SE502884C2 - Sätt och anordning att anrika och separera materialkomponenter ur sammansatta material, företrädesvis metall/plastmaterial - Google Patents

Description

502 884 2 för att lösa plasten och återvinna de icke lösbara komponenterna.

Ett liknande förfarande beskrivs i Rohstoff/Rundschau 18/1992 s667-668. Där löses polyetendelen i ett lösningsmedel vid förhöjd temperatur varefter aluminiumdelen separeras genom filtrering.

Vidarebehandlingen av den tjockflytande polyetenlösningen anges vara omständlig och svår. En ytterligare metod beksrivs i JP 51020159 där ett flotationsförfarande används för att separera plast och aluminium som härrör från ett aluminium/plast-laminat.

Uppenbarligen har dessa metoder ej funnit någon större användning vilken förutom bristfällig källsortering av använda förpackningar i sopor förmodligen kan förklaras med att metoderna har tekniska brister. Användningen av lösningsmedel enligt JP 51020976 torde således förorsaka större miljöproblem än vad som kan vinnas genom återvinningen av aluminiumet, under det att en fullständig mekanisk separation enligt JP 52112673, vilket även torde vara en förutsättning vid metoden enligt JP 51020159, är svår att åstadkomma på grund av vidhäftningen mellan de olika skikten.

I samband med den allt strängare lagstiftning med högre krav på materialåtervinning av bl.a. använda förpackningar som nu införs i olika länder har behovet av ny teknik accentuerats.

Föreliggande uppfinning har till ändamål att åstadkomma en metod som möjliggör att aluminium och plast på ett enkelt sätt separeras så att en aluminiumfri plastfraktion och en aluminiumfraktion med lågt plastinnehåll erhålls. Detta ernås medelst en metod och en anordning som har erhållit de i patentkraven angivna kännetecknen.

Metoden innefattar värmning av till lämplig storlek fragmenterat plast/aluminium-laminat i inert atmosfär till en temperatur som ligger väsentligt under aluminiums smältpunkt men vid vilken plasten är lättflytande. Samtidigt skall plastens molekylstruktur i största grad bibehållas. Detta kan ske genom lämpligt val av tid, temperatur och atmosfär. Likaså kan stabilisatorer användas för att minska polymermolekylernas nedbrytning, såsom oxidation och klippning av molekylkedjor. Ur blandningen av plastsmälta och aluminiumflagor separeras aluminium genom centrifugering. Aluminiums densitet är ca 3 gånger den hos plastmaterial vid den aktuella temperaturen.

Ytterligare detaljer framgår av de angivna exemplen med 502 884 3 hänvisning till genomförda prov.

Några exempel kommer nu att beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar i vilka fig. 1 och 2 i diagramform visar molekylviktsfördelningen för de i exemplen angivna proverna under det att fig. 3 schematiskt visar en anordning avsedd att användas vid metoden enligt uppfinningen.

Exempel 1 Ett förpackningslaminat av typ kartong/aluminiumfolie/- polyeten med viktandelarna ca 75/5/20% hade tidigare behandlats i en process där kartongdelen tagits om hand för materialåter- vinning i en våt process. Restmaterialet aluminiumfolie/polyeten utgjorde utgångsmaterialet för försöket. Tjockleken hos aluminiumfolien var 6-7 pm. Materialet var tidigare fragmenterat till ca 0,5 cm: stora flingor. Efter torkning bestämdes viktsandelen aluminium till 23%. Resten antogs vara polyeten. I ett provrör av glas med 40 mm diamter värmdes totalt 58 g av detta material. På grund av materialets volumniösa karaktär fick detta göras i fyra omgångar om ca 15 g per gång. Vid värmningen var provrörets nedre del nedsänkt i ett smält tennbad med temperaturen 360°C. Härvid smälter laminatets polyetendel.

