DE4304726C2

DE4304726C2 - Verfahren zur Trennung verschiedener Kunststoffsorten und Kunststofftypen aus dem Gemenge durch Schwimm-Sink-Scheidung im Gravitations- oder Zentrifugalfeld

Info

Publication number: DE4304726C2
Application number: DE19934304726
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Siebert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-14
Filing date: 1993-02-14
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2013-02-15
Also published as: DE4304726A1

Description

Verschiedene Sorten thermoplastischer Kunststoffe besitzen sortenspezifische Eigenschaften, welche zur Kunststofferkennung oder zur sortenspezifischen Trennung von Kunststoffgemischen genutzt werden können. Die Trennung nach Kunststoffsorten ist beim Recycling von Kunststoffen von zentraler Bedeutung. Vor allem die gebrauchten Kunststoffe fallen im allgemeinen als Gemische unterschiedlicher Kunststoffsorten an. Um wieder brauchbare technische Produkte aus diesen Kunststoffgemischen herstellen zu können, ist eine Trennung nach Sorten erforderlich, weil die einzelnen Kunststoffsorten bis auf wenige Ausnahmen keine ausreichend gegenseitige Verträglichkeit bei einer nachfolgenden Verarbeitung über die Schmelze aufweisen.

Zur Trennung werden in der Praxis die unterschiedlichen Dichten der einzelnen Kunststoffsorten genutzt. Die Trennung wird hierbei in einer wäßrigen Suspension durch die Bildung einer Schwimm- und Sinkfraktion durchgeführt. Die Dichte der Suspension muß hierbei so eingestellt werden, daß diese zwischen den Dichten der gewünschten Fraktionen liegt. Eine Schwierigkeit bei dieser Trennmethode liegt darin, daß bei manchen Kunststoffsorten Überschneidungen bezüglich deren Dichtebereiche auftreten oder diese zu eng beieinander liegen. In diesen Fällen ist eine saubere Trennung nicht mehr möglich.

Verfahrenstechnische Schwierigkeiten ergeben sich bei der Trennung von Fraktionen bei geringen Dichteunterschieden dadurch, daß sich in diesem Falle die Sink- oder Aufsteigegeschwindigkeiten der Teile verringert und diese dann von Turbulenzen in der Trennflüssigkeit überlagert werden, wodurch sich das Trennergebnis verschlechtert. In diesem Falle muß der Durchsatz durch die Trennanlage verringert oder die Anlage als solche vergrößert werden.

Eine Möglichkeit, mit einer kompakten Trennanlage Fraktionen mit nur geringen Dichteunterschieden bei hohen Durchsatz zu trennen, wird in der DE 42 08 104 A1 beschrieben. Hier werden in einer Zentrifuge hohe Zentrifugalbeschleunigungen erzeugt. Die zu trennenden Fraktionen werden kontinuierlich zugeführt, wobei die Schwimm- und Sinkfraktionen getrennt durch unterschiedliche Schnecken wieder nach außen abgeführt werden. Aufgrund der hohen Fliehkräfte lösen sich Schmutz und andere anhaftende Stoffe, wie Luftbläschen, von den Kunststoffteilen. Es wird dadurch verhindert, daß sich durch diese Anhaftungen verfälschende Trenneffekte ergeben. Zusätzlich verlassen die Fraktionen durch die Art der Konstruktion bereits vorgetrocknet die Zentrifuge.

Anhaftende Fremstoffe, wie Luft, Schmutz und andere Werkstoffe verfälschen in der Regel die bei der Schwimm-Sink-Scheidung wirkende Dichte der zu trennenden Partikel.

Speziell in der Patentschrift DD 2 18 860 A1 wird eine Methode angegeben, wie das Problem der an den Kunststoffpartikel anhaftenden Luftbläschen gelöst werden kann. Es wird hierbei das zu trennende Thermoplastgranulat in wäßriger Suspension mit einem Netzmittelzusatz auf ca. 90-95°C erhitzt und danach erfolgt eine Abkühlung, nach welcher dann die Sink- und Schwimmfraktion separat abgezogen werden können.

