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Die Erfindung betrifft einen Festbrennstoff oder Werkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Festbrennstoffs oder Werkstoffs.
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Aus dem Stand der Technik sind Recyclingverfahren in unterschiedlichen Ausbildungen und durch solche Recyclingverfahren jeweils erhaltene aufbereitete Sekundärrohstoffe dem Grunde nach bekannt.
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Beispielsweise ist es nach dem Stand der Technik bekannt, Kunststoffabfälle zu schreddern und zur Verbrennung oder zur Erzeugung von Kunststoffen für Einsatzbereiche mit geringeren Qualitätsanforderungen zu verwenden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen ressourcenschonenden sekundären Rohstoff bereitzustellen, welcher sowohl als Brennstoff als auch als Werkstoff geeignet ist und ein Verfahren zu dessen einfacher, umweltschonender und kostengünstiger Herstellung aufzuzeigen.
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Die Aufgabe wird durch einen Festbrenn- oder Werkstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 3 aufgeführten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Festbrenn- oder Werkstoff weist ein Grundkomposit auf, welches einen agglomerierten Resttoner aufweist.
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Als Resttoner im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Toner für elektrostatische Druckverfahren, insbesondere in Laserdruckern oder Kopierern verstanden, der nicht auf ein Bedruckstoff wie insbesondere Papier aufgetragen wurde. Resttoner kann insbesondere als Restmenge in verbrauchten Tonerkartuschen oder als sogenannter Waste-Toner vorliegen, der in Resttonerbehältnissen an Kopierern oder Laserdruckern aufgefangen wird.
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Der Resttoner besteht in der Regel aus Farbpigmenten, organischen Stoffen wie beispielsweise Polymeren, Metalloxiden sowie weiteren Hilfsstoffen. Der Resttoner weist eine geringe Partikelgröße, in der Regel im Bereich bis 30 Mikrometer und kleiner, auf.
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Als agglomerierter Resttoner wird verstanden, dass die Partikel eines Resttoners zu einem Agglomerat verbunden sind, so dass ein Festkörper vorliegt. Die Agglomeration kann gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt als Pressagglomeration oder thermische Agglomeration erfolgen. In jedem Fall sind die Resttonerpartikel in der Weise agglomeriert und damit miteinander verbunden, so dass ein Festkörper vorliegt.
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Es wurde überraschend gefunden, dass Resttoner, der als Abfallprodukt anfällt und nach dem Stand der Technik problematisch zu entsorgen ist, in einfacher und ressourcenschonender Weise zu einem wertvollen Festbrenn- und Werkstoff umgebildet werden kann.
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Der erfindungsgemäße Festbrenn- und Werkstoff weist insbesondere folgende Vorteile auf.
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Der Festbrenn- und Werkstoff kann sowohl als Festbrennstoff als auch als Werkstoff verwendet werden.
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In der Verwendung als Festbrennstoff liegt ein zuverlässiges Abbrandverhalten vor, welches sich zudem durch die Verdichtung des Agglomerats, durch die geometrische Form sowie durch Zusätze einstellen lässt. Ferner weist der Festbrennstoff eine hohe Energiedichte auf.
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In der Verwendung als Werkstoff liegt vorteilhaft ein Werkstoff vor, der sowohl eine Urformung als auch eine subtraktive Bearbeitung beispielsweise durch Fräsen oder Bohren ermöglicht. Insbesondere ist der Werkstoff in seinen Eigenschaften, beispielsweise in seiner Elastizität und seiner Festigkeit, beispielsweise Zugfestigkeit oder Biegefestigkeit durch Zusätze modifizierbar. Es wird ein Werkstoff mit einer geringen Duktilität und somit hoher Formstabilität bereitgestellt.
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Vorteilhaft ist zudem die zuverlässige und reproduzierbare Qualität des Festbrenn- oder Werkstoffs, da der Resttoner als Ausgangsmaterial praktisch sortenrein zur Verfügung gestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Festbrenn- und Werkstoff neben dem Grundkomposit ein Zusatzkomposit auf, wobei das Grundkomposit einen Masseanteil von mindestens 25 Gew.-% aufweist.
Das Zusatzkomposit kann unterschiedlich ausgebildet sein und von makroskopischen Strukturen über Stoffgemische und Stoffe bis zu chemischen Elementen reichen.
