DE102021109591B4

DE102021109591B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Multischichtverbundmaterialien

Info

Publication number: DE102021109591B4
Application number: DE102021109591.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Palitzsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2041-04-17
Also published as: EP4188666A1; DE102021109591A1; WO2022218481A4; WO2022218481A1

Abstract

Die Erfindung betriff ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Multischichtverbundmaterial, in Form von Photovoltaikmodulen (PV), TFT- , OLED- oder LCD-Displays, bestehend aus mindestens einer harten unteren Schicht (1) und einer weichen Schicht (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lagen des zu trennenden Multischichtverbundmaterials mit mindestens einem Hochdruckwasserstrahl schichtweise oder ganz geschnitten und/oder abgehoben und vereinzelt werden, wobei eine oder mehrere den Hochdruckwasserstrahl ausgebende Düsen sich durch mittels eines drehbaren Düsenkopfes (DK) um eine Drehachse (L) des Düsenkopfes (DK) rotieren, bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen dem Düsenkopf (DK) und dem Multischichtverbund zwei Düsen zur Ausgabe jeweils mindestens eines Hochdruckwasserstrahls vorhanden sind. Bei der Vorrichtung sind die Düsen so angeordnet, dass die auf die Oberfläche des Multischichtverbundmaterials auftretenden Hochdruckwasserstrahlen voneinander beabstandet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Verbundmaterialien bzw. Multischichtsystemen, bei dem innen befindliche Wertstoffe, wie Halbleitermaterialien und/oder Metalle, oder auch anorganische oder organische Werkstoffe, mit denen Schichten eines Multischichtsystems gebildet sein können, nach dem Trennen zum Zwecke des Recyclings einer gezielten Verwertungstechnologie zugänglich gemacht werden sollen sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.
Solarstromanlagen, sogenannte Tabletcomputer, Smartphones, Laptopbildschirme, Displays und Produkte, die auf OLED (organische Leuchtdioden) basieren, sind Beispiele für elektronische Produkte, bei denen die Multi-Layer-Technologien eine große Rolle spielen. Eine wesentliche Gemeinsamkeit dieser Produkte besteht darin, dass sie mehrlagig aufgebaut sind und oft auf einem Substratträger, z.B. Glas, die entsprechenden Funktionsschichten aufgebaut worden sind, welche in der Regel noch zum Schutz mit Kunststofffolien laminiert wurden bzw. weitere Schichten aufweisen, wie z. B. verschiedene Kunststoffe, wie etwa Polarisationsfolien bei TFT-Monitoren. Die funktionellen Schichten können wertvolle chemische Verbindungen aus Silizium, Indium, Gallium, Arsen, Cadmium, Tellur, Molybdän, Kupfer, Silber, Zinn und/oder Selen, aber auch spezielle organische Substanzen (z.B. Flüssigkristalle) enthalten, wobei die aufgeführten Elemente oft als Intermediate, wie zum Beispiel als Verbindungshalbleiter (Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, usw.) oder als leitfähige Strukturen (Molybdän, Indiumzinnoxid) vorliegen.
Indium, Selen, Tellur, Gallium sind Elemente, die in einem rohstoffarmen Land wie Deutschland fast vollständig importiert werden müssen. Die wirtschaftliche Bedeutung des Recyclings von Abfällen, die diese Stoffe enthalten, wie beispielsweise End-Of-Life-Photovoltaik-Module und die damit verbundene erneute Verwendung von diesen Metallen ist daher inzwischen ein wichtiges Thema. Aber die dissipative Verwendung vieler spezieller Materialien in unzähligen Produkten (Photovoltaikmodule, Mobiltelefone, Flachbildschirme etc.) erschwert das Recycling und erlaubt die Rückführung in Recyclingkreisläufe nur bis zu einem gewissen Grad.
Im Zuge der Umsetzung der Richtlinie des Europäischen Parlamentes und Rates über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE 2) ist es in der EU zu entsprechenden Novellierungen auf nationaler Ebene gekommen. Die novellierte Elektro-Altgeräte-Richtlinie der Europäischen Union (WEEE, 2012/19/EU) wurde in Deutschland durch das Elektro- und Elektronikgerätegesetz (ElektroG) in nationales Recht umgesetzt. Das neue Elektrogesetz ist am 24. Oktober 2015 in Kraft getreten, wonach beispielsweise Photovoltaikmodule dem Anwendungsbereich der Kategorie 4 „Geräte der Unterhaltungselektronik und Photovoltaikmodule“ unterfallen, die nun gesetzeskonform verwertet werden müssen. Die Recyclingquoten wurden je nach Gerätekategorie auf 55 bis 80 % und die Verwertungsquoten auf 75 bis 85 % angehoben.
