DE19543134A1 - Verfahren und Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Wertstoffen - insbesondere von Kunststoffverpackungen - in Form dezentral aufstellbarer sensorbetriebener intelligenter Container - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Wertstoffen - insbesondere von Kunststoffverpackungen - in Form dezentral aufstellbarer sensorbetriebener intelligenter Container

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feststel­ lung der chemischen Zusammensetzung (Materialtyp) von wied­ erverwendbaren Wertstoffen im Rahmen einer dezentralen Er­ fassung und Sortierung gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Wertstoffe wie gebrauchte Verpackungsmaterialien aus Pa­ pier, Glas, Plastik, Holz, Metall, aber auch Textilien, Teppiche, Spielzeug müssen heutzutage aus Umweltgründen und aus wirtschaftlichem Interesse heraus in den Wirt­ schaftskreislauf zurückgebracht werden. Dadurch werden natürliche Ressourcen wie Erdöl, Kohle und Gas geschont. Auf Grund der zunehmenden Bevölkerungsdichte und ständig wachsender Luftverschmutzungsprobleme scheiden die Ver­ brennung und Deponierung von Müll immer mehr aus. Luft, Wasser, Grund und Boden sind zu wertvolle Wirtschaftsgüter geworden, um sie mit Abfall zu belasten.
In der BRD fallen jährlich ca. 500 kg Abfall pro Einwohner im privaten Bereich an. Diese Abfallmenge [1] besteht aus 375 kg Hausmüll, Sperrmüll, hausmüllähnlichen Gewerbeab­ fällen und aus 125 kg Parkabfällen, Marktabfällen, Straßenkehricht und Schlagabraum. Die 375 kg Haushaltsab­ fälle teilen sich entsprechend obigem Diagramm in ver­ schiedene Fraktionen auf.
Seit dem 12. Juni 1991 müssen Verpackungen laut Ver­ packungsverordnung entweder vom Handel zurückgenommen wer­ den oder vom Dualen System Deutschland eingesammelt werden. Durch diese Sammlung will man erreichen, daß die Verpackun­ gen einer stofflichen oder energetischen Wiederverwertung zugeführt werden. Wie der Fig. 1 [1] zu entnehmen ist, hat die DSD-Leichtfraktion einen Anteil von ca. 7% am Gesamtab­ fallaufkommen.
Diese Leichtfraktion besteht zu einem großen Anteil aus Kunststoffabfällen, deren Wiederverwendungsmöglichkeiten in der Fig. 2 dargestellt sind:
Als "edelster" Weg mit der potentiell besten Ökobilanz gilt das werkstoffliche Recycling, bei dem das Polymermaterial erhalten bleibt und zu neuen Formen gegossen ein "zweites Leben" bekommt. Das größte Problem hierbei besteht aller­ dings darin, daß die fünf im Verpackungsbereich hauptsäch­ lich benutzten Polymersorten chemisch nicht kompatibel sind, d. h., daß aus ihnen hergestellte Mischmaterialien nur vergleichsweise sehr geringe mechanische Belastbarkeit auf­ weisen. Hierdurch wird der Einsatz solcher Mischrecyclate auf relativ dickwandige und wenig beanspruchte Gegenstände wie z. B. Parkbänke, Mülltonnen oder Lärmschutzwälle beschränkt. Um breite Einsetzbarkeit, wenn möglich in der Originalanwendung, zu erreichen, muß das recyclierte Mate­ rial sortenrein [2] vorliegen.
Auch für andere Wertstoffe stellt sich immer mehr heraus, daß sie umso wirtschaftlicher und technologisch einfacher wiederzuverwenden sind, je sortenreiner und sauberer sie vorliegen. Dieser Zusammenhang erzwingt einen Trennschritt im zurückfließenden Stoffstrom, der sich im Prinzip dezen­ tral beim Verbraucher, im Handel, oder auf Recyclinghöfen in Form einer Getrenntsammlung, oder aber zentral in Großanlagen durchführen läßt.
Stand der Technik
Die im DSD-System z.Z. eingesetzten Großanlagen basieren hauptsächlich auf Handsortierung, bei der eine Polymer­ sortentrennung gar nicht durchgeführt werden kann. Einige Verarbeiter dieser händisch gewonnenen Gesamtplastikfrak­ tion zerkleinern das Material und trennen es nach Polymer­ sorten anhand verschiedener physikalischer Parameter. Diese Verfahren [2] sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:
Aufgrund der ähnlichen bzw. annähernd gleichen physi­ kalischen Eigenschaften der meisten Polymere erreichen diese Verfahren auch nur sehr beschränkte Sortierreinheit. Als relativ neues Verfahren in der Kunststoffsortierung be­ findet sich die Infrarotspektroskopie zur Zeit in der Entwicklung [3] und steht kurz vor der Markteinführung. Hierbei wird die chemische Natur des Polymermaterials an­ hand seiner charakteristischen Absorption von Infrarotlicht erkannt. Ausschnitte aus dem Nahinfrarotspektrum [4] der fünf im Verpackungsbereich hauptsächlich benutzten Polymere Polystyrol (PS), Polyethylenterephthalat (Polyester-PET), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) sind in Fig. 3 gezeigt und lassen deren Unterschiede erkennen.
