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Verfahren zur elektrostatischen Trennung
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von Kunststoffgemengen
Gemenge von Stoffen können
bekanntlich in Elektroscheidern in ihre Komponenten zerlegt werden. Hierzu werden
die Gemengeteilchen im Ionenstrom einer Koronaentladung durch Polarisation im elektrischen
Feld oder durch gegenseitige Berührung aufgeladen. Die letzterwähnte, durch gegenseitige
Berührung der Gemengeteilchen bewirkte triboelektrische Aufladung kann durch lebhafte
Bewegung der Gemengeteilchen gegeneinander hervorgerufen werden. Entsprechend ihren
spezifischen elektrischen Eigenschaften nehmen hierbei die einzelnen Komponenten
des Gemenges gegensinnige elektrische Ladungen an, aufgrund derer die Gemengeteilchen
in einem elektrischen Feld unterschiedlich beeinflußt, d.h. abgelenkt werden. Die
hierzu notwendigen elektrischen Felder können in bekannten Walzen- oder Jalousiescheidern
erzeugt werden, die jedoch nur für einen geringen Materialdurchsatz, vorzugsweise
von Gemengen mit elektrisch leitfähigen Komponenten, geeignet sind. Wesentlich höhere
Materialdurchsätze erlauben die elektrostatischen Freifallscheider, in denen vorzugsweise
auch Gemenge getrennt werden können, deren Komponente nur eine geringe oder keine
elektrische Leitfähigkeit aufweisen, aber triboelektrisch aufladbar sind.
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Die DE-AS 19 07 880 beschreibt einen mehrteiligen Scheider, in dem
untereinander eine Einrichtung zur Erzeugung eines stationären elektrischen Feldes
einer Gleichstrom-Koronaentladung, ein Prallelement, dessen Rundstäbe geerdet sind,
und ein elektrostatischer Freifallscheider angeordnet sind. Die Körner des aufgegebenen
Gemenges durchfallen zunächst das elektrische Feld der Koronaentladung, in dem sie
eine maximale gleichsinnige elektrische Ladung aufnehmen und fallen dann weiter
auf die geerdeten Prallelemente, auf denen sich die Körner des Gemisches differenziert
entladen, so daß auf den Körnern
der einzelnen Gemengekomponenten
entsprechend der Oberflächenleitfähigkeit der jeweiligen Komponenten unterschiedliche
Ladungen gleichen Vorzeichens verbleiben.
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Durch die unterschiedliche Stärke dieser Ladung werden die Teilchen
der einzelnen Komponenten im elektrischen Feld des Freifallscheiders unterschiedlich
abgelenkt und können getrennt gesammelt werden. Nach diesem Verfahren sollen auch
chemische Produkte trennbar sein.
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Dieses Verfahren wie auch andere bekannte Verfahren, nach denen die
Teilchen der zu trennenden Gemenge zunächst in dem Feld einer Koronaentladung aufgeladen
werden müssen, sind ohne zusätzlichen technischen Aufwand nur für Gemenge einsetzbar,
deren Komponente signifikant unterschiedliche Oberflächenleitfähigkeiten haben.
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In einer Veröffentlichung von Bahr u.a. in "Industrieanzeiger" 99
(1977) Seiten 2021-2025, wird zur Anwendung elektrischer Trennverfahren auf Kunststoffgemenge
gelehrt, daß diese Trennverfahren hierfür nicht geeignet sind, -da die elektrischen
Eigenschaften der Kunststoffe nur wenig unterschiedlich sind. So unterscheiden sich
die Oberflächenwiderstände der gängigen Kunststoff sorten nur um fünf Größenordnungen.
Um brauchbare Trennergebnisse im Wege der elektrostatischen Trennung zu erreichen,
müssen sich die Oberflächenwiderstände der einzelnen Komponenten eines Trenngutgemenges
jedoch mindestens um 10, besser noch um 15,Größenordnungen unterscheiden.