Allerdings ermöglicht die vom Gesetzgeber vorgegebene Recycling-Quote von 80% des eingesammelten Abfalls simplen Zerkleinerungs- und Sortierverfahren die Erfüllung dieser Vorgabe, wenn man davon ausgeht, dass ein Photovoltaikmodul aus 95% Glas besteht. Bei dieser Technologie gehen jedoch alle weiter oben angesprochenen anderen Materialien, wie seltene Metalle oder das Silizium verloren. Die Qualität des daraus gewonnenen Sekundär-Glases reicht bei weitem nicht für eine hochwertige Verwertung, wie das Wiedereinschmelzen bei der Flachglasproduktion, aus. Das geht wiederum nicht mit bereits gültigen gesetzlichen Vorschriften, wie z.B. dem aktuellen deutschen „Kreislaufwirtschaftsgesetz“, welches auf eine maximale mögliche Quote für das Verwerten angelegt ist, einher. Hieraus wird zusätzliches Interesse an neuen wirtschaftlichen und ganzheitlichen Recyclingverfahren generiert.
Nicht zu vernachlässigen ist heute neben dem ökonomischen auch der ökologische Aspekt. Mit Blick auf die Ökotoxizität der beteiligten Materialen fällt auf, dass giftige Elemente, wie z. B. das Blei bei Photovoltaik-Modulen, gerade bei den bisher verbauten Produkten eine bedeutende Rolle spielen. Nach dem Stand der Technik gelingt es derzeit nicht, die einzelnen Elemente aus den Sandwichstrukturen ökonomisch und ökologisch optimal zu isolieren, sondern oft verschwinden diese in minderwertigen Produkten, die aus „Downcycling“ resultieren (wie Silber in Isolationsmaterialien wie Glaswolle) oder in Schlacken bzw. auf Deponien. Umso wichtiger ist es, umweltfreundliche Recyclingverfahren für Produktionsabfälle oder defekte bzw. ausgesonderte Produkte anzubieten, was das Ziel der vorliegenden Erfindung ist.
Gegenwärtig wird in den USA und Malaysia Photovoltaikabfall verarbeitet, wobei der Prozess als sehr aufwendig beschrieben wird US 5 453 111 A. Das eigentliche Trennproblem wird durch Schreddern gelöst, wobei aus einem großen Sandwich viele kleine erzeugt werden. Zwar entstehen durch Absplittern größere freigelegte Bereiche, so dass mit nasschemischen Verfahren die Halbleiter angegriffen werden, jedoch wird der gesamte Abfall zerkleinert behandelt, was schließlich zu Schwierigkeiten bei der eigentlichen Separation führt. Das Abschöpfen von Kunststoff nach einer warmen Salpetersäurebehandlung zerkleinerter Module stellt keine gute ökonomische und ökologische Lösung dar. Ebenfalls wird eine thermische Behandlung (Pyrolyse) sowie die Entfernung von einigen Metallen in der Gasphase EP 1 187 224 B1 nicht zu einem kostengünstigen Verfahren führen, da schließlich die gesamte Abfallmenge (über 90% Glas) auf Pyrolysetemperatur erwärmt werden muss. Dafür ist einerseits ein sehr hoher Energieeinsatz erforderlich, andererseits ist dann zusätzlich noch der Einsatz weiterer Kühl-Schritte erforderlich, um die heißen Substrate in Folgeprozessen weiterbearbeiten zu können. Neben dem erhöhten Energieaufwand für Heizen und Kühlen ist zudem eine prozessbedingt lange Dauer der Schritte erforderlich, die in kontinuierlich laufenden in-line Systemen auch einen ungünstigeren CO₂-Fußabdruck nach sich ziehen kann. Ein interessanter und ökologischer Ansatz findet sich in einem Verfahren unter Ausnutzung der Eigenschaften von nanoskaligen Dispersionen ( DE 10 2011 000 322 A1 ), wobei die Durchsatzleistung von der Geschwindigkeit des „Unterwanderns“ abhängt und man schließlich eine Mischung der Materialien immer noch aufwändig trennen muss. Auch der Ansatz, die Lasertechnologie, die für die Randentschichtung von Dünnschicht-Photovoltaik-Produkten angewendet wird, für ein Recyclingverfahren zu nutzen ( DE 10 2008 047 675 B4 ), offenbart bei näherer Betrachtung eine Vielzahl von Nachteilen. Die hohe Energie des Lasers führt beispielsweise zum vollständigen Abtrag der werthaltigen Schichten bzw. zur Beschädigung des Substrates, also im ungünstigen Fall zum Einschmelzen der werthaltigen Schichten in das Substrat. Eine alternative Anwendung von Blitzlichtlampen für Siliziummodule hat in Versuchen ebenfalls zu Komplikationen geführt, wie etwa das Zersetzen von Kunststoff und das damit verbundene Auftreten von giftigen Gasen, ähnlich den konventionellen thermischen Verfahren, wie zum Beispiel die Behandlung von Substraten in Öfen oder durch Aufheizung mittels Halogenlampen oder Heißluft, wo in der Regel die mehrere Sekunden bis Minuten dauernde Prozesszeit stets zu einer vollständigen Durchheizung der Substrate führt - was energetisch nicht sinnvoll erscheint.