Kvävgas tillfördes samtidigt i provöret för att erhålla en miljö som var mindre oxiderande än luft. Mellan delsmältningarna fördes provröret med varmt innehåll över till en laboratoriecentrifug och centrifuge-rades under 5 min vid varvtalet 3000 rpm. Vid flyttningen av provet och vid centrifugeringen var provröret värmeisolerat så att temperaturen kunde bibehållas i möjligaste mån. Likaså hölls provröret förslutet för att minska kontakten med luftsyre. Efter centrifugeringen krossades provröret och det svalnade provet undersöktes. Övre delen av provet bestod av plast utan några rester av aluminium. Plasten var emellertid brunfärgad. Den undersöktes inte vidare. Nedre delen av provet var anrikat på aluminium; ju närmare provrörets botten i allt högre grad. Av den mest anrikade delen smältes 25 g tillsammans med en slaggbildare (Montanalsalt) i en grafitdegel vid 700 °C.

Härvid utvanns totalt 6,8 g aluminium.

Exempel 2 Ett försök liknande Exempel 1 gjordes med en typ av 502 884 4 aluminium/plastlaminat som används för vakuumförpackning av kaffe. Detta laminat.består'av'polyesterfilm/aluminiumfolie/poly- etenfilm med viktandelarna ca 10/20/70 %. Aluminiumfoliens tjocklek var"7 pm. Under samma betingelser som angivits ovan smältes sammanlagt 82 g laminat i tre omgångar. Även i detta fall separerades plast och aluminium väl. Vid smältning av det mest anrikade aluminiumet i grafitdegel med montanalsalt utvanns 4,4 g aluminium.

Exempel 3 Material av samma typ som i Exempel 1 behandlades på i princip samma sätt som där. Av totalt ca 300 g material som anrikades i omgångar, smältes ca 35 g av den aluminiumrika delen och därur utvanns ca 14 g aluminium. Vid analys visade sig detta ha en sammansättning som överensstämmer med kraven för olegerat aluminium 99,0 % (SS 4010, AA 1200) utom vad gäller Sn-halten, 0,4 %, som bedömdes vara förorening från tennsmältan.

Ca 50 g av det aluminiumfria, stelnande plastmaterialet i provrörets övre del delades sönder till ca 1 cm3 stora bitar.

Materialets färg var ljusbrunt, pâminnande om bivax. Det var ganska mjukt och lät sig lätt täljas. Materialet gavs beteckningen "Prov' R". Vid SEC-analys (SEC == Size-exclusion Liquid Chromatography) konstaterades att molekylvikten Mn (antalsmedelvärde) var ca 4700, under det att ett bra polyetenmaterial bör ha Mn = 10 000 - 15 000. De faktorer som starkast medverkat till nedbrytningen av polymeren har bedömts vara hög temperatur, lång tid och relativt hög syrgashalt i atmosfären.

I de ovan beskrivna försöken har visats att principen fungerar. Det går således att separera plast och aluminium genom centrifugering vid hög temperatur. Emellertid behövde försökstekniken förbättras så att polymeren mer effektivt skcnades från nedbrytning. Försök gjordes därför med en effektivare avskärmning av omgivande luftsyre, sänkning av temperaturen samt användning av oxidationsstabilisatorer.

FÖRBÄTTRAD FöRsöKsTEKNIK I ett ca 140 mm lång, tjockväggigt provrör med diametern 502 884 Dy/di 22/18 mm värmdes provmaterial av samma typ som i tidigare exempel till 200°C i ett termostaterat värmeblock. En väsentlig skillnad mot tidigare var att provmaterialet i flertalet försök försetts med ca 0,2 viktsprocent av oxidationsstabilisatorn Irganox B561 (Ciba-Geigy) i avsikt att minska polymerens nedbrytning.

Som skyddsgas användes i detta fall koldioxid i stället för kvävgas. Skälet är att koldioxid i motsats till kväve har högre densitet än luft och därför bedömts ge bättre skyddsverkan vid den aktuella provningen.

