Beschreibung
Verfahren zum Behandeln von organische Kationen, nicht wässrige Lösungsmittel und Kohlenstoff enthaltenden elektrischen Komponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von elektrischen Komponenten, die organische Kationen, nicht wässrige Lösungsmittel und Kohlenstoff enthalten.
Derartige Materialien mit organischen Kationen, nicht wassrigen Lösungsmitteln und Kohlenstoff sind zum Beispiel in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren (EDLC - Electrochemical Double Layer Capacitors) enthalten.
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) , basierend auf Kohlenstoffelektroden und Elektrolyten, bestehend aus Leitsalzen mit organischen Kationen, wie z. B. quarternären Ammonium-, Phosphonium- , Pyrolidinium- , Pyridinium oder Imidazoliumsalze, in nichtwassrigen Lösungsmitteln, werden in den nächsten Jahren Zugang zur Automobilindustrie finden, aber auch in industriellen Applikationen, dem
Traktionsbereich und anderen mehr eingesetzt werden. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes z.T. aber auch aus wirtschaftlichen Überlegungen wird es wichtig, ein Verfahren zum Recycling dieser Bauelemente zu haben.
Gemäß der aktuellen Gesetzeslage wird in der EU z.B. von der AutomobilIndustrie, Importeuren und Recyclingfirmen ab 2006 eine Verwertung von >85 Gew.% (Verwertungsquote) des Automobils verlangt, wobei mindestens 80 Gew.% (Recyclingquote) in den Stoffkreislauf zurückgeführt oder als Gebrauchtteile wiederverwendet werden müssen. Ab 2015 ist die
Verwertungsquote auf 95 Gew%, die Recyclingquote auf 85 Gew% zu steigern.
Die bisher anfallenden geringen Mengen an zu entsorgenden EDLC werden als Sondermüll gelagert . Es wird keine Wiederverwertung der Bestandteile praktiziert.
Von wiederaufladbaren Li-Ionen-Batterien sind verschiedene Verfahren zum Recycling bekannt, bei denen wie beim EDLC nichtwässrige Lösungsmittel, jedoch zusammen mit lithiumhaltigen Leitsalzen eingesetzt werden. Das Anodenmaterial von Li-Ionen Batterien besteht aus einer graphitischem, lithiumhaltigen, Kohlenstoffmodifikation, die zumindest vom chemischen Element her der Aktivkohle von EDLC gleich ist. Kathodenmaterial (z.B. Cobalt, Mangan, Titan,
Nickel-oxide mit Einlagerungen von Li- Ionen) , Separator (PP, PE) , Abieiter (z.B. Kupfer, Nickel, Aluminium) und Gehäuse (i.d.R. Stahl oder Aluminium) unterscheiden sich jedoch deutlich von den Materialien, dem Aufbau und den sich daraus ergebenden Trennaufgaben beim Recycling im Vergleich zu EDLC.
Aufgrund der teilweisen Ähnlichkeiten zwischen Li-Ionen Batterien und EDLC wird der Stand der Technik für das Recycling von wiederaufladbaren Li- Ionen-Batterien näher beschrieben:
In der Literaturstelle DE4424825A1 wird ein Verfahren zum Entsorgen von Li Ionen Batterien beschrieben. Nach einem Tiefkühlschritt werden die Batterien bei Raumtemperatur in inerter Atmosphäre geschreddert . Das freigesetzte Lösungsmittel des Batterieelektrolyten wird einer nicht näher beschriebenen Einrichtung zum Unschädlichmachen der Abgase zugeführt, also nicht verwertet. Die festen Bestandteile der Batterie werden mittels Flotation in eine Leichtfraktion
(hauptsächlich bestehend aus Kunststoff) und eine schwere
Metallfraktion getrennt. Letztere bestehend aus Eisen- und
Nicht-Eisen Metallen wird noch in einem nachfolgenden Schritt voneinander separiert. Eine Wiedergewinnung der Leitsalze wird nicht beschrieben.