Die Druckschrift DE 197 03 104 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Recyclen von Datenträgerplatten. Dabei wird die Oberfläche aus Lack und Aluminium vom Polycarbonat getrennt. Dies soll mechanisch oder mittels Einbringens von Energie in Form eines Energiestrahls erfolgen. Es werden keine Schichten eines Multischichtverbundmaterials voneinander getrennt, sondern es werden Reststoffe, welche bei der Produktion von Datenträgerplatten entstehen, von den Datenträgerplatten wie CD-ROMS, Audio CDs oder anderen Platten entfernt.
Aus der Druckschrift DE 44 40 483 A1 ist eine Anlage zum Reinigen und/oder Abtragen der Oberfläche eines Werkstücks bekannt. Die Anlage ist jedoch nicht zum Trennen mehrerer Schichten/Lagen eines Verbundmaterials geeignet, da lediglich eine Reinigung bzw. ein Abtragen einer Oberfläche eines Werkstücks durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft nunmehr ein vielseitig anwendbares Verfahren und eine Anlage zur Auftrennung von Mehrschichtsystemen, wie zum Beispiel Photovoltaikmodule, ohne das Substrat bzw. andere Materialien, wie Kunststoffe oder Halbleiter signifikant zu erwärmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine kostengünstige, elegante und energiearme und dabei umweltverträgliche Methode und eine Vorrichtung zum Trennen derartiger Verbundsysteme bzw. typische Mehrschichtsysteme, wie sie in High Tech bzw. Green Tech Abfällen, bzw. Elektro- und Elektronikabfällen vorkommen, bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile vermeidet und insbesondere nicht zu einer signifikanten Erwärmung des Substrates, bzw. anderer Materialien, wie Kunststoffe oder dem Glas, führt, keine Verluste durch Abtrag bzw. Verdampfen generiert, die Substrat- bzw. Schutzschichten, wie etwa Glas, NICHT zerstört und damit den einfachen Zugang zu den eingekapselten wertvollen Halbleitermaterialien bzw. elektrisch leitfähigen Schichten ermöglicht, um diese zu recyceln. Gleichzeitig sollten die Hauptbestandteile des Mehrschichtsystems, wie z.B. Frontglas, einzelne Kunststoffschichten oder andere Bestandteile vereinzelt werden, um diese ebenfalls leichter sortieren und einem Recyclingprozess oder einer Weiterverwendung zuführen zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Verfahrensgemäß werden zum Trennen von Multischichtverbundmaterial, in Form von Photovoltaikmodulen, TFT- , OLED- oder LCD-Displays, bestehend aus mindestens einer harten unteren Schicht und mindestens einer davon darauf befindlichen und von der harten unteren Schicht zu trennenden weichen Schicht erfindungsgemäß eine oder mehrere Lagen des zu trennenden Multischichtverbundmaterials mit mindestens einem Hochdruckwasserstrahl schichtweise oder ganz geschnitten und abgehoben und vereinzelt, wobei eine oder mehrere den Hochdruckwasserstrahl ausgebende Düsen mittels eines drehbaren Düsenkopfes um eine Drehachse des Düsenkopfes (rotieren, bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen dem Düsenkopf und dem Multischichtverbund.
Die Wasserstrahlbehandlung erfolgt entsprechend der Arbeitsbreite des Düsenkopfes streifenweise, wobei das zu behandelnde Multischichtverbundmaterial abgerastert wird, oder bei einem linearen Durchfahren mehrere Düsenköpfe entsprechend der Breite des zu behandelnden Multischichtverbundmaterials nebeneinander eingebaut sind.
Durch die Rotation des Düsenkopfes mit der von der Drehachse mindestens einer beabstandeten Düse wird das auf der unteren Schicht vorhandene weichere Material stückweise getrennt und abgehoben.
Bevorzugt erfolgt das Trennverfahren des Multischichtverbundmaterials (das Abtrennen der auf der unteren Schicht aufgebrachten weicheren Schichten von der unteren Schicht), indem mindestens zwei paarweise angeordnete Düsen durch eine Rotation bei gleichzeitigem Vorschub des zu behandelnden Materials oder des Düsenkopfes selbst durch eine oder mehrere Schichten, die sich über der unteren harten Schicht befinden, schneiden und die geschnittenen Abschnitte abheben und die untere Schicht gleichzeitig reinigen.