Provrör med provmaterial genomspolades under den 11 min långa uppvärmningen med skyddsgas. Det varma (klibbiga) provet kunde utan svårighet kompakteras till ca en tredjedel av dess tidigare volym med hjälp av en rundstav med diametern 17 mm och spolades sedan under ytterligare 4 min med skyddgas. Därefter förseglades provrörets öppna ände. Provröret togs därefter upp och fick svalna i förseglat skick.

Det förseglade provröret flyttades därefter till en elektriskt värmd degelugn för slutgiltig värmning inför centrifugeringen. Ugnsutrymmet runt provröret hade i förväg fyllts med koldioxid som skyddsgas. I ugnsutrymmet placerades provöret i ett liknande värmeblock som tidigare. Vid ett antal försök varierades såväl tid som temperatur för provet i ugnen.

Tiden valdes till 10 eller 20 min. Temperaturen varierades mellan 300 OCh 400°C.

För att det skulle vara möjligt att genomföra centrifugering vid hög temperatur och undvika snabb svalning av provet fick speciella åtgärder vidtas. Centrifugens hållare av rostfritt stål fylldes med gipsmassa som fick stelna. Ett 30 mm cylindriskt hål borrades i gipskroppen. Hålet fodrades med isolerande filt av keramisk fiber till lämplig diameter för provröret. Före centrifugering förvärmdes gipskroppen. På detta sätt kunde provrören hållas varmare än annars under den 5 min långa centrifugeringstiden. Varvtalet höjdes till 4 000 rpm.

Medelradien från provet till rotationscentrum var 23 cm, vilket ger G~talet ca 4 100.

Exempel 4 Försök gjordes för att finna optimal temperatur för 502 884 6 processen. I Exempel 1-3 hade temperaturen 360 °C tillämpats och det bedömdes önskvärt att kunna använda en lägre processtemperatur. Vid försök med den förbättrade tekniken vid varierande temperatur från 300 °C och uppåt visade det sig att separation vid centrifugering ej erhölls vid 300, 330 eller 360 “C utan först vid 385 °C. Orsaken till detta är sannolikt högre viskositet (vid viss temperatur) hos plastfraktionen på grund av minskad nedbrytning till följd av den förbättrade processtekniken. För de fortsatta försöken har därför temperaturen 385 °C använts.

Exempel 5 Provmaterial av samma typ som i Exempel 1 (och 3) behandlades enligt den förbättrade tekniken vid 385 ”C och med 0,2 viktsprocent B56l varvid tiden i ugn var 20 eller 10 minuter (prov 14 resp. V31). I båda fallen hade den avskilda plastfraktionen betydligt ljusare färg än från Prov R i Exempel 3. Medelmolekylvikten Mn var 8 300 resp. 9 900. Detta exempel visar dels att materialet i prov 14 och 31 har brutits ned i väsentligt mindre omfattning än i prov R, dels att den kortare tiden i ugnen medfört mindre nedbrytning.

Behandling Medelmolekylvikt Prov °C/min/stab. antalsmedelvärde sss/zo/sssi a zoo 14 sss/io/Bssi 9 900 31 Exempel 6 Syftet med detta försök var att fastställa hur mycket den termiska behandlingen egentligen påverkadeí materialet. Som provmaterial användes PE-granulat av den typ som används för den aktuella produkten. Granulatet processades enligt den förbättrade tekniken och på motsvarande sätt som laminaten.

Medelmolekylvikten hos granulat som processats vid 385°C/ min och 385 °C/ 10 min dels utan, dels med tillsats av 0,2 viktsprocent B56l jämfördes med den hos ej processat granulat.

Följande resultat erhölls: 502 884 7 Behandling, Medelmolekylvikt, Prov °C/min/stab. antalsmedelvärde 385/20/---- 9 200 ll 385/l0/---- 12 500 26 385/10/B56l 13 600 29 ingen 18 650 0 Molekylviktsfördelningen för ovannämnda prover visas i diagramform i Figur 1 och 2, Resultaten visar vilken inverkan såväl kort processtid som tillsats av stabilisator har vid den aktuella applikationen.

