DE4238692C2 - Verfahren zur Identifizierung von Kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Identifizierung von Kunststoffen.

Bei der Herstellung von Produkten der verschiedensten Art nimmt der Einsatz von Kunststoffen einen immer größer werdenden Raum ein. Aufgrund dessen kommt der Rückführung von gebrauchten Kunststoffen in den Wirtschafts- und Materialkreislauf eine gesteigerte Bedeutung zu, um den Rohstoff Erdöl und damit Energie zu sparen und auch um die Abfallmenge so weit als möglich in vertretbaren Grenzen zu halten.

Zwar ist insbesondere in der Automobiltechnik der Hauptbestandteil von Fahrzeugen nach wie vor recyclingfähiger Stahl, doch auch hier beträgt mittlerweile der Kunststoffanteil am Gesamtgewicht des Fahrzeuges ca. 5-10%. Da dabei wegen der unterschiedlichen geforderten Eigenschaf­ ten zahlreiche Kunststoffsorten zum Einsatz kommen, ist für eine späte­ re sinnvolle Weiterverwendung eine sortenreine Trennung praktisch unerläßlich, denn die Kunststoffsorten unterscheiden sich unter anderem in ihren mechanischen und chemischen Eigenschaften, so daß bei der Weiterverarbeitung eines Kunststoffgemisches die daraus hergestellten Produkte nicht nur eine vergleichsweise niedrige Wertigkeit besitzen, sondern darüberhinaus auch für eine mehrfache Wiederverwertung nicht geeignet und zum Teil auch untereinander unverträglich sind.

Da somit jede Kunststoffsorte für die Rückführung in den Materialkreis­ lauf getrennt gesammelt und verarbeitet werden sollte, bedarf es der vorherigen qualitativen Analyse um die Kunststoffsorten entsprechend identifizieren zu können.

Bekannte Verfahrensweisen hierfür sind beispielsweise die Dichtetren­ nung in einer Schwimm-Sink-Anlage (DE 40 24 130 A1, DE 32 10 972 A1), sowie die Analyse mittels unter­ schiedlicher Flammenfärbung (DE-PS 11 24 733).

Aus der DE 41 02 767 A1 ist des weiteren ein Verfahren zur qualitativen Analyse von Teilchen verschiedener Kunststoffsorten auf der Basis der relativen Konzentration der überwiegend vorkommenden Kunststoffsorte durch Emissions-Spektralanalyse, vorzugsweise Fluoreszenz-Spektrosko­ pie, bekannt geworden, bei der das durch Einstrahlung von kurzwelligem Licht, vorzugsweise UV-Licht, erzeugte, eine vergleichsweise langwelligere Lichtstrahlung aufweisende Emissionsspektrum nach Strahlungsintensitäten innerhalb eines relativ engen Wellenlängenbereiches aufgenommen, vorgegebene diskrete Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche der zu analysierenden Kunststoffe erfaßt und zur Identifizierung der Kunststoffteilchen herangezogen werden. Dabei werden die einzelnen Kunststoffteilchen einem Lichtimpuls ausgesetzt, aus den Strahlungsintensitäten der diskreten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen eine Kennzahl nach einem Algorithmus gebildet und durch Vergleich dieser Kennzahlen mit vorgegebenen Grenzwerten ein Sortiersignal gewonnen.

Gemäß einer weiteren Literaturstelle, nämlich "Schiele-Trauth, Chemie in unserer Zeit", 25 (1991) 5, Seite 231, Spalte 3, unterer Absatz, bis Spalte 4, oberer Absatz, ist es bekannt, die Kunststoffe mit einem Massenspektrometer zu identifizieren, um sie damit einer Trennung zugänglich zu machen. Dabei wird das Prinzip ausgenutzt, daß alle Kunststoffe beim Erhitzen einem thermischen Abbau unterliegen und für jede Kunststoffsorte typische gasförmige Produkte gebildet werden. Diese kann nun ein Massenspektrometer identifizieren und damit Hinweise auf die Zusammensetzung des erhitzten Materials geben. Für solche Gasmessungen sollen schon kleinste Probemengen und eine sehr kurzfristige Erwärmung der Kunststoffproben genügen. Das System ist mit einer Sortieranlage gekoppelt, wobei nach Erkennen des Kunststoffes über einen Magnetgeber eine Klappe für den Behälter der jeweiligen Sorte geöffnet wird. Auch Mischungen und Füllstoffe sind auf diese Weise zu separieren.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, den bekannten Analyseverfahren ein weiteres Verfahren zur Identifizierung von Kunststoffen hinzuzufügen, welches sich insbesondere durch seine Einfachheit in der Anwendung auszeichnet.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 zu sehen. Dabei wird in besonders vorteilhafter Weise der Umstand nutzbar gemacht, daß beispielsweise halogenierte Kunststoffe stark sauer reagieren, während Polyamid eine stark basische Reaktion zeigt und viele andere Kunststoffe weitgehend neutral reagieren.