Eine weitere Methode zur Trennung von Kunststoffen wird in Patentschrift DE 41 27 572 C1 aufgezeigt. Es wird hierbei ein Gemenge von unterschiedlichen Thermoplasten durch eine Kombination von einer ersten Auftrennung über die Dichte mit einer nachgeschalteten sortenspezifischen triboelektrischen Aufladung der einzelnen Partikel eine weitere Auftrennung der Fraktionen mit einem elektrostatischen Freifallscheider erzielt.

Die hier vorgeschlagene Erfindung nutzt die sortenspezifischen Dichten zur Trennung von Kunststoffen. Während die herkömmlichen Verfahren die Dichtedifferenzen bei Normaltemperatur für den Trennvorgang nutzen, werden hier die für eine Trennung notwendigen Dichtedifferenzen zwischen einzelnen Sorten durch eine gezielte Temperaturerhöhung auf über 100°C erzeugt. Die Temperaturerhöhung führt aufgrund der spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Kunststoffsorten zu entsprechenden Dichtdifferenzen. Normalerweise sind die auf diese Weise erzeugten Dichtedifferenzen zu gering, um damit eine Trennung durchzuführen. Bei Polyolefinen beobachtet man aber im Temperaturbereich der Kristallitschmelze starke Dichteveränderungen. Die Wärmeausdehnung verhält in diesen Bereichen nicht linear. Die Dichte von Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE) ändert sich beispielsweise allein im Bereich von 110-130°C um ca. 15%. Die Kristallitschmelzbereiche liegen sortenspezifisch bei unterschiedlichen Temperaturen und die erzielbaren Dichteänderungen hängen vom Kristallinitätsgrad des jeweiligen Kunststoffs ab. Die erzielbaren Dichteänderungen sind in der Regel so stark ausgeprägt, daß sie schon für eine einfache Schwimm-Sink-Scheidung im Gravitationsfeld ausreichen.

Mit der Methode lassen sich aus einem Kunststoffgemenge, welches aufgrund zu geringer Dichtedifferenzen nach der herkömmlichen Methode nicht mehr aufgetrennt werden kann, noch unterschiedliche Kunststoffanteile separat abtrennen. Die einzelnen Kunststoffsorten können durch eine allmähliche Temperaturerhöhung der Trennflüssigkeit nacheinander zum Aufschwimmen gebracht werden. Es ist auch möglich, diese Trennung hintereinandergeschaltet in verschiedenen Bädern mit fest eingestellten Temperaturen durchzuführen. Ohne das hier vorgestellte Verfahren in seiner allgemeinen Anwendbarkeit einzuschränken, lassen sich mit der Methode Gemische aus verschiedenen Sorten von Polyolefine in die einzelnen Bestandteile LDPE (Polyethylen mit niedriger Dichte), HDPE (Polyethylen mit hoher Dichte) und PP (Polypropylen) zu zerlegen. Nach dem Stand der Technik gibt es bisher kein Verfahren, welches dieses Trennproblem konventionell durch eine Trennung über die Dichte löst. /1/

Eine Trennung von Polyolefingemischen in die einzelnen Bestandteile ist erstrebenswert, um bessere und differenziertere Qualitäten bezüglich der Recyclate zu erzielen.

Mit der hier beschriebenen Erfindung wird die vollständige Auftrennung eines Polyolefingemisches in LDPE, HDPE und PP erreicht.

Nach Anspruch 1 wird hierzu die Dichteänderung von Kunststoffen genutzt, welche sich bei einer Temperaturerhöhung auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der einzelnen Kunststoffe und Kunststofftypen ergeben.

