. zur Vorbereitung eines Schwimm-Sink-Trennverfahrens mit einer Flüssigkeit M gefüllt ist. In Abhängigkeit von der Art der Flüssigkeit M wird die Oberfläche des behandelten Artikels 1' durch eine dünne Schicht 2 beschichtet. Je nach verwendeter Flüssigkeit M kann diese Schicht 2 dazu führen, dass der Artikel 1' sozusagen „passiviert” wird und elektrostatisch nicht oder nur geringfügig aufgeladen werden kann.
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Üblicherweise werden für die elektrostatische Trennung die Kunststoffpartikel triboelektrisch durch intensiven Kontakt der Partikel untereinander aufgeladen. Wie 2 zeigt, wird dabei das Kunststoffteilchen A durch eine Kraft F in intensiven Kontakt mit einem Teilchen B gebracht, das ebenfalls mit einer Kraft F' auf das andere Teilchen einwirkt. Im Augenblick des Partikelkontaktes treten Elektronen von einem Kunststoff aus und werden durch den anderen Kunststoff aufgenommen. Der Kunststoff, bei dem die Elektronen abgegeben werden, wird positiv geladen, der Kunststoff, der die Elektronen aufnimmt, wird negativ geladen.
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Wenn, wie in 2 gezeigt, die Oberfläche der Kunststoffpartikel durch eine Vorbehandlung „passiviert” ist, d. h. dass der Kunststoff A' durch eine Passivschicht 2 und der Kunststoff B' ebenfalls durch eine Passivschicht 2' an der Oberfläche überzogen ist, erfolgt keine oder nur eine geringfügige elektrostatische Aufladung, sodass eine elektrostatische Trennung nicht möglich ist.
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Wie Versuche gezeigt haben, gelingt es nicht, diese passive Schicht an der Oberfläche beispielsweise durch Waschen oder zusätzliche chemische Behandlung wieder zu aktivieren.
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Für die Aktivierung der Oberfläche z. B. durch eine Beflammung, wie beispielsweise bei der Lackierung von Polypropylen(PP)-Stossfängern als Vorbehandlung verwendet, muss bei kleinen Kunststoffpartikeln aufgrund der Brandgefahr verzichtet werden. Auch eine Aktivierung der Oberfläche der Kunststoffpartikel durch Corona- oder Plasma-Behandlungen wäre ebenfalls möglich, ist aber für den praktischen Einsatz zum Teil zu teuer und bringt nicht immer die gewünschten Ergebnisse.
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Entsprechend der Erfindung erfolgt die Aktivierung der Oberfläche der Kunststoffpartikel durch Abtragen der „passiven” Schicht insbesondere durch zumindest teilweise mechanische Zerstörung derselben.
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Wie in 3 dargestellt, wird das Partikel A durch eine mechanische Einrichtung, vorzugsweise eine Bürste 8 bearbeitet. Die harten Borsten, idealerweise Stahlborsten 8 bzw. 8' werden relativ zur Teilchenoberfläche in Richtung X an der Oberfläche vorbei geführt. Dabei erfolgt eine gezielte Verletzung der Oberfläche der Kunststoffpartikel und ein ganzes oder teilweises Abtragen der passiven Schicht 2. Beim Abtragen der passiven Schicht 2 können dann die abgetragenen Teilchen 6 der passiven Schicht in Form eines Staubes entfernt werden.
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Die jetzt freien „blanken” Oberflächengebiete 5, die nicht mehr mit einer Passivschicht bedeckt sind, können nun wieder elektrostatisch aktiviert und aufgeladen werden. Dies ist auch möglich, wenn Teile der Oberfläche 4 noch passiviert sind. Es muss also keine vollständige Oberflächenreinigung stattfinden, um die Kunststoffpartikel wiederum elektrostatisch aufzuladen.
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In 4 ist schematisch eine Ausführungsform einer Bürstmaschine dargestellt, mit der die Oberfläche von Kunststoffpartikeln zur elektrostatischen Aufladung behandelt werden kann. Die Bürstmaschine weist Borsten 8 auf, die idealerweise aus harten Stahldrähten bestehen und in einem Borstenträger 9 befestigt sind. Diese Bürstenanordnung wird in Richtung X über die Oberfläche der Kunststoffpartikel A geführt. Diese liegen auf der Oberfläche eines Auf- bzw. Gegenlagers 10 auf. Dieses Gegenlager 10 kann beispielsweise ein Drahtsieb sein, eine geriffelte oder strukturierte Oberfläche oder eine andere Gestalt annehmen. Idealerweise hat diese Gegenfläche scharfe Kanten 11, die ebenfalls zur Verletzung der Oberfläche der Kunststoffpartikel führen können. Zwischen einzelnen Gegenlagern 10 bzw. 10' ist idealerweise ein Spalt 13 angeordnet, in den Staubpartikel 12, 12' – die bei der mechanischen Verletzung der Oberflächen der Kunststoffpartikel entstehen – austreten können.