Zwar ist mit der DE 40 28 905 C1 die Manipulation von pH-Werten von Abfallstoffen im Rahmen des Recycling von mit Farb- und Lackanteilen versetzten organischen und anorganischen Lösungsmitteln und Lösungsmit­ telgemischen, von Farb- und Lackkoagulaten und -schlämmen sowie von Lacken bekannt geworden. Dabei wird allerdings nicht ein ermittelter pH-Wert als Sortierkriterium herangezogen, sondern durch chemische Behandlung von Ausgangsstoffen deren pH-Wert verändert, um den weiteren Verfahrensablauf bei der Stofftrennung zu fördern.

Das Herauslösen des Kunststoffdampfes erfolgt nach einer Weiterbildung der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise wie in Anspruch 2 angegeben durch Beaufschlagung mit Laserstrahlen. Hier wird der besondere Vorteil des Lasers, nämlich der hohe Energieeintrag und damit die Möglichkeit eines quasi schlagartigen Verdampfens des Kunststoffes genutzt. Der gesamte Verfahrensablauf läßt sich dadurch zeitlich sehr straffen. Die in der eingangs bereits erwähnten DE 41 02 767 A1 offen­ barten Verwendungszwecke von Laserstrahlen (Herstellung einer optischen Schranke, partielles Reinigen der Kunststoffoberfläche) nehmen den in Anspruch 2 beschriebenen Anwendungsfall nicht vorweg.

Bildet die pH-Wert-Ermittlung eine Stufe einer Anzahl aufeinanderfol­ gender Analysestufen, wie in Patentanspruch 5 angegeben, wobei eine Dichtetrennung in einer Schwimm-Sink-Anlage sowie eine Separierung mittels Flammenfärbung vorgeschaltet sind, so läßt sich selbst ein Gemisch aus einer großen Vielzahl verschiedener Kunststoffsorten sicher analysieren und somit sortieren.

Ergänzende Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes Aus­ führungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein dreistufiges Analyseverfahren mit der Bestimmung des pH-Wer­ tes als letzten Verfahrensschritt und

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Ermittlung des pH-Wertes.

Bei einer versuchsweisen, labormäßigen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gemisch aus den Kunststoffen ABS, PA, PE, PP, PVC, PP-EPDM verwendet und in einer ersten Verfahrensstufe nach dem Schwimm-Sink-Verfahren eine Dichtetrennung vorgenommen.

Da PE und PP eine gegenüber Wasser geringere Dichte (< 1 g/ml) auf­ weisen, läßt sich damit gegenüber den anderen Kunststoffbestandteilen eine erste Separierung erzielen.

Im zweiten Verfahrensschritt wird die Flammenfärbung ermittelt, wofür eine Flamme für kurze Zeit (ca. 2-3 s) an den zu untersuchenden Kunststoff herangebracht wird. Hierbei zeigt nur ABS eine gelbe Flammenfärbung, alle anderen untersuchten Kunststofftypen zeigen keine Färbung der Flamme.

Nachdem somit ABS ausgesondert werden konnte, werden in einem letzten Verfahrensschritt die verbleibenden Bestandteile PA, PVC und PP-EPDM mittels pH-Wert-Ermittlung weiter analysiert und somit identifiziert, den Umstand ausnutzend, daß halogenierte Kunststoffe stark sauer reagieren, Polyamid eine stark basische Reaktion zeigt und alle anderen Kunststoffe sich weitgehend neutral verhalten.

