DE19543914C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Feststoffen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Feststoffen. Unter Bear­ beitung soll dabei insbesondere Zerkleinern und Homogenisieren sowie - bei innig miteinander verbundenen, verwachsenen oder vermengten Feststoffen - das mit dem Zerkleinern einherge­ hende Aufschließen/Trennen der Feststoffe in seine Einzelkomponenten verstanden werden.

Verfahren zur Bearbeitung im oben genannten Sinne bzw. Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren sind bekannt und umfassen z. B. verschiedenste Arten von Brechern, Schreddern oder Mühlen, wie Prall-, Kugel-, Schwing- oder Strahlmühlen usw.

Die vorgenannten Verfahren bzw Vorrichtungen weisen jedoch sämtlich den Nachteil auf, daß mit ihnen eine Zerkleinerung nur bis zu einer gewissen Korngröße im Bereich von ungefähr 0,1 mm möglich ist, ohne daß Zeit- und Kostenaufwand zu hoch werden. Sofern feinere Zerkleine­ rungsprodukte erzielt werden sollen, steigen Zeit- und Kostenaufwand stark an. Feinste Zer­ kleinerungsprodukte sind dabei ohnehin nur bei sehr harten und entsprechend spröden Aus­ gangsstoffen erzielbar. Zur Feinstzerkleinerung elastischer Stoffe bei normaler Umgebungstem­ peratur sind die genannten Verfahren ungeeignet.

Bei einer Korngröße von 0,1 mm bilden jedoch die einzelnen Partikel vieler aufzubereitenden Stoffe noch Gemenge oder Agglomerate, die einer gezielten Wiederverwertung im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes nicht zugeführt werden können.

Beispiele für derartige Stoffe sind Stücke bzw. Stäube von Reibbelägen wie Kupplungs- oder Bremsbeläge mit ihren Bestandteilen Metallfasern, Metallstäube, ausgehärtete Polymere und Füllstoffe, weiter Reifen wie z. B. EM Reifen, AS Reifen und Autoreifen mit ihren Bestandteilen Gummi und Nylon® und/oder Stahl der Karkasse, und schließlich die Leichtphase von Schred­ dermüll, wie er z. B. bei der Schredderung ganzer Automobile anfällt und der die Bestandteile Metallreste, Polymere aller Art, Glas, Gummi aller Art etc. enthält.

Zur Aufbereitung elastischer Stoffe wie Reifen werden diese gelegentlich bei tiefen Temperatu­ ren, z. B. in verflüssigter Luft, versprödet und durch Prall- oder Schlagbeanspruchung zerklei­ nert. Derartige Verfahren sind jedoch mit hohen Kosten verbunden.

Da die physikalische Aufbereitung der vorgenannten Stoffe wirtschaftlich kaum vertretbar ist, werden diese heute entweder in aufwendigen, unter Umweltgesichtspunkten zum Teil kritischen chemischen und thermischen Verfahren (Verbrennung, Pyrolyse, Verölung etc.) verwertet, oh­ ne Trennung der wertvollen Komponenten zu minderwertigen Produkten verarbeitet (soge­ nanntes "downcycling") oder als Sondermüll deponiert, wobei der letztgenannten Möglichkeit heute aus Kostengründen meist noch der Vorzug gegeben wird.