Die Vorschubgeschwindigkeit wird dabei insbesondere so ausgelegt, dass die Schichten des zu trennenden Materials jeweils durchdrungen und durch einen geeigneten Strahlwinkel (α) der Düsen dieses Material von seinem Untergrund abgehoben und damit gelöst wird.
Der für die Zerstörung und somit die Auftrennung des Verbundes des Multischichtverbundmaterials notwendige Druck liegt dabei insbesondere zwischen 750 und 3000bar.
Die Rotationsgeschwindigkeit des Düsenkopfes wird vorteilhafter Weise der jeweiligen Vorschubgeschwindigkeit so angepasst, dass ein Schneiden und Abheben für die jeweilige Anzahl der einzelnen Schichten nacheinander erfolgt.
Die durch den/die Wasserstrahlen von der unteren Schicht abgelösten einzelnen Schichten werden zusammen mittels Wasserschleier von den Wänden einer Strahlkabine abgespült und beispielsweise in einer Rinne aus einer Stahlkabine ausgeschwemmt werden.
Die Düsenköpfe und die darin eingesetzten Düsen werden insbesondere hinsichtlich A) Strahlform, B) Winkel und C) Anzahl so angepasst, dass durch A) die Eindringtiefe, B) das Abheben und C) die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder die Form der geschnittenen Fragmente angepasst werden können.
Die Vorrichtung zum Trennen von Multischichtverbundmaterial, in Form von Photovoltaikmodulen (PV), TFT-, OLED- oder LCD-Displays, bestehend aus mindestens einer harten unteren Schicht und einer weichen Schicht), weist erfindungsgemäß zwei Düsen zur Ausgabe jeweils mindestens eines Hochdruckwasserstrahls auf, wobei die Düsen so angeordnet sind, dass die auf die Oberfläche des Multischichtverbundmaterials auftretenden Hochdruckwasserstrahlen voneinander beabstandet sind.
Dabei sind bevorzugt in einem um eine Drehachse drehbaren Düsenkopf mindestens zwei Düsen angeordnet, wobei der Düsenkopf in einem Abstand von der Oberseite des Multischichtverbundmaterials installiert ist, der bei einer in einem Winkel (α) zueinander geneigten Anordnung der Düsen im Düsenkopf (DK) einen Abstand (b) der auf die Oberseite des Multischichtverbundmaterials auftreffenden Wasserstrahlen gewährleistet.
Erfindungsgemäß werden somit erstmalig die oben beschriebenen Abfälle in Form von Multischichtverbundmaterialien, beispielsweise speziell halbleiterhaltige Mehrschichtsysteme wie zum Beispiel Photovoltaikmodule, überraschender Weise durch ein präzises Schneiden mit Wasser (eine Zugabe von Abrasionsmittel ist nicht nötig, das würde auch die Produkte verunreinigen, was nicht erwünscht ist) bei gleichzeitigem Abheben der geschnittenen Schicht von der weichen Seite in Richtung Trägermaterial, z.B. Glas, vereinzelt.
Dazu wird Wasser mittels Hochdruckpumpe in einen Düsenkopf geführt, der mindestens ein Düsenpaar trägt, das die einzelnen Wasserstrahlen auf das aufzutrennende Material leitet. Der Düsenkopf wird in eine Rotation gebracht und das zu behandelnde Material wird unter dem sich drehenden Düsenkopf durchgeführt oder der Düsenkopf wird über das Material bewegt. Je nach Beschaffenheit der zu behandelnden Multi-Layer und je nach Anzahl der einzelnen Schichten ist eine bestimmte Abweichung des Strahlwinkels von 90° in Bezug auf die Oberfläche des Mehrschichtverbundmaterials günstiger für den Trenneffekt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Wasserstrahlbehandlung streifenweise erfolgt und das zu behandelnde Material kontinuierlich abgerastert wird. Alternativ ist die Anordnung so vieler Düsenköpfe sinnvoll, die nötig sind, dass aufgrund ihrer jeweiligen Arbeitsbreite schließlich die Gesamtbreite des zu behandelnden Materials abgedeckt werden kann.
Die so von allen Schichten befreite Substratunterlage, bei Photovoltaikmodulen eben die Glasscheibe oder eine Kunststoffscheibe oder -schicht, kann anschließend bei Bedarf mittels Gummilippe oder Luftgebläse getrocknet werden und kann die Anlage zum Abstapeln in Recks oder auf Palette oder für den Containerwurf verlassen. Die vereinzelten Teile des Aufbaus werden durch Wasserschleier von den Wänden in eine wasserführende Rinne unter Strömung aus der Anlage ausgetragen und einer Fest/Flüssig-Trennung zugeführt.