Darstellung 1 zeigt diese Ausdehnung für nicht geschäumte oder gefüllte Kunststoffe in Form der Änderung des "Spezifischen Volumens" ausgehend von Raumtemperatur am Beispiel von LDPE, HDPE und PP. /2/ Im Kristallitschmelzbereich von HDPE (Kristallitschmelzbereich ca. 120°C bis 130°C) und PP (Kristallitschmelzbereich ca. 155°C bis 170°) ändert sich deren spezifisches Volumen fast sprunghaft. Bei LDPE ist diese Änderung nicht so stark ausgeprägt. Der Kristallitschmelzbereich endet hier bei ca. 105°C.

Die senkrechten Balkenstriche am Anfang der Kurven zeigen die Bandbreiten, welche die einzelnen Kunststoffe LDPE, HDPE und PP bei Raumtemperatur bezüglich ihres spezifischen Volumens jeweils einnehmen können. Bei Temperaturerhöhung werden diese Bandbreiten bzw. Streubreiten enger, vor allem in den jeweiligen Kristallitschmelzbereichen. In Darstellung 2 wird dieser Sachverhalt qualitativ dargestellt.

Es ist in Darstellung 2 unschwer zu erkennen, daß die Streubreite ab ca. 100°C bei LDPE und PP kaum noch einen negativen Einfluß auf die Trennbarkeit der beiden voneinander hat. Ähnliches gilt für die Trennung von LDPE und HDPE. Die Trennung von HDPE und PP kann im Bereich von ca. 150°C sicher durchgeführt werden. Bei gefülltem PP würde sich dessen Spezifisches Volumen zusätzlich verringern, wodurch sich die Trennbarkeit in diesem Temperaturbereich sogar noch verbessert. Unterhalb von ca. 125°C ist diese Trennung bei gefülltem PP nicht mehr gewährleistet. Aus Darstellung 1 und 2 wird deutlich, daß bei höheren Temperaturen größere Unterschiede bezüglich der Spezifischen Volumina bei gleichzeitig geringeren Streubreiten zur Trennung genutzt werden können. Es wird dadurch eine relativ sichere Trennung in LDPE, HDPE und PP möglich. Für die Trennung eignen sich prinzipiell am besten Zentrifugen, da mit diesen Geräten hohe Fliehkräfte bei relativ wenig Turbulenz innerhalb der Trennflüssigkeit erzeugt werden können. Sie sind in ihrer Bauweise kompakt, haben eine hohe Durchsatzleistung und die zu trennenden Stoffe kommen schon vorgetrocknet aus der Maschine.

Betrachtet man in Darstellung 1 oder 2 die Bandbreiten der Spezifischen Volumina bei Raumtemperatur, so ist hier unschwer zu erkennen, daß sowohl LDPE und PP, als auch LDPE und HDPE nicht sauber über die Dichte getrennt werden können. PP und HDPE sind hier bei Raumtemperatur zwar trennbar, die Dichtedifferenzen sind hier aber gering und da in der Praxis vor allem PP auch gefüllt sein kann, ist hier eine saubere Trennung zusätzlich erschwert oder unmöglich.

In Darstellung 1 sind die Verläufe mehrerer möglicher Trennflüssigkeiten eingezeichnet.

1) Diethylenglycoldiethylether
2) 3-Methoxy-3-methylbutanol
3) Wasser-Alkohol-Gemisch mit einer Dichte bei 20°C von 0.92.

In Anspruch 8 wird zusätzlich noch Cyclopentanol zur Trennung von Polyolefingemischen aufgeführt, und es werden die Mischungen von allen hier genannten Flüssigkeiten untereinander und mit anderen Flüssigkeiten beansprucht. Die hier aufgeführten Flüssigkeiten eignen sich aufgrund ihres Dichteverlaufs in Abhängigkeit von der Temperatur besonders zur Auftrennung der Polyolefine. Sie sind relativ unbedenklich bezüglich ihrer Toxikologie. Sie sind kostengünstig und haben keinen zu erwartenden negativen Einfluß auf die Eigenschaften der Polyolefine. Weiterhin ist ihr Siedepunkt nicht allzu hoch, wodurch die Trocknung der Werkstoffe nach dem Trennschritt erleichtert wird.