In der technischen Durchführung des Verfahrens [4] wird der zu identifizierende Kunststoff von einer Breitband­ lichtquelle (Halogenlampe) oder mehreren schmalbandigen Leuchtdioden bestrahlt. Eine geeignete Sammeloptik sammelt transmittiertes und reflektiertes Licht ein und führt es einem geeigneten Spektrometer zu. Ein nachgeschalteter Rechner vergleicht die aufgenommenen Spektren mit den Refe­ renzspektren der verschiedenen Kunststoffe und erkennt so, um welches Material es sich handelt. Für diesen Vergleich der typischen Spektralmuster haben sich künstliche neuro­ nale Netze mittlerweile sehr bewährt [5].
Bei geeigneter Wahl der Beleuchtungsgeometrie und der Be­ obachtungswellenlängen lassen sich die Einflüsse von Auf­ klebern und Verschmutzungen auf die Erkennung des Basisma­ terials soweit minimieren, daß eine zuverlässige Sorten­ trennung erreicht werden kann [4, 5].
Mängel des Standes der Technik
Es stellt sich immer mehr heraus, daß die zentrale Erfas­ sung von gemischtem Abfall zu hohen Transportkosten und zusätzlichem Straßenverkehr führt. Desweiteren wird den Wertstoffen durch Mischen beim Verbraucher leider oft ein negativer psychologischer Wert verliehen und sie werden un­ nötig verschmutzt. Ein anschließender hoher Sortier- und Reinigungsaufwand in zentralen Sortierfabriken, verbunden mit Personal-, Energie- und Investitionskosten, läßt den Wert des Abfalles weiter sinken. Als weiteren Nachteil fördert eine zentralisierte Entsorgung den kritiklosen Kon­ sum von Verpackungsmaterial, da "ja eh alles im gelben Sack verschwindet".
Die oben genannten physikalischen Trennverfahren benötigen zerkleinertes und gereinigtes Eingangsmaterial und sind da­ her für einen dezentralen Einsatz ungeeignet. Auch die In­ frarot-Erkennungstechnologie wird bisher nur im großtech­ nischen Maßstab wirtschaftlich eingesetzt, da sie bislang mit Laborspektrometersystemen arbeitet, die zwischen 50 000,- und 100 000,- DM kosten.
Dieses Fehlen preiswerter Identifikationsverfahren in Ver­ bindung mit mangelhaften Kennzeichnungen des Materials und zu großer Kompliziertheit für den Verbraucher führt derzeitig zu mangelhaften Sortierergebnissen im dezentralen Sortierbetrieb, der daher z.Z. nur in wenigen Gemeinden eingeführt ist.
Erfindungsgedanken
In den Zeichnungen, anhand derer die Erfindung weiter er­ läutert wird, zeigen:
Fig. 4: einen Längsschnitt durch die Sensoreinheit,
Fig. 5: einen Querschnitt durch die Sensoreinheit.
  • 1. Das vorliegende Verfahren dagegen geht von einer dezentralen, sensorgesteuerten Vorsortierung aus.
    Dazu dienen in der Nähe von Märkten, Kaufhallen, Plätzen und Wohngebieten aufgestellte Containerbatterien, die aus einer zentralen Sensoreinheit und einem Container pro gewünschter Materialfraktion bestehen. Die Anzahl der Con­ tainer je Batterie kann einfach an die jeweils gewünschte Zahl von Materialfraktionen angepaßt werden. Dies richtet sich nach den dort anfallenden und profitabel verwertbaren Abfallfraktionen.
  • 2. Das gemeinsame optische Sensorsystem einer solchen Batterie befindet sich im Rücken einer mechanisch stabilen Platte (1) hinter einer gut gekennzeichneten Öffnung (1b). Ein Bürger oder Kunde, der seine Wertstoffe (5) nun in die Batterie fraktionsgerecht und umweltbewußt entsorgen will, hält seine Flaschen, Verpackungsmaterialien, Papier und Fo­ lien einzeln und nacheinander in die Sensoröffnung. Damit wird der Sensor aktiviert und ein optisches Spektrum der Probe gemessen. Durch geeignetes Design des Sensorsystems lassen sich insbesondere die charakteristischen spektralen "Fingerabdrücke" von Kunststoffen, Papier, Glas, Karton, Fo­ lien, Textilien, Teppichen, Gardinen und Holz gewinnen. In einer elektronischen Auswerteeinheit, vorzugsweise einem Mikrocomputer, erfolgt dann die Identifikation des Materi­ als durch chemometrische Verfahren zur Mustererkennung und multivariaten Kalibration.