Es lag daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzu­ geben, mit dem die vorgenannten Problemstoffe zu wirtschaftlichen Kosten ohne chemische Veränderung in ihre Bestandteile getrennt und einer Wiederverwertung zugeführt werden kön­ nen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 3 gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Kombination der Einwirkung von Ultraschall und von elektri­ schen Schockentladungen bzw. der durch diese hervorgerufenen Stoßwellen auf einen in einem Flüssigkeitsbad befindlichen Feststoff eine Zerkleinerung erzielt wird, die stufenlos bis zu Parti­ kelgrößen unter einem Mikrometer reicht. Dieser Zerkleinerungserfolg, der bei verwachsenen Stoffen auch mit einem entsprechenden Trennerfolg bzw. Aufschluß einhergeht, ist auch bei elastischen Stoffen erzielbar. Die Bestandteile können also, ohne chemisch verändert zu wer­ den, getrennt und dem Wirtschaftskreislauf wieder zugeführt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Ge­ genstand der Ansprüche 2 bzw. 4 und 5.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Flüssigkeitsbad ein Wasserbad ist. Die Verwendung von Wasser hat die Vorteile, daß Wasser preiswert, überall verfügbar, nicht gesundheits- und/oder umweltschädlich und damit leicht handhabbar ist und leicht gereinigt werden kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Behälter zur Aufnahme der Flüssigkeit und des Einsatzgutes, mindestens einem in die Flüssigkeit abstrahlenden Ultra­ schallerzeuger und einem Hochspannungsgenerator, der mindestens ein in die Flüssigkeit ra­ gendes Elektrodenpaar umfaßt.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Behälter einen Einsatz zur Aufnahme des Einsatzgutes umfaßt, der als eine Elektrode dient und an seinem Boden einen Siebbelag aufweist.

Durch diese Ausbildung wird einerseits eine gezielte Einleitung der Schockwellen in das Ein­ satzgut und andererseits bewirkt, daß das bereits ausreichend zerkleinerte Gut durch den Sieb­ belag hindurchtritt, sich am Boden des Behälters ansammelt und nicht wesentlich den Zerkleine­ rungsvorgang des noch nicht ausreichend zerkleinerten Gutes behindert.

Für die Verwendung bei Autoreifen als Einsatzgut ist es bevorzugt, wenn der Behälter torus­ förmig - also an die Form des Autoreifens angepaßt - ausgebildet ist. In diesem Falle sind im Zentrum des Torus eine oder mehrere Elektroden angeordnet, die radial auf am Umfang des Torus verteilte Gegenelektroden gerichtet sind, und es sind ein oder mehrere Ultraschallerzeu­ ger am Umfang des Torus verteilt.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer beispielhaften Ausführungs­ form einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren erläutert, die Folgendes zeigen:

Fig. 1 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein trogförmiger Behälter 1 dargestellt, der vorzugsweise aus Polyethylen gefer­ tigt ist. Der Behälter 1 ist auf Rollen 2 verfahrbar und durch eine hier nicht dargestellte Ein­ richtung, z. B. eine Kippeinrichtung, entleerbar. In den Behälter 1 eingesetzt ist ein ebenfalls trogförmiger kleinerer Einsatz 3, der an seinem Boden einen gegebenenfalls austauschbaren Siebbelag 4 aufweist. Der Einsatz 3 ist, da er als eine Elektrode dient, aus einem elektrisch leitfähigen, korrosionsfestem Material gefertigt, vorzugsweise aus Edelstahl. In dem Einsatz 3 befindet sich das zu zerkleinernde Gut 5 lose geschichtet.

Der Behälter 1 ist soweit mit Wasser 6 befüllt, daß der gesamte Einsatz 3 mit dem Zerkleine­ rungsgut 5 bedeckt ist. Das Wasser dient dabei zur Übertragung der Ultraschall- und elektri­ schen Schockwellen, aber auch zur elektrischen Isolation und Kühlung. Zur Vermeidung von Spritzwasser ist der Behälter 1 mit einem Deckel 7 verschlossen, der ebenfalls aus Polyethylen besteht. Falls der Deckel 7 dicht abschließt, sollte eine Entlüftung 12 vorgesehen sein.