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Bei einer Verwendung als Werkstoff werden als Zusatzkomposit beispielsweise Fasern verstanden, so dass ein Faserverbundwerkstoff erhalten werden kann, bei dem das Agglomerat aus Resttoner das Matrixmaterial bildet. Es wurde überraschend gefunden, dass das Agglomerat sowohl eine besonders geringe Duktilität als auch eine gute Verbindung mit den Fasern bereitstellen kann. Bei den Fasern handelt es sich vorzugsweise um Fasern im Bereich von weniger als 1 mm Durchmesser, insbesondere um Kohlefasern oder Glasfasern. Gemäß der Weiterbildung kann so insbesondere ein besonders verformungsfester und zugleich bruchfester Werkstoff bei zugleich geringen Kosten sowie ressourcenschonend bereitgestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Festbrenn- oder Werkstoffs weist folgende Verfahrensschritte auf:
- a) Zusammenführen einer Menge von Resttoner zu einer zusammengeführten Resttonermenge
- b) Formen der zusammengeführten Resttonermenge zu einer geformten Resttonermenge
- c) Agglomerieren der geformten Resttonermenge zu einem Festbrenn- oder Werkstoff
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Im Verfahrensschritt a) erfolgt die Zusammenführung einer Menge eines Resttoners zu einer zusammengeführten Resttonermenge.
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Vorzugsweise werden zu verwertende Tonerkartuschen, welche den Resttoner enthalten, geöffnet und der Toner entnommen. Dies kann insbesondere durch ein Absaugen des Resttoners erfolgen. Der Resttoner wird in diesem Fall aus dem Luftstrom mittels einer physikalischen Abscheidung entnommen und in einem Sammelgefäß aufgefangen. Die Abscheidung erfolgt vorzugsweise über einen Zyklon.
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Das Zusammenführen kann aber auch in anderer Weise erfolgen, so dass im Ergebnis des Verfahrensschritts a) erfindungsgemäß eine zusammengeführte Resttonermenge erhalten wird.
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Ferner ist es in diesem Verfahrensschritt möglich, der Resttonermenge bei deren Zusammenführen oder der zusammengeführten Resttonermenge weitere Stoffe, wie beispielsweise Füllstoffe oder Hilfsstoffe, die das Agglomerationsverhalten oder eine etwaige spätere Verbrennung vorteilhaft beeinflussen, zuzugeben.
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Im Verfahrensschritt b) erfolgt die Formung der Resttonermenge.
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In diesem Verfahrensschritt wird die Resttonermenge räumlich zusammengefasst angeordnet. Dies kann beispielsweise durch das Einfüllen in eine Form erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Formung in einem Endlosverfahren beispielsweise durch eine Förderung in einem Rohr durchzuführen und so einen Strang auszubilden. Die Formung kann mit allen geeigneten Methoden erfolgen welche beachten, dass der Resttoner aufgrund seiner Partikelgröße und -struktur annährend fließfähige Eigenschaften aufweist.
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Das Durchführen der Formung kann mit einem Konfektionieren des Resttoners verbunden werden. Diese Konfektionierung kann beispielsweise das Einstellen eines Feuchtegehaltes und/oder das Vermengen mit einem Bindemittel umfassen. Die optionale Zugabe von einem Bindemittel sowie dessen Menge ist von der Zusammensetzung des Resttoners abhängig.
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Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Agglomerieren der geformten Resttonermenge zu einem Festbrenn- oder Werkstoff.
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Die geformte Resttonermenge wird agglomeriert, wobei dies in verschiedenen Verfahren erfolgen kann. Bevorzugt wird das Agglomerieren als Pressagglomeration oder als thermische Agglomeration durchgeführt.
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So ist beispielsweise das Herstellen von Presslingen durch das Pressen in einer Form oder das Herstellen von Strängen durch ein Strangpressen mittels eines Extruders möglich.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Herstellung von Pellets auf einem Pelletierteller. Hierzu werden Resttoner und kleine Mengen von Bindemittel kontinuierlich auf eine rotierende Scheibe gegeben und die fertigen Pellets fallen über einen Kragen in einen Auffangbehälter.
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Ferner kann das Agglomerieren durch ein Sinterverfahren durchgeführt werden, indem mittels Wärmebeaufschlagung die Partikel an deren Grenzflächen anschmelzen und sich so zu einem größeren Körper verbinden.