Somit kann das eingesetzte Kunststoffgemisch ohne weiteres in seine Einzelbestandteile aufgespalten werden, wobei beispielsweise eine wei­ tere Trennung zwischen PP- und PE- Kunststofftypen wenig sinnvoll er­ scheint, da diese miteinander mischbar sind und auch als Mischung einer geeigneten Neuverwertung zugeführt werden können.

Sollten noch komplexere Mischungen eingesetzt und analysiert werden müssen, läßt sich das Verfahren jederzeit erweitern, indem beispielsweise zusätzlich der Schmelzbereich der Kunststoffe ermittelt wird. Wird bei der Dichtetrennung in einer Schwimm-Sink-Anlage anstatt reinem Wasser beispielweise eine Salzlösung verwendet, so ist somit auch ein anderer Dichte-Trennwert als 1 g/ml möglich. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß bei der nachfolgenden Verfahrensstufe - Flammen­ färbung - deren Ergebnis durch an Kunststoffteilen anhaftendes Natri­ umchlorid nicht gestört und verfälscht wird. Die bereits vorstehend erwähnte zeitliche Grenze, innerhalb der der zu untersuchende Kunst­ stoff für die Bestimmung der Flammenfärbung einer Flamme ausgesetzt wird, ergibt sich dadurch, daß zum einen ein Entzünden des Kunststoffes verhindert und zum anderen dem Umstand Rechnung getragen werden muß, daß sich die farblichen Unterschiede bei der Flammenfärbung nach ei­ nigen Sekunden in der Flamme angleichen bzw. zu klein werden, um eine eindeutige Differenzierung treffen zu können.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des dritten Verfahrens­ schrittes, nämlich der pH-Wert-Ermittlung ist in Fig. 2 dargestellt.

Mit den Randbedingungen - 1,5 kW Leistung, 0,3 s Belichtungszeit - wird ein Strahl 1 eines CO₂-Lasers auf ein Kunststoffteilchen 2 gerich­ tet, um damit eine etwa 0,5 mm starke Schicht des Kunststoffwerkstoffes herauszudampfen. Mit dem angegebenen Verhältnis von Leistung und Be­ lichtungszeit wird erreicht, daß eine genügende Menge Dampf entsteht, das Kunststoffteilchen 2 hingegen sich nicht entzündet.

Der Kunststoffdampf 3 wird nun mit Hilfe einer Pumpe 4 durch eine Gas­ waschflasche 5 gesaugt, die mit Wasser als Waschflüssigkeit 6 gefüllt ist. Dadurch, daß mittels pH-Meter 7 und Meßsonde 8 vor und nach der Laserbestrahlung der pH-Wert der Waschflüssigkeit gemessen wird, ergibt sich eine unmittelbare Aussage über den pH-Wert des Dampfes und somit eine Identifizierung des untersuchten Kunststoffteilchens.

Abwandlungen in den einzelnen Verfahrensabläufen und bei den eingesetz­ ten Mitteln (z. B. anderer Laser-Typ mit geänderten Leistungsdaten und Belichtungszeiten) sowie die Ergänzung um weitere Verfahrensstufen (z. B. das eingangs erwähnte Spektroskopie-Verfahren) sind ohne weite­ res möglich.

Claims (6)

1. Verfahren zur Identifizierung von Kunststoffen, gekennzeichnet durch die Ermittlung des pH-Wertes von aus der Kunststoffober­ fläche herausgelöstem Dampf (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heraus­ lösen des Kunststoffdampfes (3) mittels Laserbestrahlung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl (1) eines CO₂-Lasers mit 1,5 kW Leistung und 0,3 s Belichtungszeit verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst­ stoffdampf (3) mittels Pumpe (4) durch eine mit Waschflüssigkeit (6) gefüllte Gaswaschflasche (5) gesaugt wird, wobei der pH-Wert der Waschflüssigkeit (6) mittels pH-Meter (7) und Meßsonde (8) vor und nach dem Eintrag des Kunststoffdampfes (3) ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermitt­ lung des pH-Wertes eine Identifizierungsstufe aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Identifizierungsstufen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert-Bestimmung als weitere Analysestufen für die Trennung der Kunststoffsorten eines Kunststoffgemisches eine Dichtetrennung in einer Schwimm-Sink-Anlage und/oder eine Flammenfärbung und/oder eine Emissions-Spektralanalyse vor- oder nachgeschaltet sind.