Bei der Verwendung eines Wasser-Alkohol-Gemisches muß bei höheren Trenntemperaturen mit Überdruck gearbeitet werden. Der Druck beträgt bei 150°C ca. 5 bar.

Nach Anspruch 1 bis 8 eigenen sich prinzipiell alle Flüssigkeiten, die bei den Trenntemperaturen die zur Trennung erforderlichen Dichten bzw. Spezifischen Volumina aufweisen.

Im Bereich von 100°C bis 115°C (Anspruch 3) sind die Dichteunterschiede zwischen LDPE und PP so groß, daß sich selbst durch die jeweiligen Dichtestreuungen keine Überschneidungen mehr ergeben, wodurch eine sichere Trennung möglich wird.

LDPE wird im Gegensatz zum PP in der Regel nicht gefällt. Feste Füllstoffe würden beim PP die Dichteunterschiede zum LDPE noch erhöhen und die Trennbarkeit in diesem Falle noch verbessern.

Ab ca. 120°C steigt das Spezifische Volumen von HDPE stark an und übersteigt das Spezifische Volumen von PP. Zwischen ca. 130°C und 160°C kann das HDPE als Schwimmfraktion nach Anspruch 4 gut vom PP getrennt werden. Auch hier würde jetzt eine Füllung des PP die Dichtedifferenz zum HDPE noch vergrößern, wodurch diese sogar noch besser getrennt werden können. Die Dichtedifferenz zwischen PP und HDPE ist in diesem Temperaturbereich so groß, daß selbst eine Verminderung des Spezifischen Volumens des HDPE durch Zugabe von Additiven sich nicht störend bezüglich der Trennung vom PP auswirkt.

In der Praxis wird normalerweise HDPE nicht gefällt. Sollte dieser Fall jedoch auftreten, so kann dieses HDPE mit einem für die Trennung zu geringen Spezifischen Volumen vor diesem Trennschritt bereits im Vorfeld ausgeschieden werden. Dies läßt sich nach Anspruch 7 dadurch erreichen, indem schon bei der ersten Abtrennung eines Polyolefingemisches aus einem Kunststoffgemenge mit dem Schwimm-Sinkverfahren mit Flüssigkeitsdichten (Wasser-Alkohol-Mischungen) im Bereich von 0.97 bis 1.00 bei Raumtemperatur gearbeitet wird. In der Praxis wird dies aber nicht erforderlich sein.

Es sind verschiedene Verfahrensführungen zur Trennung von Polyolefingemischen unter Ausnutzung des hier beschriebenen Verfahrens denkbar.

1. Variante:
Sukzessive Temperaturerhöhung in drei Stufen zur Abtrennung von LDPE, HDPE und PP als Schwimmfraktion aus einem Gemengestrom verschiedenster Stoffe bzw. Werkstoffe (Anspruch 3 bis 5).
2. Variante:
Abtrennung eines Polyolefingemisches aus einem Gemengestrom durch Schwimm-Sinktrennung mit Wasser.
Anschließend Auftrennung des Polyolefingemisches in LDPE, HDPE und PP in zwei Stufen bei unterschiedlichen Trenntemperaturen, wobei in der letzten Stufe PP als Sinkfraktion gewonnen wird (Anspruch 6).
3. Variante:
Abtrennung eines Polyolefingemisches aus einem Gemengestrom durch Schwimm-Sinktrennung mit Flüssigkeiten (Wasser-Alkohol-Mischung) mit einem Spezifischen Volumen im Bereich von 1.01 cm³/g bis 1.03 cm³/g bei 20°C (Anspruch 7).
Anschließend weiter gemäß Variante 1 oder gemäß Anspruch 6.

Die zweite und dritte Variante wird bezüglich der sortenreinen Abtrennung durch gefülltes PP nicht gestört, da das PP jeweils im letzten Trennschritt als Sinkfraktion gewonnen wird.

Bei der dritten Variante können störende Einflüsse bezüglich der Sortierung durch eventuell gefälltes HDPE ausgeschaltet werden.