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In allen Varianten der Durchführung des Verfahrensschritts c) wird ein Festbrenn- oder Werkstoff erhalten.
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Soweit Beschreibungsteile zu dem Herstellungsverfahren auch den so erhaltenen Festbrenn- oder Werkstoff selbst betreffen, gelten diese in entsprechender Weise auch für die Erzeugnispatentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf.
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Ein erster besonderer Vorteil besteht darin, dass aus einem Abfallprodukt mit einem relativ einfachen Verfahren mit dem Festbrenn- oder Werkstoff ein hochwertiges und in unterschiedlicher Weise einsetzbares Produkt bereitgestellt werden kann. Das Verfahren ist somit besondere ressourcen- und umweltschonend.
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Ferner handelt es sich vorteilhaft um ein kostengünstig durchführbares Verfahren, wobei je nach Qualität des zu beseitigenden Resttoners unterschiedliche, jeweils angepasste Verfahrensvarianten angewandt werden können.
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Vorteilhaft ist es zudem, dass die Masse und die Form des Festbrenn- oder Werkstoffs, der als Festkörper vorliegt, nahezu beliebig einstellbar sind. Es ist möglich, für eine Verwendung als Festbrennstoff sowohl als ein Granulat mit Körngrößen von wenigen Millimetern, über Pellets oder Brikettformate bis hin zu großen Blöcken auszubilden. Die Blöcke können insbesondere auf Euro-Palettenmaße abgestimmt sein. Für eine Verwendung als Werkstoff kann unmittelbar eine Urformung für ein herzustellendes Produkt erfolgen. Es ist aber auch möglich, den Werkstoff zunächst in Blöcken bereitzustellen und dann eine Weiterbearbeitung vorzunehmen, die sowohl durch subtraktive Verfahren als auch durch Urformung oder Umformung nach einem Aufschmelzen eines solchen Werkstoffblocks erfolgen kann.
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Als ein weiterer Vorteil wird nach der Durchführung des Verfahrens die Gefahr einer Staubexplosion eines Resttoners überwunden. Damit ist sowohl die Lagerung, der Transport als auch eine mögliche Verbrennung gefahrlos durchführbar.
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Weiterhin wird vorteilhaft der Gesundheitsschutz verbessert, da die Partikel des Resttoners nicht mehr als Feinstaub freigesetzt werden können.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass auch das Handling mit dem Resttoner verbessert wird. So kann er besser und sicherer gelagert und gehandhabt werden. Die erhaltenen Festkörper lassen sich beispielsweise einzeln oder in Gebinden stapeln. Weiterhin wird durch die Agglomeration die Schüttdichte des Resttoners verringert, was vorteilhaft für die Handhabung und den Transport ist.
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Letztlich kann auch ein möglicher späterer Verbrennungsprozess vorteilhaft optimiert werden. Bei Resttoner handelt es sich um eine in der Regel hochkalorische Substanz, so dass bei einer Verbrennung bei der Verwendung als Festbrennstoff eine vorteilhafte Prozessführung der Verbrennung möglich ist. Es ist auch möglich, bei einer Verwendung als Festbrennstoff diesen einer Abfallentsorgung beizugeben und so eine Energiebilanz einer Müllverbrennungsanlage zu verbessern. Durch die Einstellbarkeit des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses der Abfallfestkörper kann das Abbrandverhalten gesteuert werden. Durch das Agglomerieren des Resttoners zu einem Festkörper werden die gefährlichen Eigenschaften des Resttoners wie insbesondere die Lungengängigkeit und Staubexplosionsgefahr weitestgehend beseitigt. Dies ermöglicht es vorteilhaft, einen Resttoner, nachdem dieser das erfindungsgemäße Verfahren durchlaufen hat, einer Verbrennung zuzuführen.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens wird Verfahrensschritt c) als Pressagglomeration durchgeführt.
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Bei der Pressagglomeration wird der geformte Resttoner vorzugsweise in eine Matrize gegeben und mit einem Stempel komprimiert bis sich die Partikel des Resttoners verbinden.
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Das Pressen kann ebenfalls auch durch andere Pressverfahren aus dem Stand der Technik, beispielsweise isostatisches Pressen für Formkörper erfolgen. Ein Vorteil der Pressagglomeration besteht darin, dass die Größe und die Form des Festbrenn- oder Werkstoffs gut einstellbar sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Herstellungsverfahrens wird Verfahrensschritt c) unter Wärmebeaufschlagung durchgeführt.