In das Wasser 6 ragen (hier zwei) Ultraschallerzeuger 8, z. B. Immersionskörper, die in Schwin­ gungen von ca. 20 kHz versetzt werden. Die elektrischen Anschlüsse der Ultraschallerzeuger sind hier nicht dargestellt. Bei der Beschallung tritt ein Phänomen der sogenannten Kavitation auf. Hierunter wird das Entstehen und schlag- bzw. implosionsartige Vergehen von Gas- oder Dampfblasen verstanden, das in Flüssigkeiten an Stellen mit Drücken nahe dem Dampfdruck auftritt. Die Blasen können bis zu 0.1 mm groß werden, sind im Regelfall jedoch kleiner. Bei der Implosion dieser Blasen entstehen Temperaturen von ca. 5000°C und Druckstöße bis zu 10 000 bar. Sofern diese Vorgänge an oder in der Nähe von Festkörpern stattfinden, kommt es zu dem als Kavitationserosion bezeichneten mechanischen Angreifen bis zu Abmessungen, die weit unter der Blasengröße liegen können. Sichtbares Zeichen der Kavitation ist dabei die soge­ nannte Sonolumineszenz, das ist eine durch einzelne sehr schwache Lichtblitze verursachte Leuchterscheinung, die beim Zusammenbrechen der Kavitationsblasen entsteht und stark von der Zusammensetzung der in der Flüssigkeit gelösten Gase abhängig ist.

Weiter ragt bis gerade über das Zerkleinerungsgut 5 eine Elektrode 9, z. B. aus Edelstahl oder Graphit. Die Elektrode 9 und der als Gegenelektrode dienende Einsatz 3 sind über elektrische Anschlüsse 10 an einen nicht dargestellten Hochspannungsgenerator angeschlossen. Durch An­ legen einer Hochspannung von z. B. 250 kV an den beiden Elektroden werden Stromstöße von z. B. 6 kA mit einer zeitlichen Länge von z. B. 200 ns erzeugt, und zwar beispielsweise eine Entladung pro Sekunde. Durch diese elektrischen Entladungen werden in dem Wasserbad Stoß- oder Schockwellen erzeugt, die auf das Einsatzgut einwirken.

Durch die Überlagerung der beiden beschriebene Einwirkungen - Ultraschall und Schockwel­ len - werden die Effekte auf das Material derart verstärkt, daß sie über die Summe der Wirkun­ gen weit hinausgehen.

Das gegebenenfalls bis zu einer Korngröße unter einem Mikrometer zerkleinerte Material 11 tritt durch den Siebboden 4 hindurch und sammelt sich am Boden des Behälters 1 an. Nach Abschluß des Vorgangs werden der Einsatz 3, die Ultraschallerzeuger 8 und die Elektrode 9 aus dem Behälter 1 nach oben entfernt, das zerkleinerte Gut 11 aus dem Behälter 1 ausgebracht und gegebenenfalls einer nachgeschalteten Behandlung zugeführt.

Die genannten Parameter wie Abmessungen des Behälters 1, Menge des Einsatzgutes 5, Zahl, Anordnung, Leistungsfähigkeit und Betriebsfrequenz der Ultraschallerzeuger 8, Zahl, Anord­ nung, Leistungsfähigkeit und Zahl der Entladungen pro Sekunde der Elektroden 9 etc. können in weiten Bereichen variiert und an die Art des Einsatzgutes, die gewünschte Anlagengröße etc. angepaßt werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

So ist es z. B. möglich, für den Anwendungsfall der Zerkleinerung von Autoreifen, die Be­ hälterform und Anordnung der sonstigen Bauteile wie in Fig. 2 gezeigt an die Form des Ein­ satzgutes anzupassen.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Behälter 1′ torusförmig ausgebildet. Das Einsatzgut 5′ - der Reifen - wird in den Behälter 1′ eingelegt. Im Zentrum des Torus befinden sich eine oder mehrere Elektroden 9′, die radial durch den Reifen hindurch auf eine oder mehrere Gegenelek­ troden 4′ gerichtet sind, die ebenso wie die Ultraschallerzeuger 8′ am Umfang des Torus verteilt sind.

Durch eine entsprechende Wahl der Parameter ist es möglich, den Gummi des Reifens soweit zu zerkleinern, daß sich dieses am Boden des Behälters 1′ sammelt und nur noch der Nylon­ cordfäden- bzw. Stahlkarkassenanteil übrigbleibt.

Das vorstehend anhand von beispielhaften Ausführungsformen einer Vorrichtung beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. bei den nachstehend aufgeführten Anwendungsbeispie­ len/Problemstoffen mit Erfolg angewendet werden.