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Wenn auch bei anderen Materialien die Veränderung dieser Widerstandswerte
durch selektive Anlagerung von Antistatika bewirkt werden kann, so kann hieraus
kein Nutzen für die elektrostatische Trennung von Kunststoffen gezogen werden, da
eine ausreichende selektive Anlagerung von Antistatika an eine Komponente eines
Kunststoffgemenges bisher nicht erreicht werden konnte.
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Weiter wird festgestellt, daß sich lediglich Papier-Kunststoffgemenge
oder Schaumstoff-Kunststoffgranulat mischungen elektrostatisch trennen lassen. Diese
Ausführungen beziehen sich jedoch nur auf die Verwendung von Elektrowalzenscheidern
als Trenneinrichtung.
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Schildknecht u. a. berichten in "Nachrichten aus Chemie und Technik"
11 (1963) Seite 104, daß die elektrostatische Trennung von Zweistoff systemen organischer
Substanzen, wie beispielsweise Azobenzol/Stilben, Azulen/Naphthalin, Triphenylcarbinol/Malachitgrün
und dgl., möglich ist, wenn die Komponenten-triboelektrisch aufladbar sind. Das
zu trennende Gemenge wird nach intensivem Verreiben mittels Druckluft in ein Hochspannungsfeld
geblasen, wobei sich die Komponenten entsprechend ihrer gegensinnigen Ladung auf
den Elektroden getrennt niederschlagen. Dieses Verfahren, das mit Substanzmengen
von 50 mg betrieben wird, ist für eine Trennung im technischen Maßstab nicht geeignet.
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Es verbleibt aus diesem Stand der Technik demnach die Aufgabe, großtechnisch
einfach durchführbare Möglichkeiten zur elektrostatischen Trennung von Gemengen
chemisch unterschiedlich aufgebauter Kunststoffe zu finden.
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Es wurde ein Verfahren zur elektrostatischen Trennung von Kunststoffgemengen
gefunden. Danach wird das auf eine möglichst einheitliche Teilchengröße von 3 bis
7 mm gebrachte Kunststoffgemenge triboelektrisch aufgeladen und in einen Freifallscheider,
zwischen dessen Elektroden ein elektrostatisches Feld von 3 bis 5 kV/cm aufrechterhalten
wird, eingeführt, aus dem die Komponenten-Konzentrate und ein Mittelgut abgezogen
werden.
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Als Ausgangsmaterial für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung
können Gemenge aus Kunststoffen unterschiedlichen chemischen Aufbaus eingesetzt
werden1 die zu Granulat oder Schnitzeln einer Teilchengröße von 3 bis 7 mm Durchmesser
zerteilt sind. Besonders bewährt hat sich das Verfahren der Erfindung zur Trennung
von Gemengen aus Polyäthylen und Polyvinylchlorid oder Polystyrol oder Polyacrylat
sowie zur Trennung von Gemengen aus Polyvinylchlorid und Polystyrol. Überraschenderweise
wurde festgestellt, daß sich die Teilchen dieser Gemenge ohne jede Konditionierung
durch lebhafte Bewegung, beispielsweise in einem Fließ- oder Vibrationsbett, die
einen häufigen Stoßkontakt der Teilchen sicherstellt, triboelektrisch gegeneinander
aufladen lassen.
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Nach den bisherigen Feststellungen wird Polyvinylchlorid als Gemengekomponente
stets negativ aufgeladen, während Polystyrol und Polyacrylat immer positiv aufgeladen
werden. Polyäthylen lädt sich gegenüber Polyvinylchlorid positiv und gegenüber Polystyrol
bzw. Polyacrylat negativ auf.
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Für die triboelektrische Aufladung der Teilchen des zu trennenden
Kunststoffgemenges kann es vorteilhaft sein, wenn das Gemenge dabei auf einer Temperatur
von 30 bis 600C gehalten wird. Die Einbeziehung dieser Maßnahme in den Ablauf des
Verfahrens der Erfindung empfiehlt sich immer dann, wenn die relative Feuchtigkeit
der Umgebungsluft über 30% liegt.