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Um eine optimale Verletzung der Oberflächen der Kunststoffpartikel zu gewährleisten, empfiehlt es sich, als Borsten möglichst kurze Stahldrähte mit hoher Härte zu verwenden. Bei zu langen oder zu dünnen Stahldrähten, die dadurch noch zu weich sind, erfolgt keine ausreichende Verletzung der Oberflächen. Die Separationsergebnisse sind dann um vieles schlechter als mit harten Drahtborsten.
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Ein Gegenlager bzw. Auflager für zu behandelnde Kunststoffpartikel ist in 5 gezeigt.
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Das Gegenlager ist ein aus Mehrkant-, z. B. Vierkant-Stahldraht gewobenes Sieb. Im Gegensatz zu einem Sieb mit runden Drähten, bei denen keine Verletzung der Oberfläche der Kunststoffpartikel stattfindet, gelingt dieses bei einem Sieb mit Vierkant- oder Rechteck-Querschnitt des Drahtes. Die scharfen Kanten von Kett- oder Schussfäden 15 bzw. 16 des Siebes führen ebenfalls dazu, dass die Kunststoffpartikel an ihrer Oberfläche verletzt werden. Die dabei abgetragenen Staubpartikel 12 können dann problemlos durch die Sieb-Zwischenräume ausgetragen werden.
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In 6 ist eine andere Ausführungsform des Gegenlagers bzw. Auflagers für die Kunststoffpartikel dargestellt. Hierbei wird eine aus scharfkantigen Metallstrukturen erzeugte Oberfläche verwendet. Bei diesen Metallstrukturen, die idealerweise eine schräge Oberfläche haben, wird mit einer scharfen Kante 22 die Verletzung der Oberfläche der Kunststoffpartikel erzielt, wenn die Kunststoffpartikel mit einem gewissen Druck über das Gegenlager in beliebiger Richtung bewegt werden.
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Die scharfkantigen Metallstrukturen sind z. B. Rechteck-Stäbe 20. Der abgetragene Kunststoffstaub kann über Zwischenräume 21 zwischen den Teilen 20 ausgetragen werden.
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Es ist auch möglich, das Auf- oder Gegenlager für die Kunststoffpartikel als geschlossenes, mit einer mechanischen Struktur versehenes Metallteil 26 auszubilden. Kanten 25 und schräge Flächen 24 der Struktur führen auch hier zur mechanischen Verletzung der Oberfläche der zu behandelnden Kunststoffteilchen. Der dabei erzeugte Staub wird dann anschliessend aus dem Kunststoffgemisch durch Entstaubung oder Windsichtung abgetrennt.
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In 7 ist eine Bürstmaschine schematisch dargestellt. In einem Gehäuse 30 befindet sich ein Siebkorb 38, der mit den erwähnten rechteckigen Drähten in Form eines Siebgewebes ausgerüstet ist. Im Inneren des Siebraumes dreht sich eine Achse 31, auf der mehrere Arme 32 befestigt sind. Diese Arme tragen an ihrem äusseren Ende 33 die oben beschriebenen Bürstenträger 34 mit Drahtbürsten 35.
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Die das Gegenlager bzw. Auflager für die Kunststoffpartikel bildende Struktur 36 ist als zylindrischer Siebkorb 38 ausgeführt.
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Durch Rotation der Achse 31 mit den zugehörigen Bürsten werden die Kunststoffpartikel kontinuierlich gebürstet, wobei immer ein Teil ihrer Oberfläche mechanisch zerstört wird. Durch Einsatz mehrerer Bürstensätze, die ggf. versetzt angeordnet sind, kann über eine längere Siebkorb-Strecke eine Entpassivierung bzw. Aktivierung der Kunststoffpartikel durchgeführt werden. Der von der Oberfläche der Kunststoffpartikel abgetragene Kunststoffstaub 39 wird nach unten aus dem Gehäuse 30 ausgetragen. Die Kunststoffpartikel können während des Bürstvorgangs auch in Richtung der Achse 31 transportiert werden. Damit ist ein kontinuierlicher Prozess möglich, bei dem Kunststoffteile kontinuierlich zugeführt und abgeführt werden.