Anwendungsbeispiel 1, Automobilverschrottung

Bei der Verschrottung von Automobilen fallen sogenannte Schreddermülle an, deren Leicht­ fraktion neben geringen Mengen Restmetalls, die bei der Metallverwertung durch das Raster gefallen sind, auch Metallverbindungen (z. B. Rost), Glasreste, Lackreste, Staub, Schmutz, Gummi, Polymere aller Art etc. enthält. Diese Leichtfraktion macht derzeit jährlich ca. 300 000 bis 400 000 Tonnen aus, die mangels anderer Verwertbarkeit und mangels entsprechend lei­ stungsfähiger Geräte zur Kompaktierung lose oder in Säcken verpackt als Sondermüll depo­ niert werden müssen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein loses Gemenge der (durch Aufschluß voneinander getrennten) Bestandteile mit vergleichmäßigter Korngröße zu erhalten, die entwe­ der durch die bekannten Verfahren der Sortierung wie Dichtesortierung (Schwimm-Sink-Sor­ tierung, Sortierzyklon, Setzen, Herdsortierung), Magnetsortierung, Elektrosortierung, Flotation etc. getrennt und verwertet oder mit Staubpressen zu Preßkörpern gewünschter Abmessungen und (unter Verwendung von Zuschlagsmitteln) gewünschter Eigenschaften verarbeitet werden können.

Anwendungsbeispiel 2, Altreifen

Reifen sind im Regelfall schon dann nicht mehr verwendbar, wenn gerade 10% ihres Gewichts - die Lauffläche - verbraucht ist. Die Runderneuerung hat angesichts niedriger Neupreise keine ausreichende Akzeptanz in der Verbraucherschaft gefunden.

Aus diesem Grunde fallen in der Bundesrepublik Deutschland jährlich ca. 500 000 t Altreifen an.

Da sich Reifen mechanisch bei Normaltemperatur durch Schreddern nur bis zu einer gewissen Stückgröße zerkleinern lassen und da sich der Gummi nicht von den innenliegenden Nylon­ cordfäden bzw. dem Stahl der Karkasse trennen läßt, wird die überwiegende Menge der Alt­ reifen meist in der Zementindustrie in Drehrohröfen verfeuert, anstatt die mit hohem Aufwand hergestellten Ausgangsmaterialien wiederzuverwerten. Dies ist nicht nur ökonomisch wenig sinnvoll sondern auch unter Umweltgesichtspunkten bedenklich.

Wie eingangs erwähnt, ist zwar eine Trennung der Einzelbestandteile durch Zerkleinerung der zuvor tiefgekühlten Reifen möglich, wegen der erheblichen Energiekosten aber nicht wettbe­ werbsfähig.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hingegen der Gummi des Autoreifens angegriffen und "zerbröselt", wobei Nylon und Stahl freigelegt wird. Mit dem selektiven Zerkleinern des Gummianteils des Reifens wird also neben dem Aufschluß unmittelbar auch eine Tren­ nung/Sortierung von dem Restmaterial bewirkt.

Anwendungsbeispiel 3, Reibbeläge

Bei der Herstellung von Reibbelägen wie Kupplungs- oder Bremsbelägen fallen neben Produk­ tionsausschuß Stäube an, deren Polymeranteil hochvernetzt bzw. ausgehärtet ist, was eine Rückführung in den jeweiligen Formgebungsprozeß verbietet.

Der Polymeranteil läßt sich also nur durch Verbrennung oder Pyrolyse zur Wärmegewinnung nutzen bzw. zur Verölung verwenden, worauf aber wegen der hohen Kosten derzeit noch zu­ gunsten einer preiswerteren Deponierung als Sondermüll verzichtet wird. Die sofortige Depo­ nierung hat weiter den Vorteil, daß das Problem der Entsorgung der durch Hitzeeinwirkung veränderten Füllstoffe entfällt, die neben den üblich Metallen Blei, Kupfer, Eisen, Messing, Bronze usw. enthalten sind, die ebenfalls nicht ausgesondert werden können.