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Das zu trennende Gemenge, vorzugsweise aus zwei oder drei Komponenten,
wird nach der triboelektrischen Aufladung der Aufgabevorrichtung eines elektrostatischen
Freifallscheiders zugeführt, die das Gemenge in den Fallschacht dieses Scheiders
einfließen läßt.
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Zwischen den Elektroden des Scheiders wird ein elektrisches Feld von
etwa 3 bis 4 kV/cm aufrechterhalten, das quer zur Fallrichtung der Gemengeteilchen
gerichtet ist. Im Verlauf des Falls der Gemengeteilchen durch das elektrische Feld
des Freifallscheiders werden die Teilchen des Gemenges entsprechend ihrer Aufladung
zur positiven bzw. negativen Elektrode des Scheiders hin abgelenkt. Wenn Gemenge
von Folienteilchen nach dem Verfahren der Erfindung getrennt werden sollen, ist
es vorteilhaft, die Feldstärke des elektrischen Feldes im Scheider mehr an der unteren
Grenze des vorstehend angegebenen Bereiches zu halten, da bei größeren Feldstärken
die aufgeladenen Gemengeteilchen bereits sehr stark auseinandergezogen werden und
sich auf die Elektroden hin bewegen. Eine größere Zahl von Teilchen erreicht die
Oberflächen der Elektroden sogar und bleibt an deren Oberflächen kurzzeitig haften,
springt dann wieder davon ab und wird dann mehr oder weniger stark zur Gegenelektrode
hin beschleunigt. Diese Teilchen gelangen dann ins Mittelgut oder sogar in das in
Nähe der Gegenelektrode aus dem Scheider abgezogene Konzentrat des anderen Gemengebestandteils
und verschlechtern so das Trennergebnis.
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Weiter kann es vorteilhaft sein, bei der Trennung von Gemengen aus
Schnitzeln von Kunststoffolien die Elektroden vom Fallschacht des Elektroscheiders
durch eine Isolierstoffschicht zu trennen. Hierfür haben sich Glasplatten besonders
bewährt, die die Elektroden zum Fallschacht hin abdecken. Die Isolierstoffabdeckung
kann dabei direkt auf der Oberfläche der Elektroden aufliegen.
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Für die Auftrennung von Gemengen aus kompakten Kunststoffteilchen,
die hierin als Granulat bezeichnet sind, können die Feldstärken im oberen Teil des
beanspruchten Bereichs eingestellt werden. Weiter kann auf eine Abdeckung der Elektrodenoberflächen
mit einer Isolierstoffschicht verzichtet werden.
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Zur Erzielung optimaler Trennergebnisse kann es vorteilhaft sein,
die Trennung in zwei Stufen vorzugsweise dergestalt durchzuführen, daß das in der
ersten Stufe neben dem in der Nähe der einen Elektrode als Produkt abgezogenen Konzentrat
mit höherem Gehalt an einer Komponenten in der Nähe der anderen Elektrode mit einem
niedrigeren Gehalt anfallende Konzentrat in einer zweiten Trennstufe erneut elektrostatisch
aufgetrennt und dort ein Konzentrat mit höherem Gehalt abgezogen wird, während die
in Nähe der anderen Elektrode dieser zweiten Trennstufe abgezogene Fraktion dem
Mittelgutumlauf der ersten Trennstufe zugefügt wird. Ein Mittelgutumlauf wird normalerweise
in den elektrostatischen Trennungen gemäß der Erfindung aufrechterhalten.
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Es besteht jedoch bei der auch als Nachtrennung bezeichneten zweiten
Trennstufe die Möglichkeit, daß sich die gewünschte Komponente im Mittelgut anreichert
und dieses als Produkt abgezogen wird, während die in Nähe der Elektroden abgezogenen
Fraktionen dem Mittelgutumlauf der vorhergehenden Trennstufe zugeführt werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, in einfachster
Arbeitsweise zerkleinerte Gemenge von Kunststoffen, die bis zu drei Komponenten
enthalten, mit hervorragendem Erfolg elektrostatisch aufzutrennen.