Das Wasser wird für den erneuten Einsatz aufbereitet oder verworfen. Die gesammelten abgestrahlten Partikel können nun durch ein weiteres Zerkleinern so homogenisiert werden, dass im Anschluss eine einfache Dichtetrennung oder je nach Abfallart eine leichte chemische Behandlung durchgeführt werden kann.
Die Schicht aus Halbleitermaterial und/oder Metall und/oder Metalllegierung, im Beispiel für Photovoltaikmodule die Siliziumzellbruchstücke mit Kontaktierung, die vorher zwischen zwei Schichten eingekapselt war, liegt nun einzeln und/oder freizugänglich an den aufgetrennten Schichten vor.
Durch Verwendung einer geeigneten Sortiertechnik wird es nun sogar möglich, unterschiedliche Kunststofffolien, beispielsweise EVA- und Tedlar auf einfachste Weise über Dichtetrennung zu sortieren und damit Sekundärrohstoffe höchster Qualität zu generieren. Der Gesamtprozess läuft dabei vollautomatisch ab.
Bevorzugt erfolgt das Trennverfahren mittels Wasser zum Trennen von Multischichtverbundmaterialien, insbesondere Photovoltaikmodulen, TFT-, OLED- oder LCD-Displays, dadurch, dass das zu trennende Material mit einzelnen Wasserstrahlen durch eine Rotation und einen gleichzeitigen Vorschub das schnelle Wechseln von Schnittstrahl und Abhebestrahl generiert und dadurch einzelne Lagen bis auf die Unterlage separiert werden.
Typische Wasserdrücke liegen im Bereich zwischen 750 und 3000 bar oder höher.
Vorteilhafterweise wird dabei die Rotationsgeschwindigkeit, die Anzahl, die Winkel und die Vorschubgeschwindigkeit so auf das zu bearbeitende Material angepasst, dass die einzelnen Lagen aufgespalten und geschnitten werden, und zwar bis die letzte Lage vom Substratträgermaterial, z.B. Glas, entfernt wurde und der Untergrund rückstandsfrei erscheint.
Bevorzugt liegt die Relativgeschwindigkeit zwischen Düsenkopf und zu bearbeitendem Material je nach Trennaufgabe zwischen 200 mm/s und 1 mm/s. Die Drehzahl des Düsenkopfes liegt zwischen 200/min und 2000/min. Es werden zwischen 10 und 100 l/min Wasser benötigt, was wesentlich durch die Anzahl der zur Anwendung gebrachten Düsen beinflusst wird. Als besonders vorteilhaft für den typischen Schichtenaufbau von einem Photovoltaikmodul, bestehend aus Glas, EVA, Siliziumzellen mit Busbars, EVA und Tedlar haben sich folgende Parameter erwiesen: Drehzahl des Düsenkopfes mit 3 Paar Düsen von 1500 Umdrehungen pro Minute und eine Relativgeschwindigkeit (Vorschub des Photovoltaikmodules) von 50 mm/s bei 1600 bar.
Bevorzugt wird der für die Zerstörung des Verbundes notwendige Wasserdruck mit einer Hochdruckpumpe hergestellt.
Vorteilhafterweise kann die Behandlung je nach Anlagenkonstruktion horizontal oder vertikal durchgeführt werden.
Die nun frei zugänglichen wertvollen Materialien können unter Nutzung diverser Behandlungsmethoden, zum Beispiel hydrometallurgisch nach DE102014102389A1 einer weiteren Verwertung zugeführt werden.
Durch gezielten Einsatz mehrerer Düsen, die eine Rotation ausführen und dabei einzelne Wasserstrahlen mit hohem Druck auf ein sich bewegendes Multi-Layer-System mit härterer Unterlage schicken, konnte überraschenderweise bei großflächiger Behandlung die vollständige Trennung des Mehrschichtsystems beobachtet werden.
Mit dieser neuen universellen Methode werden die Nachteile von bisher angewendeten Verfahren, nämlich die Beschränkung auf klassische Zerkleinerung bei Inkaufnahme des Verlustes der Halbleiterschichten, die aufwendige Glas/Kunststoff/Metallflitter-Separation aus Flüssigkeiten oder die vollständige Erwärmung des gesamten Materials überwunden.