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Die Wärmebeaufschlagung kann zusammen mit einem Pressverfahrensschritt oder einzeln durchgeführt werden.
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Mittels einer Wärmebeaufschlagung in einem hohen Temperaturbereich über der Schmelztemperatur kann ein direktes Verschmelzen herbeigeführt werden. Bei mittleren Temperaturen kann durch eine Sinterung eine Pressagglomeration unterstützt werden. Die Sinterungstemperatur hängt im Wesentlichen von der Partikelgröße ab und steigt mit zunehmender Größe der Resttonerpartikel an. Eine Wärmebeaufschlagung in einem noch niedrigeren Temperaturbereich kann erfolgen, um das Aushärten eines Bindemittels vorzunehmen oder um ungewünschte Verbindungen wie Benzol auszutreiben.
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Insbesondere in einem hohen Temperaturbereich wird die Wärmebeaufschlagung bevorzugt in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt, um ein Entzünden des Resttoners zuverlässig zu verhindern.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Weiterbildung wird Verfahrensschritt c) unter Zugabe eines Bindemittels durchgeführt.
Ein Beispiel hierfür ist das Verfahren des Pelletierens mittels eines Pelletiertellers, bei welchem Resttoner und Bindemittel kontinuierlich auf den sich drehenden Pelletierteller gegeben werden.
Durch das Bindemittel wird die Anhaftung der Partikel aneinander bewirkt oder unterstützt.
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Die Zugabe eines Bindemittels kann optional auch in einem vorhergehenden Arbeitsschritt erfolgen.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung eines Festbrenn- oder Werkstoffs, bei dem der Festbrenn- oder Werkstoff als Festbrenn- oder Werkstoff nach Anspruch 2 ausgebildet ist, wird in einem der Verfahrensschritte a) bis c) oder in einem zusätzlichen Verfahrensschritt d) nach dem Verfahrensschrift c) das Grundkomposit mit wenigstens einem Zusatzkomposit zusammengeführt.
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Gemäß dieser Weiterbildung ist es beispielsweise möglich, für eine Verwendung als Werkstoff Fasern beizugeben, durch die ein Verbundwerkstoff von hoher Zugfestigkeit und hoher Steifigkeit erlangt werden kann. In einer anderen Variante kann das Zusatzkomposit als ein volumenbildendes Material zugeführt werden, so dass mit geringem Aufwand ein Leichtwerkstoff erhalten werden kann.
Für eine Verwendung als Festbrennstoff kann ein Zusatzkomposit beigegeben werden, welches das Abbrandverhalten beeinflusst.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Ablaufschema des Verfahrens
näher erläutert.
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In 1 wird ein Ablaufschema des Verfahrens am Beispiel eines Herstellungverfahrens eines Festbrennstoffs dargestellt. Das Schema umfasst in dieser Ausführung die vier Verfahrensschritte a) bis d):
- a) Zusammenführen einer Menge von Resttoner
- b) Formen der Resttonermenge
- c) Agglomerieren der geformten Resttonermenge zu einem Festbrennstoffkörper
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In dieser Ausführung wird in Verfahrensschritt a) der hauptsächlich organische Resttoner aus den Druckerkartuschen gesaugt und mittels eines Zyklons aus dem Luftstrom abgeschieden. Der abgeschiedene Resttoner wird in einer Tonne, einem Big Bag (ein in der Industrie üblicher Standardsammelbehälter für Schüttgut) oder in einem sonstigen Gefäß gesammelt.
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In Verfahrensschritt b) erfolgt die Formung der Resttonermenge. Hierzu wird der Resttoner in Formen abgefüllt.
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Im Anschluss daran erfolgt in Verfahrensschritt c) das Agglomerieren der geformten Resttonermenge zu einem Festbrennstoffkörper mittels eines beheizten Pressvorgangs. Hierbei wird in den Formen der Resttoner mittels eines Stempels gepresst. Durch das Beheizen werden die thermisch plastifizierbaren Bestandteile angeschmolzen und verbinden sich auf diese Weise. Sie binden so zugleich die anderen Bestandteile des Resttoners. Dies wird durch das Pressen mechanisch unterstützt. Nach einem teilweisen Abkühlen kann der Festbrennstoffkörper entformt, also aus der Form entnommen werden.