Durch das hier beschriebene Verfahren können Polyolefine in LDPE, HDPE und PP aufgetrennt aus Gemengeströmen separiert werden. Im Gegensatz zu anderen Sortierverfahren, wie der Handsortierung, wird hier eine hohe Ausbeute bei hoher Sortierqualität erzielt, wodurch die Sortierung wesentlich effektiver und kostengünstiger durchgeführt werden kann. Das Verfahren ist dazu geeignet, Mahlgut aus gemischten Kunststoffen nach Sorten aufzutrennen, wobei die Sortierqualität weitgehend unabhängig von der Korngröße des Mahlgutes ist. Dadurch wird es möglich, Kunststoffe bei der Sammlung schon dezentral zu Zerkleinern und volumenreduziert zu transportieren. Das Material somit rieselfähig und läßt sich dadurch auch leichter zu händeln. Die gesamte Sammellogistik würde sich dadurch vereinfachen und kostengünstiger gestalten.

Literatur:
/1/ Menges, Michaeli, Bittner Recycling von Kunststoffen Carl Hanser Verlag 1992 (Beitrag von J. Brandrup).
/2/ Kühlen von Extrudaten VDI-Verlag, Düsseldorf 1978 (Seite 12).

Claims

1. Verfahren zur Trennung verschiedener Kunststoffsorten und Kunststofftypen aus einem Gemenge durch Schwimm-Sinkverfahren im Gravitations- oder Zentrifugalfeld unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichten der zu trennenden Kunststoffe, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung die Dichtedifferenzen genutzt werden, welche sich bei einer Temperaturerhöhung bei einzelnen Kunststoffsorten und Kunststofftypen, ausgehend von Raumtemperatur, ab einem bestimmten Temperaturniveau und in bestimmten Temperaturbereichen ergeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verfahren Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyethylen mit niedriger Dichte (LDPE) und Polypropylen (PP) unter Nutzung von deren nichtlinearen Wärmeausdehnverhalten im Bereich der Kristallitschmelze jeweils für sich getrennt aus Werkstoffgemengen durch Schwimm-Sink-Scheidung abgetrennt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturbereich von 50°C bis 125°C mit Flüssigkeiten mit einem Spezifischen Volumen im Bereich von 1.10 cm³/g bis 1.27 cm³/g Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) durch Sink-Schwimmverfahren aus einem Gemenge abgetrennt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturbereich von 125°C bis 170°C mit Flüssigkeiten mit einem spezifischen Volumen im Bereich von 1.16 cm³/g bis 1.30 cm³/g Polyethylen hoher Dichte (HDPE) durch Sink-Schwimmverfahren aus Gemengeströmen abgetrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturbereich oberhalb von 170°C mit Flüssigkeiten mit einem spezifischen Volumen unterhalb von 1.38 cm³/g Polypropylen durch Sink-Schwimmverfahren aus Gemengeströmen abgetrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Input ein Polyolefingemisch (LDPE, HDPE und PP) genommen wird, von welchem nach Anspruch 3 zuerst LDPE als Schwimmfraktion abgetrennt und dann in der nächsten Trennstufe nach Anspruch 4 HDPE in eine Schwimm- und PP gleichzeitig in eine Sinkfraktion aufgetrennt und separiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyolefingemisch aus einem Gemengestrom durch Sink-Schwimmverfahren als Schwimmfraktion gewonnen wird, wobei die Trennflüssigkeit mit ihrem Spezifischen Volumen im Bereich von 1.01 cm³/g bis 1.03 cm³/g bei 20°C liegt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennflüssigkeiten folgende Flüssigkeiten
Diethylenglycoldiethylether (1, Darstellung 1),
3-Methoxy-3-methylbutanol (2, Darstellung 1),
Wasser-Alkohol-Gemisch mit einer Dichte zwischen 0.86 und 0.94 bei 20°C (3, Darstellung 1),
Cyclopentanol,
und deren Mischungen untereinander oder mit anderen Flüssigkeiten verwendet werden.