Die Patentschrift US4637928 beschreibt eine Methode und einen Apparat zur Neutralisierung von Lithium-Batterien mit hoher Energiedichte, z. B. Lithium-Schwefel und Lithium- Thionylchlorid. Hierbei wird in einem Schritt die Einzelzelle geöffnet, Flüssigkeit (Wasser oder Natronlauge) in die Batterie eingebracht und Gas aus dem Zellinneren nach außen gegeben. Diese Prozessschritte finden in einem Reaktionsgefäß mit Randabstreifern, Gassammlungseinrichtungen und einer Hammermühle statt. Somit werden alle Batteriematerialien wie Salze und Lösungsmittel von einem w ssrigen Medium aufgenommen. Die zerkleinerten, festen Materialien werden einer nicht weiter spezifizierten Verwertung zugeführt.
WO 94/07277 beschreibt ein Verfahren zum Recycling von metallhaltigen elektronischen Komponenten, zu denen Batterien und Kondensatoren insbesondere mit Lithium gezählt werden. Der beanspruchte Prozeß umfaßt die Zerkleinerung der metallhaltigen elektronischen Komponenten, die anschließende Auswaschung der enthaltenden metallhaltigen Feststoffe sowie des im Elektrolyten enthaltenden Lösungsmittels mit einer wassrigen Lösung. Diese wässrige Lösung wird anschließend destilliert, um das Lösungsmittel des Elektrolyten und die wasserlöslichen metallhaltigen Rückstände zurückzugewinnen. Der feste Rückstand der wassrigen Auswaschung wird mit einer sauren Lösung gewaschen, um weitere metallhaltige Feststoffe in Lösung zu bringen. Aus dieser Lösung werden mit geeigneten Chemikalien die metallhaltigen Feststoffe wieder ausgefällt
und in einem nachfolgenden Schritt weiter zu Metalloxiden umgewandelt, welche dann wieder zur Herstellung von neuen
Batterien verwendet werden sollen. Der feste Rückstand aus der sauren Auswaschung wird wahlweise verworfen oder verbrannt . Bei der Verbrennung wird der im Rückstand enthaltende Kohlenstoff entfernt, so dass nur noch freie
Metalle bzw. deren Oxide im Verbrennungsrückstand verbleiben, über deren weitere Verwendung nichts ausgesagt wird.
Gleichfalls wird nichts über die Rückgewinnung von Kunststoffen ausgessagt .
US 5,888,463 beansprucht ein Recyclingverfahren für Li aus Li enthaltendem Abfall, insbesondere aus Li-Batterien. Hierbei werden die Batterien zunächst mit flüssigen Stickstoff oder Argon auf Temperaturen kleiner -320°F gekühlt, um die
Reaktivität des in den Batterien enthaltenden metallischen Li zu reduzieren. Anschließend werden die gekühlten Li-Batterien zerkleinert und mit einer wassrigen LiOH-Lösung, deren ph- Wert > 10 ist, zur Reaktion gebracht. Dadurch werden die in den Batterien enthaltenden Li-Salze in Lösung gebracht.
Diese, die Li Salze enthaltende wässrige Lösung wird so lange mit weiteren zerkleinerten Batterien in Kontakt gebracht, bis das Löslichkeitsprodukt der Salze überschritten wird, so dass diese wieder ausfallen. Der Niederschlag wird anschließend abfiltriert. Zur weiteren Reinigung dieses Filterkuchens wird dieser in verdünnter Schwefelsäure wieder gelöst und in eine nicht weiter beschriebene „elektrolytische Hybridzelle" überführt, in der selektiv die Li Ionen aus der schwefelsauren Lösung durch eine Membran in eine basische wässrige Lösung wandern, wo dann LiOH entsteht. Dieses kann entweder für die zuvor beschriebene Auslaugung der gekühlten und zerkleinerten Batterien oder zur Herstellung von LiC03
verwendet werden. Über die Rückgewinnung der anderen
Batteriebestandteile wird nichts ausgesagt .
WO 99/34473 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Li- haltigen, elektrochemischen Zellen bestehend aus bindemittelhaltigen Kathoden- und Anodenmaterialien und einem Elektrolyten, wobei sowohl die Kathode als auch die Anode intercalierte Ionen enthalten. Das Verfahren gliedert sich in die Schritte Zerkleinern in einer Inertgasatmosphäre unter absolutem Wasserausschluß, Lösen des Elektrolyten aus den zerkleinerten Teilen mit einem organischen, absolut wasserfreien Lösungsmittel (Acetonitril) , anschließendem Lösen des Binders in einem zweiten organischen Lösungsmittel (NMP) und anschließendem Reduzieren der in der Kathode intercalierten Ionen (elektrochemisch) . Dieses Verfahren soll vor allem für die Aufarbeitung von Li- Ionen-Batterien eingesetzt werden. Zur Trennung der Feststoffanteile werden nur die Trennung über Dichteunterschiede oder über Magnetismus genannt.