Das Verfahren ist durch den bloßen Einsatz von Wasser, welches wieder verwendet werden kann, anderen Trennverfahren auch ökologisch überlegen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:

1 den prinzipiellen Ablauf beim Trennen eines Multischichtverbundmaterials in Form eines Photovoltaikmoduls PV,
2 die Prinzipdarstellung eines Düsenkopfes DK dessen Drehachse L senkrecht zur Oberfläche O des Multischichtverbundmaterials angeordnet ist mit zwei im Winkel α eingesetzten Düsen D1, D2,
3 die Prinzipdarstellung eines Düsenkopfes DK , der mit seiner Drehachse L in einem Winkel β zur Oberfläche O des Multischichtverbundmaterials geneigt ist und zwei zueinander parallele Düsen D1, D2 aufweist,
4 die Prinzipdarstellung eines Düsenkopfes DK, dessen Drehachse L senkrecht zur Oberfläche O des Multischichtverbundmaterials angeordnet ist mit zwei zueinander parallelen D1, D2.

1 zeigt den prinzipiellen Ablauf beim Trennen eines Multischichtverbundmaterials in Form eines Photovoltaikmoduls PV.
Die erste hier untere Schicht 1 des Photovoltaikmoduls PV bildet in der Regel eine Trägerschicht in Form einer Glasscheibe aus Sicherheitsglas oder auch eine Kunststoffscheibe.
Darüber befinden sich eine oder mehrere Schichten 2 aus einem weicheren Material, die Kunststofffolien, wie etwa EVA, und/oder funktionelle Materialien, wie etwa Siliziumzellen sein können. Die rückseitige hier obere Schicht 3 bildet eine oder mehrere Kunststoff- oder Metallfolien.
In einem ersten Schritt A wird das Photovoltaikmodul PV einer entsprechenden Vorrichtung zugeführt und unter eine oder mehrere Wasserstrahldüsen bzw. einen Düsenkopf DK mit mehreren nicht bezeichneten Wasserstrahldüsen gefahren. In einem weiteren Schritt B erfolgt durch die Düsen des Düsenkopfes DK die Wasserstrahlbehandlung des Photovoltaikmoduls PV, das sich bevorzugt mit einer gleichmäßigen Relativbewegung unter den Düsen des Düsenkopfes DK hindurchbewegt. Dabei wird sukzessive eine nach der anderen Schicht geschnitten und abgetragen (siehe C), bis die untere Schicht 1 allein übrigbleibt. In einem Schritt D erfolgt dann die Ausfahrt der unteren Schicht 1 - Glasscheibe (Substratträger) - und die entsprechende Sortierung.
Die abgelösten Partikel werden im Wasserstrom aus der Anlage transportiert (E) und gegebenen Falls entwässert.
Das Halbleitermaterial und ggf. weitere Metalle und/oder Legierungen der Schicht/en 2 befindet sich nun frei zugänglich in der Mischung der abgelösten Schichten 2 und kann nun mittels herkömmlicher Verfahren separiert, gelöst und wieder gewonnen werden (wie auch ggf. die vorhandenen Metalle und/oder Legierungen beispielsweise von Kontaktierungen und Leiterbahnen).
Bei Versuchen wurden beispielsweise ganze Solarmodule mit und ohne Rahmen verwendet. Das Material, als Beispiel für ein Mehrschichtsystem, bestand aus Frontglas (untere Schicht 1) und einem Aufbau (Folie, Siliziumzelle mit Verbindungsleitern, Folie, Rückseitenfolie) = Schichten 2 und 3.
Mittels des rotierenden Düsenkopfes DK, der eine Arbeitsbreite von 25 cm aufwies, wurden die Photovoltaikmodule ganzflächig abgefahren. Der verwendete Wasserdruck lag je nach Modultyp zwischen 750 und 2000 bar. Der Multischichtaufbau wurde scharf am Aluminiumrahmen geschnitten und komplett vom Glas - der unteren Schicht 1 (Trägerschicht) - entfernt.
Die untere Schicht 1 in Form des Trägermaterials wird somit nicht durch Wasserstrahl geschnitten, sondern lediglich die darauf angeordneten Schichten entfernt bzw. abgelöst und zerkleinert.
Das Strahlgut, eine Mischung aus den nun vereinzelten Materialien, wie Siliziumzellbruch, verzinnter Kupferbändchen, EVA- und Tedlar-Folie wurde aufgefangen und einer weiteren Verwertung zugeführt. Die Gläser mit Rahmen wurden auf einen dornenbestückten Rost fallen gelassen, worauf das Glas zersprang, durch den Rost in einen Container fiel und der Rahmen, wie auch die Dose mit den Kabeln auf dem Rost liegen blieb. Beides konnte nun in die jeweiligen Sammelbehälter für die Metallverwertung gegeben werden.
Der Abstand des Düsenkopfes DK zum zu behandelnden Substrat (Photovoltaikmodul PV betrug 4 cm, der Wasserverbrauch lag durchschnittlich bei 30 l/min.