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Beispiel 1 (erfindunasaemäß) Ein auf Teilchengrößen von bis zu 6 mm
zerkleinertes Gemenge aus 50,00 Gew.-S Polyvinylchlorid 48,65 Gew.-% Polyäthylen
1,35 Gew.-% Polyacrylat wird 20 min lang unter lebhafter Bewegung auf einerTemperatur
von 500C gehalten und dann in gleichmäßigem Strom einem elektrostatischen Freifallscheider
aufgegeben, in dem ein elektrisches Feld von 4 kV/cm über eine in Fallrichtung des
Aufgabegutes gemessene Länge von 1,16 m aufrechterhalten wird. In Nähe der positiven
Elektrode wird ein Konzentrat I in einer Menge von 41,2 X der Menge des Aufgabegutes
gesammelt, das 98,7 Gew.-% Polyvinylchlorid, 1,25 Gew.-X Polyäthylen und 0,08 Gew.-%
Polyatrylat enthält. Das aus der Nähe der negativen Elektrode in einer Menge von
42,3 X des Aufgabegutes gewonnene 'Konzentrat II besteht aus 97,2 Gew.-t Polyäthylen
und 1,5 Gew.-S Polyvinylchlorid. Der im Scheider in einer Menge von 16,5 % nicht
abgelenkte Anteil des Aufgabegutes besteht aus 48,4 Gew.-t Polyvinylchlorid, 51,5
Gew,- Polyäthylen und 0,1 Gew. % Polyacrylat; dieser als Mittelgut bezeichnete Anteil
des Aufgabegutes wird mit neuem Aufgabegut dem Scheider wieder zugeführt.
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Beispiel 2 (erfindungsgemäß) Das in Beispiel 1 spezifizierte Gemenge
wird in einem Glasbehälter 5 min lang bei Raumtemperatur lebhaft bewegt und nach
den Angaben des Beispiels 1 weiterbehandelt. Konzentrat I (40,7 % des Aufgabegutes)
besteht aus 97,6 Gew.-% Polyvinylchlorid und 2,4 Gew.-% Polyäthylen; Konzentrat
II (39,3 % des Aufgabegutes) enthält 96,3 Gew.-% Polyäthylen und 3,7 Gew.-% Polyvinylchlorid;
das Mittelgut (20,0 % des Aufgabegutes) enthält etwa 43,4 Gew.-% Polyvinylchlorid
und etwa 65,3 Gew.-/% Polyäthylen sowie das gesamte Polyacrylat.
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Beispiel 3 (erfindunasgemäß) Das in Beispiel 1 spezifizierte Gemenge
wird in einem Stahlbehälter 5 min lang bei Raumtemperatur lebhaft bewegt und nach
den Angaben des Beispiels 1 weiterbehandelt. Konzentrat I (40,9 % des Aufgabegutes)
besteht aus 97,8 Gew.-% Polyvinylchlorid, 2,1 Gew.-% Polyäthylen und weniger als
0,1 Gew.-% Polyacrylat; Konzentrat II (41,6 % des Aufgabegutes) enthält 96,6 Gew.-%
Polyäthylen, 2,1 Gew.-% Polyvinylchlorid und 1,3 Gew.-% Polyacrylat: das Mittelgut
(17,5 % des Aufgabegutes) enthält 48,4 Gew.-% Polyvinylchlorid, 51,2 Gew.-% Polyäthylen
und 0,4 Gew.-% Polyacrylat.