Die vorgenannten Veröffentlichungen betreffen die Abfallverarbeitung von anorganischen Kationen enthaltenden Materialien.
Der Erfindung soll eine Möglichkeit zum Recycling von Materialien mit organischen Kationen, nicht wassrigen Lösungsmitteln und Kohlenstoff angeben.
Dieses Ziel erreicht die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet .
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Wiederverwertung von Materialien (Abfällen) , die Lösungen von organischen
Kationen, wie z. B. quaternären Ammonium-, Phosphonium- ,
Pyrolidinium- , Pyridinium oder Imidazoliumsalze (also kein Lithium) , in nicht wassrigen Lösungsmitteln enthalten.
Mit diesem Verfahren ist es erstmals möglich, vollständige. EDLC Module der Wiederverwertung zuzuführen.
Mit diesem Verfahren ist es weiterhin erstmals möglich, die aus dem EDLC Recycling anfallenden Produkte Lösemittel, Leitsalz und aktivierten Kohlenstoff wieder für EDLC zu verwenden.
Durch die Vormarkierung der zu verwertenden Komponenten bereits bei der Herstellung wird erreicht, zu Beginn der Verwertung den Abfall in unterschiedliche Gruppen klassifizieren zu können (z. B. EDLC mit verschiedenen Leitsalzen) , die einzeln wirtschaftlicher verarbeitet werden können .
Beschrieben wird ein Verfahren zum Entladen von EDLC und EDLC-Modulen mittels eines partikulären Kohlenstoffbettes. Dieses Medium ist variabel für alle geometrischen Anschlusskonfigurationen der EDLC und EDLC-Module, erlaubt die arbeitssichere Entladung über die elektrisch leitfähigen Partikel, ohne dass es zu Schmelzverbindungen kommt, ist kostengünstig, und führt nicht zu Verunreinigungen des zu recycelnden Produktes.
Die Erfindung beschreibt einen technisch und auch wirtschaftlich sehr vorteilhaften Prozess zur Abtrennung der Elektrolytbestandteile vom Rest des Abfalls durch die
Verwendung von nichtwassrigen Lösungsmitteln, welche der Art der im Elektrolyten verwendeten Lösungsmittel entsprechen.
Die vorgeschlagene Vorgehensweise verhindert zum einen die
Hydrolyse der im Abfall enthaltenden Salze mit organischen Kationen. Die nach dem vorgeschlagenen Verfahren rückgewonnenen Salze haben demnach eine hohe Reinheit.
Andererseits kann der nachgeschaltete Trennschritt in die einzelnen Lösungsmittel entfallen. Wären die im Abfall enthaltenen Lösungsmittel und die zur Auswaschung verwendeten Lösungsmittel unterschiedlich, müßte eine solche Trennung erfolgen. Der Waschprozeß erlaubt den Einsatz von kostengünstigeren Materialien, Atmosphären und Behältern und braucht nicht unter völligem Feuchteausschluß, wie in WO 99/34473 beschrieben, durchgeführt werden.
Zur Trennung der Feststoffanteile von Abfall mit organischen Kationen und nichtwässrigem Lösungsmittel wird eine zweistufige Schwimm/Sink Trennung über die unterschiedliche Dichte der Materialien eingesetzt. Die Materialien fallen in hoher Reinheit an. Speziell der Kohlenstoff kann wieder für EDLC eingesetzt werden.
Zur Trennung der Feststoffanteile von Abfall mit organischen Kationen und nichtwässrigem Lösungsmittel wird eine Aeroklassierung oder Hydrokiassierung zur Abtrennung der
Metallfraktion (Aluminium) eingesetzt. Dieser Prozess kann auch bei geringerer Anströmung des zu trennenden Gutes eine Trennung der Kunststofffraktion von der Kohlenstoff/Papier Fraktion zulassen. Die Materialien fallen in hoher Reinheit an. Speziell der Kohlenstoff kann wieder für EDLC eingesetzt werden .