Allein bei den Stäuben dieser Industrie fallen in der Bundesrepublik Deutschland jährlich ca. 10 000 t an, wozu noch die Ausschußproduktion sowie die zurückgenommenen verbrauchten Beläge kommen.

Durch konventionelle Methoden wie Schreddern und/oder Mahlen werden bei vertretbarem Aufwand lediglich Korngrößen von ungefähr 0.1 mm erreicht. Bei dieser Korngröße bilden die einzelnen Partikel aber noch Gemenge von Füllstoffen, Metallen und ausgehärteten Polymeren, gewöhnlich Phenol- oder Melaninharzen.

Auch diese Reibbeläge können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zerkleinert und aufge­ schlossen werden, wobei stufenlos eine Partikelfeinheit unter einem Mikrometer erreichbar ist, also bis zu einer Trennung der Gemenge in die jeweiligen Bestandteile, die sodann einer ent­ sprechenden Sortierung und Verwertung zugeführt werden können.

Zur Verdeutlichung der Größenordnung der bei einer solchen Vorrichtung verwendeten Bau­ teile und der Leistungsfähigkeit des Verfahrens soll der nachstehend beschriebene Versuch im Labormaßstab dienen.

Bremsbelagausschußmaterial wird in einer Menge von 5 kg in einen zylindrischen Polyethy­ len(PE)-Behälter gegeben, der nach unten mit einem austauschbaren Sieb versehen ist, das der Klassierung, also der Stofftrennung nach der Korngröße, dient.

Unter diesem Behälter befindet sich ein im Durchmesser größerer, flacher Behälter aus korrosi­ onsfestem Metall wie z. B. Edelstahl. Dieser dient einerseits als Auffanggefäß für den Sieb­ durchgang und andererseits als eine Elektrode der elektrischen Anordnung. Die andere Elek­ trode ist bis auf die letzten zwei Zentimeter mit Polyethylen isoliert und befindet sich gerade über dem eingebrachten Zerkleinerungsgut.

Die gesamte Anlage befindet sich in einem Wasserbad, beispielsweise einem PE-Behälter ange­ messener Größe, hier ca. 100 Liter Inhalt.

In das Wasser ragt ein Ultraschallerzeuger mit einer Ausgangsleistung von 1000 Watt, von dem Ultraschall (20 kHz) erzeugt und in das mit dem Zerkleinerungsgut befüllten Behälter abgestrahlt wird.

Während dieses Abstrahlens werden durch Anlegen einer Spannung von 250 kV an den beiden Elektroden Stromstöße von 6 kA mit einer zeitlichen Länge von 200 ns erzeugt, und zwar eine Entladung pro Sekunde.

Nach ca. 150 Sekunden ist eine Korngröße von ca. 1 µm erreicht.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bearbeitung von Feststoffen, bei dem die Feststoffe (5) in einem Flüssigkeits­ bad (6) einer gleichzeitigen Einwirkung von elektrischer Schockentladung und Ultraschall ausgesetzt und dadurch zerkleinert, homogenisiert und/oder getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das Flüssigkeitsbad (6) ein Wasserbad (6) ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus:

• - einem Behälter (1) zur Aufnahme der Flüssigkeit (6) und des Einsatzgutes (5);
• - mindestens einem in die Flüssigkeit (6) abstrahlenden Ultraschallerzeuger (8); und
• - einem Hochspannungsgenerator, der mindestens ein in die Flüssigkeit ragendes Elek­ trodenpaar (3, 9) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) einen Einsatz (3) zur Aufnahme des Einsatzgutes (5) umfaßt, der als eine Elektrode (3) dient und an sei­ nem Boden einen Siebbelag (4) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Behälter (1′) torusförmig ausgebildet ist;
• - daß im Zentrum des Torus eine oder mehrere Elektroden (9′) angeordnet sind, die radial auf eine oder mehrere am Umfang des Torus verteilte Gegenelektroden (4′) gerichtet sind; und
• - daß Ultraschallerzeuger (8′) am Umfang des Torus verteilt sind.