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BeisPiel 4 (erfindunasgemäß) Das gemäß Beispiel 3 erhaltene Konzentrat
I wird in dem in Beispiel 1 beschriebenen Scheider nachgetrennt. Das in Nähe der
positiven Elektrode gesammelte Polyvinylchlorid-Konzentrat besteht zu 99,6 Gew.-%
aus Polyvinylchlorid und enthält neben nur 0,3 Gew.-% Polyäthylen weniger als 0,1
Gew.-% Polyacrylat; an der negativen Elektrode wird eine Fraktion mit 41,1 Gew.-%
Polyvinylchlorid, 58,8 Gew.-% Polyäthylen und weniger als 0,1 Gew.-% Polyacrylat
abgezogen und dem Rückgutumlauf der ersten Trennstufe wieder zugeführt.
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Eine entsprechende Nachtrennung des Konzentrats II ergibt an der positiven
Elektrode ein Polyäthylen-Konzentrat mit 93 Gew.-S Polyäthylen und 7 Gew.-% Polyvinylchlorid
und an der negativen Elektrode eine Fraktion mit weniger als 0,1 Gew.-S Polyvinylchlorid,
89,1 Gew.-% Polyäthylen und 10,8 Gew.-% Polyacrylat, die dem Rückgutumlauf der ersten
Trennstufe zugeführt wird. Das Mittelgut enthält neben 98,0 Gew.-S Polyäthylen nur
geringe Mengen an Polyvinylchlorid und Polyacrylat und wird hier als Produkt abgezogen.
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Beispiel 5 (erfindungsgemäß) Ein auf eine Teilchengröße von bis zu
6 mm zerkleinertes Gemenge von Folienschnitzeln aus 50 Gew.-x Polyvinylchlorid 50
Gew.-% Polyäthylen wird bei einer Temperatur von 400C für die Dauer von 5 min in
einem Stahlbehälter intensiv geschüttelt und in gleichmäßigem Strom einem elektrostatischen
Freifallscheider aufgegeben, dessen Elektroden gegen die Fallstrecke mit Glasplatten
abgedeckt sind. Zwischen den Elektroden wird über 1,16 m der Fallstrecke ein elektrisches
Feld von 3,1 kV/cm aufrechterhalten. In Nähe der positiven Elektrode wird ein Konzentrat
I mit 96,6 Gew.-S Polyvinylchlorid und 3,3 Gew.-% Polyäthylen erhalten; in der Nähe
der negativen Elektrode ein Konzentrat II mit 78,8 Gew.-S Polyäthylen und 21,2 Gew.-%
Polyvinylchlorid.
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Das Konzentrat II wird einer Nachtrennung in dem gleichen Scheider
unterzogen und bringt an der negativen Elektrode ein Konzentrat mit 97,5 Gew.-%
Polyäthylen und nur 2,5 Gew.-% Polyvinylchlorid.
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Beispiel 6 (erfindunasqemäß) Ein auf eine Teilchengröße von bis zu
6 mm zerkleinertes Granulatgemenge aus 50 Gew.-% Polyäthylen 50 Gew.-% Polystyrol
0 wird bei einer Temperatur von 40 C für die Dauer von 5 min unter lebhafter Bewegung
gehalten und dann in gleichmäßigem Strom einem elektrostatischen Freifallscheider
aufgegeben, zwischen dessen Elektroden auf einet/Länge von 1,16 m der Fallstrecke
ein elektrisches Feld von 3,8 kV/cm aufrechterhalten wird. In der Nähe der positiven
Elektrode wird ein Konzentrat I mit 88,8 Gew.-% Polyäthylen und 11,2 Gew.-% Polystyrol
erhalten, das in einer Nachtrennung zu einem Produkt-Konzentrat 1 mit 99,1 Gew.-%
Polyäthylen und 0,9 Gew.-% Polystyrol gereinigt werden kann.
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In der ersten Trennstufe wird in Nähe der negativen Elektrode ein
Konzentrat II mit 94,7 Gew.-% Polystyrol abgenommen, dessen Polystyrolgehalt in
einer Nachreinigung im gleichen Scheidertyp auf 96,6 Gew.-S gesteigert werden kann.