Weiterhin wird zur Trennung der Feststoffanteile von Abfall mit organischen Kationen und nichtwässrigem Lösungsmittel eine elektrostatische Trennnung mit einer nachgeschalteten Trennung über unterschiedliche Dichten vorgeschlagen. Die Materialien fallen in hoher Reinheit an. Speziell der Kohlenstoff kann wieder für EDLC eingesetzt werden.
Weiters wird zur Trennung der Feststoffanteile von Abfall mit organischen Kationen und nichtwässrigem Lösungsmittel ein zweistufiges Schmelzverfahren eingesetzt, bei dem die Kunststoffanteile (PP, PE, PU) bei -200 °C und Aluminium bei ~700°C aufgeschmolzen werden. Die nichtschmelzbare Fraktion wird abgesiebt bzw. filtriert. Die Materialien fallen in hoher Reinheit an. Speziell der Kohlenstoff kann wieder für EDLC eingesetzt werden.
Eingesetzt wird ein Verfahren zur Trennung von Kohlenstoffbeschichtung, Al-Trägerfolie . Dies gelingt, auch kostengünstig, durch das Ablösen derselben in Wasser oder einer wassrigen Lösung.
Das dargestellte Verfahren läßt eine hohe Recyclingrate zu, da alle Fraktionen > -IGew. % einer Wiederverwertung zugeführt werden können. Sogar die im Ausführungsbeispiel beschriebene materielle Wiederverwertung des am Ende des
Prozesses verbleibenden Kohlenstoff/Papier/Restkunststoffe Materials ist möglich. Dieses Material bietet sich als Rohmaterial zur Herstellung weiterer Aktivkohle, z.B. für die Verwendung EDLC, an und schließt somit den Materialkreislauf.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm der Prozessschritte einschließlich der optionalen Schritte und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Trennoptionen nach Prozessschritt 6 für die Trennung des getrockneten Rückstandes bzw. Gemisches
In der Regel bestehen die elektrischen Komponenten, insbesondere die EDLC Module bestehen aus Einzelzellen, die mit Aluminium-Zellverbindern zusammengeschaltet werden und sich in einem Kunststoff-Modulgehäuse befinden (PP, PE) . Weiterhin kann sich in dem Modulgehäuse eine bestückte Leiterplatte zum Management des Ladezustandes der Einzelzellen befinden, sowie Fixierungsmaterial der Einzelzellen, z.B. Vergusskunststoff (PU) , Stahl bzw. Al- Platten und Schrauben. Die Einzelzellen bestehen aus einem elektrolytgetränkten Wickel, der im wesentlichen aus aktivierten Kohlenstoff, Aluminiumfolie und Papier, sowie optional einem Kernrohr aus Kunststoff (PP, PE) aufgebaut ist. Die Wickel stecken in einem Aluminiumgehäuse, das mit einem Aluminiumdeckel und einem Dichtungsring aus kautschukähnlichem Material gasdicht verschlossen ist. Der Elektrolyt besteht aus einem quarternären
Ammoniumtetrafluoroborat, gelöst in Acetonitril und eventuell in geringen Anteilen Zusatzstoffen und Produkten aus der chemischen Umsetzung von Elektrolyt und
Elektrodenbestandteilen, die während der Lebensdauer des Kondensators entstanden sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass kurzkettige organische Verbindungen, CO, C02, CH , H2 u.a. in geringen Mengen als Gas vorliegen.
Prozessschritt 1: Entladen
Aus Sicherheitsgründen kann es sinnvoll sein, als Erstes die
EDLC Module zu entladen, damit sich die eventuell noch in den
EDLC Modulen gespeicherte elektrische Energie während des
Recyclingprozesses nicht unkontrolliert entladen kann. Die gezielte Entladung kann über ionische oder elektrische Leiter geschehen. Als ionische Leiter bieten sich z. B. wässrige Salzlösungen im gesamten pH Wert Bereich an. Die Entladung über elektrische Leiter kann durch das Anschließen von elektrischen Lasten oder das Kontaktieren der Module in ein elektrisch leitendes Medium, z.B. Metallkugeln, -granulat, - pulvern, -watte, -Netze oder Kohlenstoff ulver, -pellets, - granulaten o. ., realisiert werden. Dieses Verfahren der Entladung ist auch sehr vorteilhaft auf alle anderen elektrochemischen Zellen anwendbar. Insbesondere Kohlenstoff- basierte Entladungsmedien haben einen ausreichend großen Entladewiderstand und können nicht mit den zu entladenden Zellen verschweißen.