Die vorliegende Erfindung stellt insgesamt erstmalig ein Verfahren zum Trennen bzw. Auftrennen von großflächigem Multischichtverbundmaterial (Verbundmaterialien bzw. Multischichtsystemen) dar, bei dem lediglich Wasser ohne chemische Zusätze als Werkzeug verwendet wird. Die oberen Schichten können zerkleinert und voneinander abgehoben, sortiert und einem Recyclingprozess zugeführt werden. Die nun freiliegenden Halbleiter und/oder Metalle bzw. Metalllegierungen können ebenfalls rückgewonnen werden. Auch die obere und/oder rückseitige Schicht können recycelt werden. Das so produzierte Glas-Cullet (die untere Schicht) ist hochrein und stellt eine gesuchte Scherbe als Sekundärrohstoff in der Glasindustrie dar, wobei die Summe der Nebenbestandteile weniger als 0,7% betragen. Nachfolgende Tabelle 1 verdeutlicht das: Tabelle 1. Zusammensetzung des erzeugten Recyclingglases, Hauptbestandteile.

Glasanalysen mittels XRF	Modul 1	Modul 2	Modul 3
Al₂O₃ [%]	0,622	0,712	0,804
Fe₂O₃ [%]	0,067	0,073	0,047
CaO [%]	8,83	9,11	9,29
MgO [%]	4,45	4,11	3,95
Na₂O [%]	13,67	13,36	13,47
SiO₂ [%]	71,79	71,96	71,79

Die Verfahrensparameter in Form von Düsenkopfdrehzahl und/oder Vorschubgeschwindigkeit und/oder Relativgeschwindigkeit und/oder Wasserdruck, Anstellwinkel und/oder Anzahl der Düsen können in Referenzversuchen ermittelt werden.
Varianten der Gestaltung und Ausrichtung des Düsenkopfes DK und hier beispielsweise von zwei darin eingesetzten Düsen D1 und D2 zeigen die 2 bis 4.
In 2 ist die Prinzipdarstellung eines Düsenkopfes DK dargestellt. dessen Drehachse L senkrecht zur Oberfläche O des Multischichtverbundmaterials angeordnet ist, In den Düsenkörper sind zwei Düsen D1 und D2 eingesetzt, deren Längsachsen A1 und D2 zueinander in einem Winkel α geneigt sind. Die Winkelhalbierende liegt hier auf der Längsachse L des Düsenkopfes DK die Dick gestrichelte Linie verdeutlicht die Führung des mit Druck zugeführten Wassers, wobei der über eine nicht dargestellte Druckleitung zugeführte Wasserstrahl in dem Düsenkopf auf die beiden Düsen D1, D2 aufgeteilt wird.
3 zeigt die Prinzipdarstellung eines Düsenkopfes DK, der mit seiner Drehachse L in einem Winkel β zur Oberfläche O des Multischichtverbundmaterials geneigt ist und zwei zueinander parallele Düsen D1, D2 aufweist, die somit den gleichen Winkel β zur Oberfläche O aufweisen.
Es ist auch bei einem schräg gestellten Düsenkörper gemäß eines nicht dargestellten Beispiels möglich, die Düsen D1, D2 zusätzlich zueinander in einem Winkel α wie bei 2 anzuordnen.
4 zeigt die Prinzipdarstellung eines Düsenkopfes DK, dessen Drehachse L senkrecht zur Oberfläche O des Multischichtverbundmaterials angeordnet ist mit zwei zueinander parallelen Düsen D1, D2.
Es ist auch möglich, gemäß nicht dargestellter Varianten in einem Düsenkopf eine oder mehrere Düsen einzusetzen, deren Längsachsen parallel zur Drehachse L sind und dies mit einer oder mehreren Düsen zu kombinieren, deren Längsachsen in einem Winkel zur Drehachse L des Düsenkopfes DK liegt.
Weiterhin ist es beispielsweise möglich, zwei oder mehr Düsenköpfe vorzusehen, die in ihrer konstruktiven Ausgestaltung gleich oder unterschiedlich sind.
So kann beispielsweise in einem Düsenkopf nur eine Düse eingesetzt sein, deren Längsachse von der Drehachse beabstandet ist und zwei dieser Düsenköpfe paarweise nebeneinander rotieren. Die Ausrichtung der Düsen in den Düsenköpfen kann dabei gleich oder unterschiedlich sein.
Durch die um die Drehachse L rotierenden Düsen wird eine kreisförmiger Schnittverlauf realisiert. Insbesondere durch die Schrägstellung der Düsen und/oder des Düsenkopfes wird nach dem Schneiden der Schichten deren Abheben von der darunter liegenden Schicht bewirkt.