Exempel 7 I avsikt att få en uppfattning om i hur hög grad PE- materialet förändrats vid användningen som förpackning gjordes en jämförelse av molekylvikten hos aktuell typ av granulat resp. använt laminat efter det att de utsatts för samma behandling (385/10/B561) enligt den ovan angivna förbättrade tekniken. Då blir jämförelsen denna: Utgångsmaterial Medelmolekylvikt, Prov antalsmedelvärde granulat 13 600 29 använt laminat 9 900 31 Resultatet indikerar att en åldring som lett till en påtaglig minskning av laminatmaterialets molekylvikt skett mellan tillverkningen och återvinningen av förpackningsmaterialet. Av resultaten i Exempel 6 framgår att molekylvikten hos granulat vid processen sänkts med 27%. Om motsvarande förhållande antas gälla för använt laminat så skulle dess molekylvikt före processen i prov 31 ha varit 13 560.

Här kan också nämnas att vid processing av använt laminat erhöll den omsmälta plasten en väsentlig mörkare färg än vid motsvarande försök med granulat. Detta bedöms främst bero på föroreningar av t.ex. tryckfärg från de använd förpackningarna. 502 884 8 Sammanfattning av de gjorda försöken - Försöken har således visat att det är möjligt att långtgående anrika aluminium ur sammansatta material exempelvis förpackningslaminat bestående av tunn aluminiumfolie och olika typer av termoplastiska polymera filmer genom uppvärmning i inert atmosfär följt av centrifugering vid förhöjd temperatur. Aluminiumandelen har vid enkla laboratorieförsök höjts från ca 20 % till över 60 % vilket avsevärt underlättar materialåtervinning av aluminiumet.

- Försök med materialåtervinning genom smältning av aluminiumet i anrikad fraktion enligt ovan har visat att omsmält aluminium med hög kvalitet kan erhållas.

- Visserligen erhålles en ej önskad nedbrytning av termoplasterna vid den tillämpade tekniken men återvunnet plastmaterial med den erhållna medelmolekylvikten kan anses ha en så pass acceptabel kvalitet att det kan användas som råmaterial för vissa typer av plastprodukter.

Industrialisering av processen Industrialisering av det beskrivna förfarandet kan ske med användning av en anpassad dekantercentrifwg. Användningen av dekantercentrifuger är en beprövad teknik att separera t.ex. en fast fas från en flytande. Industriella dekantercentrifuger arbetar med volymandelen fast fast från mindre än l % upp till över 60 % och med arbetstemperaturer upp till 360°C och G-tal på upp till 10 000.

Av flera möjliga anordningar för att genomföra ovannämnda förfarande visas schematiskt en i fig. 3. Utgångsmaterialet skall vara torrt. I annat fall skall en särskild torkning ske.

Materialet.matas från en påfyllningsanordning 10 exempelvis medelst en skruvtransportör ll in i en kammare 12 el dyl. som har en uppvärmningszon 13 och vidare till en dekantercentrifug 14.

Kammaren 12 har ett inlopp 15 för skyddsgas och är medelst en 502 884 9 sluss 16, som är anordnad i anslutning till påfyllningsanordningen 10, avskild från omgivningen.

Uppvärmningen i skyddsgasatmosfären skall ske på ett sådant sätt att materialet snabbt når processtemperatur. Elektromagnetisk (induktiv) uppvärmning kan vara en lämplig sådan teknik. Efter uppvärmningen matas blandningen medelst skruvtransportören 11 in i dekantercentrifugen 14 vars konstruktion är anpassas till den erforderliga arbetstemperaturen och till drift med skyddsgas.

Den aluminiumrika fasen avgår via ett första utlopp 17 och samlas upp för att i en senare process förbehandlas inför omsmältning och materialåtervinning av aluminiumet.

Polymerandelen i aluminiumfraktionen bedöms bäst kunna nyttiggöras genom energiutvinning i samband med den nämnda förbehandlingen.