  • 3. Das Sensorsystem nutzt die Anregbarkeit von Molekular­ schwingungen aus und arbeitet im Wellenlängenbereich zwi­ schen 0,5 µm und 25 µm, bevorzugt zwischen 0,7 µm und 2,5 µm (nahes Infrarot). Es besteht generell aus einer Licht­ quelleneinheit (2), einer Optik, die eine optimale Wechsel­ wirkung dieses Lichts mit der Probe ermöglicht, einem op­ toelektronischen Wandler (3) (Photodiode, Photowiderstand oder Wärmewandler), und einer Vorrichtung zur Wellenlängen­ selektion. Die Wechselwirkungsgeometrie muß die Erfassung sowohl von transmittiertem, wie auch reflektiertem Licht (6) erlauben, was vorzugsweise realisiert wird, indem die Sendeeinheit in die gleiche Richtung "schaut" wie der Emp­ fänger, und hinter der Probe ein alle Wellenlängen gleich stark reflektierender Körper (4) angebracht ist.
    Da in der hier diskutierten Form der Anwendung die Meßzeit großzügig, d. h. bis zu einer Sekunde Dauer gestaltet werden kann, sind verschiedene vergleichsweise unempfindliche, aber preisgünstige spektroskopische Systeme entwickelbar. Die in den Ansprüchen 4-6 beschriebenen sind hierfür bevor­ zugt geeignet.
  • 4. Das Identifikationsergebnis kann im einfachsten Fall dem Benutzer optisch oder akustisch angezeigt werden. Ein­ facher zu bedienen ist allerdings ein teilautomatisiertes System folgender Funktionsweise:
    Alle Container einer Batterie besitzen mechanisch bedien­ bare Verschlüsse ihrer Einfüllöffnungen, die gemeinsam vom Sensorsystem gesteuert werden. Nach erfolgter Identifika­ tion wird der richtige Container sichtbar, hörbar und fühl­ bar zeitweilig entriegelt. Der Kunde kann die so identi­ fizierte Wertstoffprobe nun einwerfen. Danach verriegelt dieser Container sich wieder. Abfall, der nicht als Wertstoff identifiziert werden konnte, kann im Restmüllcon­ tainer gelassen werden, der ebenfalls vom Sensorsystem bei Bedarf entriegelt und geöffnet wird.
  • 5. Zur Minimierung des Energieverbrauchs der Anlage kann das Sensorsystem in einer energiesparenden "Stand-By"-Po­ sition "auf Kundschaft warten" und erst bei Annäherung eines Gegenstandes aktiviert werden.
  • 6. Wichtiger Teil der dezentralen Vorsortierung ist zur Erhöhung der Mobilität und Senkung von Betriebskosten die Möglichkeit der Unabhängigkeit von einer zentralen Ener­ gieversorgung. Teil der Erfindung ist daher ein Solarzel­ lengenerator (plus aufladbarem Kleinakku als Energiepuffer) zum Betrieb des Sensorsystems. Ähnlich einer solarbetrie­ benen Parkplatzuhr kommt das Detektor-und Entriegelungssys­ tem mit einer kleinen Solarzellenfläche aus. Natürlich ist auch ein Betrieb mit elektrischem Netzanschluß jederzeit möglich.
  • 7. Der Füllstand der Container kann durch eine gegebenen­ falls ebenfalls optische, oder anders geartete Füllstand­ sanzeige erfaßt werden. Über Funk lassen sich dadurch volle Container im Stadtgebiet ermitteln, was eine flexiblere und kostengüstigere Planung von Transportrouten erlaubt.
  • 8. Die Vorrichtung wird so ausgelegt, daß Standardabfall­ container, wie sie heute schon in vielen Orten zu finden sind, eingesetzt werden können.
  • 9. Die Entleerung der Container kann mit Leertransporten des Handels kombiniert werden.
Durch die Erfindung erzielte, sich gesellschaftlich auswirkende Vorteile
Mit dem vorliegenden Verfahren wird der Verbraucher beim Abfallsortieren erstmals von subjektiven Entscheidungen be­ freit. Nicht mehr offensichtliche und augenscheinliche Ma­ terialeigenschaften wie Farbe, Transparenz oder Oberfläch­ enbeschaffenheit werden als Sortierkriterien eingesetzt, sondern die wirkliche chemische Zusammensetzung, vermittelt über den objektiven spektralen Fingerabdruck. Insbesondere Kinder und ältere Menschen werden so beim Abfall sortieren unterstützt.