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In 8 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Bürstmaschine gemäss der Erfindung gezeigt. Die zu behandelnden Kunststoffpartikel 45 werden über eine Öffnung und einen Trichter 44 in das Innere eines Maschinengehäuses 30 gegeben. Durch eine Schnecke 43 wird das Material nun in den Bereich eines Siebkorbes 38 befördert. Im Inneren des Siebkorbes dreht sich durch einen Motor 41, mit einstellbarer Drehzahl angetrieben, das Bürstensystem. Es sind verschiedene Bürstensätze hintereinander angeordnet, um eine maximale Oberflächenaktivierung der behandelten Kunststoffpartikel durchzuführen. Das gebürstete Material fällt durch eine Austragsöffnung 46 aus der Maschine heraus, während das Feingut bzw. der abgebürstete Staub 47 durch einen Trichter 42 nach unten ausgetragen wird.
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Bei der Ausführungsform einer Bürstmaschine gemäss 9 sind Bürsten 53 auf der Unterseite einer rotierenden Scheibe 50 angeordnet. Diese Scheibe dreht sich mit den an der Unterseite der Scheibe angeordneten Bürsten mit einstellbarer Geschwindigkeit 52. In der Mitte der Scheibe werden die Kunststoffpartikel in eine Einfüllöffnung 51 eingegeben. Unterhalb der Scheibe 50 befindet sich eine feststehende Scheibe 55 mit einer geriffelten oder anderweitig strukturierten, dem Separationszweck dienenden Oberfläche. Diese Scheibe steht fest. Die Bürsten rotieren nun mit bestimmter Drehzahl und einem bestimmten Abstand oberhalb der feststehenden oder im Gegensinn drehenden Scheibe.
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Die Kunststoffpartikel zwischen den beiden gegeneinander rotierenden Scheiben werden durch das Bürstensystem aktiviert und anschliessend aus dem System nach aussen ausgetragen.
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Alternativ ist es auch möglich, die obere Scheibe 50 feststehend und die untere Scheibe rotieren zu lassen oder die Scheiben gegenläufig rotieren zu lassen.
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In 10 ist symbolisch der gesamte Ablauf des Verfahrens zum Aktivieren von Kunststoffpartikeln mithilfe von mechanischen Bürsten dargestellt.
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Material 60 wird in eine Bürstmaschine bzw. einen Bürstapparat 61 gegeben. Aus diesem Bürstapparat wird abgetragenes Material der einzelnen Kunststoffpartikel ausgetragen und beispielsweise in einer Vorrichtung 62 abgesaugt und dann in einer Station 63 abgepackt.
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Aus der Bürstmaschine ausgetragenes Material 64 wird über eine Neutralisierungseinheit 65 elektrostatisch neutralisiert. Hierzu verwendet man einen mit Wechselspannung betriebenen Hochspannungs-Neutralisator. Durch eine Wechselspannung mit beispielsweise +/–7000 Volt erfolgt eine Neutralisierung der aufgeladenen Kunststoffpartikel. Diese werden nach erfolgter Neutralisierung in einen Vorratsbehälter 66 gegeben.
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Wie sich gezeigt hat, ist es unter Umständen sinnvoll, diese Partikel eine bestimmte Zeit T ruhen zu lassen, damit sich etwaig noch vorhandene Oberflächenladungen weiter abbauen können. Diese Oberflächenladungen sind unter Umständen gleichgerichtet, sodass verschiedene Kunststoffe aufgrund des Bürstvorganges dieselbe Oberflächenladung aufweisen. Dies ist für eine anschliessende elektrostatische Separation negativ, weil einer der Kunststoffe durch den elektrostatischen Ladevorgang umgeladen werden muss.
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Mit einem Verfahren gemäss der Erfindung ist es ausserdem vorteilhaft, durch eine mechanische „Zerstörung” der Oberfläche von Kunststoffpartikeln die an der Oberfläche der Kunststoffpartikel festhaftenden Verunreinigungen mechanisch abbürsten zu können. Dies steigert die Qualität der erhaltenen Kunststoff-Fraktion.