Den flytande polymerfraktionen tillåts att svalna till lämplig temperatur för granulering och kan i form av granuler utgöra råvara för nya plastprodukter. Hur stor andel av plasten som bör kunna återvinnas framgår av följande teoretiska kalkyl med typiska viktandeler för Al och plast i laminat.Om aluminiumfraktionen anrikas till 60 % Al (och 40 % plast) så har därmed 92 % av plastinnehållet i ett 90/10-laminat (med 90 % plast och 10 % Al) separerats. För ett 80/20-laminat blir motsvarande separationsgrad 83% om aluminiumfraktionen anrikas till 60 % Al. Det är således en väsentlig del av det totala plastinnehållet som på detta sätt kan göras tillgängligt för materialåtervinning. För aluminium är materialåtervinning med högt utbyte möjligt även före anrikning, men är enklare att genomföra ju lägre plastandelen är.

Claims (13)

502 884 10 Patentkrav

1. Sätt att med utgångspunkt från sammansatta material innehållande åtminstone plast och metall utvinna åtminstone en del av den i materialet ingående metallen och/eller plasten, kännetecknat därav, att materialet ev. efter fragmentering upphettas så att åtminstone en del av det i materialet ingående plasten smälter samt att smältan centrifugeras varvid metallen och plasten anrikas i smältan och att metallen och/eller plasten i ytterligare behandlingssteg utvinnes ur den anrikade och ev. stelnade smältan

2. Sätt enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att det sammansatta materialet utgöres av ett laminat och metallen utgöres av aluminium.

3. Sätt enligt patentkravet 1 eller 2, kännetecknat därav, att plasten utgöres av åtminstone en eller flera termoplaster.

4. Sätt enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat därav, att materialet i samband med centrifugeringen upphettas till en temperatur mellan 200-500 °C företrädesvis mellan 300-400 °C.

5. Sätt enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat därav, att upphettningen sker i en icke oxiderande miljö.

6. Sätt enligt patentkravet 5, kännetecknat därav, att den icke oxiderande miljön består av en skyddsgas t.ex. koldioxid eller av vacuum.

7. Sätt enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat därav, att en oxidationsstabilisator tillsättes materialet och/eller smältan.

8. Sätt enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat därav, att materialet under upphettningen successivt tillföres centrifugen.

9. Sätt enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat därav, att den genom centrifugeringen erhållna plastfasen avskiljes och omhändertas för återvinning.

10. Sätt enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat därav, att den genom centrifugeringen erhållna aluminiumrika fraktionen avskiljes och omhändertas för fortsatt behandling.

11. ll. Sätt enligt patentkravet 10, kännetecknat därav, att den aluminiumrika fraktionen termiskt behandlas så att organiskt och 502 884 ll lättflyktigt material avdrivs vid en temperatur som är lägre än aluminiums smälttemperatur.

12. Sätt enligt patentkravet 11, kännetecknat därav, att föroreningar i den aluminiumrika fraktionen separeras mekaniskt, magnetiskt eller elektromagnetiskt från basmaterialet.

13. Anordning för att med utgånspunkt från sammansatta material innehållande plast och metall utvinna åtminstone en del av det i materialet ingående metallen och/eller plasten enligt det i patentkravet 1 angivna sättet, kännetecknad därav, att anordningen innefatter en centrifug (14), företrädesvis en dekantercentrifug, med en från omgivningen avskild kammare (12) i vilken en icke oxiderande miljö råder varvid materialet från en påfyllningsanordning (10) införes i kammaren (12), att kammaren innefattar en värmezon (13) avsedd att uppvärma materialet innan det införes i centrifugen (14) och att centrifugen är så utrustad att materialet hålls vid önskad arbetstemperatur varvid centrifugen är försedd. med åtminstone två utlopp där under centrifugeringsprocessen anrikat aluminium avgår genommdet första utloppet (17) och anrikad plast avgår genom det andra utloppet (18).