Die Verantwortlichkeit des Verbrauchers für Müllvermeidung und Müllsortierung wird unterstützt, weil der Verbraucher seinen Abfall in seinem Wohnumfeld selber entsorgt. Der gedankenlosen Wegwerfmentalität wird durch die vorliegenden Erfindung viel stärker begegnet als bei der zentralen Er­ fassung von gemischtem Abfall.
Der Bau großer zentraler Zwischenlager und Sortierfabriken mit all ihren gesundheitlichen und Umweltrisiken wird durch die vorliegende Erfindung vermieden, da die Wiederverwer­ tungsfirmen die reinen Wertstofffraktionen aus den jeweili­ gen Containern direkt abholen können. Das bei der zentralen Sortierung unlösbare Problem ineinandergesteckter Ver­ packungen verschiedenen Materials wird völlig vermieden.
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5. D. Wienke, W. van den Broek, R. Feldhoff, Th. Kantimm, Th. Huth-Fehre, L. Quick, W. Melssen, L. Buydens, K. Cammann - An Adaptive Resonance Theory Based Artificial Neural Network (Art-2a) for Rapid Sorting of Post Con­ sumer Plastics by Remote Optical NIR Sensing with an In-GaAs Diode Array Detector, Anal. Chim. Acta, im Druck.

Claims (13)

1. Verfahren zur dezentralen sortenreinen Erfassung von Wertstoffen mittels eines Mehrkammer-Containersystems, dadurch gekennzeichnet, daß das System mindestens eine Sensoreinheit enthält, die mittels Transmissions- und/oder Reflexionsinfrarotspektroskopie die Polymer­ sorte von Kunststoffgegenständen oder Textilien ermit­ telt, und darauf dem Benutzer die zu wählende Kammer signalmäßig mitteilt, oder diese automatisch mechanisch freigibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die spektralanalytische Messung ein Wellenlängenbereich zwischen 700 nm und 25 µm vorgegeben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung spektraler Kenngrößen, bestehend aus einem hinter einer stabilen Wand (1) befindlichen Hohl­ raum, in den die zu vermessenden Körper (5) durch eine Öffnung (1b) eingeführt werden können, wo sie von einer Beleuchtungseinheit (2) be- und durchstrahlt werden, und das von ihnen reflektierte, sowie das durch sie hindurchgetretene und von einem dahinterliegenden, alle Wellenlängen möglichst gleichmäßig streuenden Reflektor (4), der vorzugsweise aus aufgerauhtem Edelstahl oder Aluminium besteht, zurückgeworfene Licht (6) von einer Detektoreinheit (3) registriert wird, aus deren Sig­ nalen eine elektronische Auswerteeinheit, vorzugsweise in Form eines Mikrocomputers realisiert, das Erken­ nungssignal erzeugt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensoreinheit eine Gruppe von schmalbandigen Lasern oder Leuchtdioden die Probe zeitlich alternierend beleuchtet und das rück­ gestreute und/oder transmittierte Licht von mindestens einem Detektor nachgewiesen wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensoreinheit das Licht einer Breitbandlichtquelle vor oder nach der Wechselwirkung mit der Probe durch ein durchstimmbares Filter, bevorzugt ein Acoustooptical tunable filter oder ein liquid crystal tunable filter (AOTF oder LCTF) wellenlängengefiltert und von mindestens einem Detektor nachgewiesen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensoreinheit das Licht einer Breitbandlichtquelle nach der Wechsel­ wirkung mit der Probe durch ein dipersives Element wie z. B. ein optisches Gitter oder ein Prisma, oder durch eine Gruppe von Filtern spektral aufgespalten und durch eine Gruppe von Detektoren (vorteilhafterweise als Zeilendetektor ausgebildet) simultan nachgewiesen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralanalytische Messung im Wellenlängenbereich zwischen 800 und 1100 nm durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralanalytische Messung im Wellenlängenbereich zwischen 900 und 2500 nm durchgeführt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entsorgungsbranche übliche Standardabfallcontainer eingesetzt werden kön­ nen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung des Ener­ gieverbrauchs das Sensorsystem erst bei Annäherung eines Gegenstandes aktiviert wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solarzellengenerator mit aufladbarem Kleinakku als Energieversorgungsanlage des Sensorsystems eingesetzt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstand der Container durch eine gegebenenfalls ebenfalls optische, oder an­ ders geartete Füllstandsanzeige erfaßt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Füllstände über Funk abgefragt werden können.
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