Mit der Erfindung wird somit eine einfache und effiziente Lösung zum Trennen von Verbundmaterialien bzw. Multischichtsystemen, bei dem innen befindliche Wertstoffe, wie Halbleitermaterialien und/oder Metalle, oder auch anorganische oder organische Werkstoffe, mit denen Schichten eines Multischichtsystems gebildet sein können zur Verfügung gestellt, wobei jedoch die harte Trägerschicht erhalten bleibt.

Claims

Verfahren zum Trennen von Multischichtverbundmaterial, in Form von Photovoltaikmodulen (PV), TFT- , OLED- oder LCD-Displays, bestehend aus mindestens einer harten unteren Schicht (1) und mindestens einer darauf befindlichen weichen Schicht (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lagen des zu trennenden Multischichtverbundmaterials mit mindestens einem Hochdruckwasserstrahl schichtweise oder ganz geschnitten und abgehoben und vereinzelt werden, wobei eine oder mehrere den Hochdruckwasserstrahl ausgebende Düsen mittels eines drehbaren Düsenkopfes (DK) um eine Drehachse (L) des Düsenkopfes (DK) rotieren, bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen dem Düsenkopf (DK) und dem Multischichtverbund und dass die Wasserstrahlbehandlung - entsprechend einer Arbeitsbreite des Düsenkopfes (DK) streifenweise erfolgt und das zu behandelnde Multischichtverbundmaterial abgerastert wird oder - bei einem linearen Durchfahren mehrere Düsenköpfe (DK) entsprechend einer Breite des zu behandelnden Multischichtverbundmaterials nebeneinander eingebaut sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennverfahren des Multischichtverbundmaterials durchgeführt wird, indem mindestens zwei paarweise angeordnete Düsen durch eine Rotation bei gleichzeitigem Vorschub des zu behandelnden Materials oder des Düsenkopfes (DK) selbst durch eine oder mehrere Schichten (2, 3) schneiden und die geschnittenen Abschnitte abheben und die untere Schicht (1) gleichzeitig reinigen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit so ausgelegt ist, dass die Schichten (2, 3) des zu trennenden Materials jeweils durchdrungen und durch einen geeigneten Strahlwinkel (α) der Düsen dieses Material von seinem Untergrund abgehoben und damit gelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Zerstörung und somit die Auftrennung des Verbundes des Multischichtverbundmaterials notwendige Druck zwischen 750 und 3000bar bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Düsenkopfes (DK) der jeweiligen Vorschubgeschwindigkeit so angepasst wird, dass ein Schneiden und Abheben für die jeweilige Anzahl der einzelnen Schichten (2, 3) nacheinander erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Wasserstrahlen von der unteren Schicht (1) abgelösten einzelnen Schichten (2, 3) zusammen mittels Wasserschleier von den Wänden einer Strahlkabine abgespült und in einer Rinne aus einer Stahlkabine (K) ausgeschwemmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (DK) hinsichtlich A) Strahlform, B) Winkel und C) Anzahl so angepasst werden, dass durch A) die Eindringtiefe, B) das Abheben und C) die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder die Form der geschnittenen Fragmente angepasst werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen des Multischichtverbundmaterials eine Schicht aus Halbleitermaterial und/oder Metall und/oder Metalllegierung, die vorher zwischen zwei Schichten eingekapselt war, einzeln und/oder freizugänglich an den aufgetrennten Schichten vorliegt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Trennen von Multischichtverbundmaterial, in Form von Photovoltaikmodulen (PV), TFT- , OLED- oder LCD-Displays, bestehend aus mindestens einer harten unteren Schicht (1) und einer weichen Schicht (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass zwei Düsen zur Ausgabe jeweils mindestens eines Hochdruckwasserstrahls vorhanden sind, und dass die Düsen so angeordnet sind, dass die auf die Oberfläche des Multischichtverbundmaterials auftretenden Hochdruckwasserstrahlen voneinander beabstandet sind und dass mindestens zwei Düsen in einem um eine Drehachse (L) drehbaren Düsenkopf (DK) angeordnet sind, wobei der Düsenkopf (DK) in einem Abstand (L) von der Oberseite des Multischichtverbundmaterials installiert ist, der bei einer in einem Winkel (α) zueinander geneigten Anordnung der Düsen im Düsenkopf (DK) einen Abstand (b) der auf die Oberseite des Multischichtverbundmaterials auftreffenden Wasserstrahlen gewährleistet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, entsprechend der Arbeitsbreite des Düsenkopfes eine streifenweise Abrasterung des zu behandelnden Multischichtverbundmaterials realisierbar ist oder dass mehrere Düsenköpfe (DK) entsprechend der Breite des zu behandelnden Multischichtverbundmaterials nebeneinander eingebaut sind.