Prozessschritt 2 : Abtrennen des Einzelzellenstranges vom Rest des Moduls
Durch Säge-, Schneid-, Schweiss-, Dreh-, Fräs- oder Scher- Verfahren u.a. wird der EinzelZellenstrang vom Rest des
Moduls getrennt. Hierbei können Modulgehäuse, Leiterplatten, Fixierungselemente sortenrein aussortiert und einer weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden. Nach Möglichkeit sollen die Einzelzellen hierbei nicht beschädigt werden. Wenn sich dies nicht vermeiden läßt, sollte dieser Prozess in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden.
Dieser Prozessschritt ist optional und dient der vorzeitigen Verringerung der in den nächsten Prozessschritten anfallenden Materialmengen und somit des Trennau wandes.
Prozessschritt 3: Zerkleinern der EDLC-Stränge bzw. des EDLC- Modules
In einem abgeschlossenen Behälter werden mit Hilfe von Schredder- bzw. Mahlverfahren (z. B. mittels Hammer-, Kugel-, Schneid- oder Prallmühlen) die EDLC-Stränge oder, falls auf den Prozeßschritt 2 verzichtet wurde, die kompletten EDLC- Module zerkleinert, vorzugsweise bis Partikelgrößen .kleiner 5 mm erreicht werden. Die bei diesem Zerkleinerungsvorgang entstehenden Partikel sollen möglichst gleicher Größe und Form sein und eine möglichst einheitliche
MaterialZusammensetzung besitzen. Dieser Prozeß läuft in einer solchen Atmosphäre ab, dass sich das nichtwässrige Lösungsmittel, welche in den EDLC enthalten ist, nicht während des Zerkleinerungsprozesses entzünden kann. Die Atmosphäre, in der zerkleinert wird, erlaubt einen höheren Wasser- und Sauerstoffgehalt als die Atmosphäre im Leervolumen der zu recycelnden Zelle. Dies kann durch Verdünnung des Luftsauerstoffs und der Luftfeuchte durch z.B. Ar, C02 oder N2, erreicht werden. Die während des Zerkleinerungsprozesses entweichenden Dämpfe des nichtwassrigen Lösungsmittels werden aufgefangen, z.B. in einer Kühlfalle. Die während der Lebensdauer des EDLC entstandenen Gase werden einer an sich bekannten Gasreinigungseinheit zugeführt und dort unschädlich gemacht.
Dieser Prozeßschritt ist aus arbeitschutztechnischer Sicht mit Risiken verbunden, da die hierbei freigesetzten Dämpfe und Gase nicht nur entzündlich sind, sondern auch ein Gesundheitsrisiko darstellen können. Daher ist insbesondere hier auf die Arbeitschutzvorschriften zu achten. So kann der Prozess z.B. in einer abgeschlossenen Kammer erfolgen, die den direkten Kontakt etwaiger Emissionen zum Bedienpersonal verhindert .
Prozeßschritt 4 : Waschen mit einem nicht wassrigen Lösungsmittel
Die zerkleinerten EDLC-Bestandteile werden mit einem nicht wassrigen Lösungsmittel, vorzugsweise mit dem, welches als Lösungsmittel des Elektrolyten im EDLC verwendet wurde, gewaschen. Auch dieser Prozeß läuft vorzugsweise in einem abgeschlossenen Behälter unter Inertgas ab, welches nicht notwendigerweise getrocknet zu sein braucht Die in EDLC verwendeten 'Leitsalze sind hydrolysestabiler als die in Li-
Ionen-Zellen enthaltenen Salze und Elektrodenmaterialien. Die zum Waschen eingesetzte Lösungsmittel-Qualität (z.B. Wassergehalt, Reinheit, Verunreinigungen) kann daher geringer sein, als die in den elektrochemischen Zellen und Kondensatoren zur Anwendung kommenden Lösemittel . Der
Waschprozeß kann grundsätzlich im Batchverfahren oder unter kontinuierlich mit zirkulierendem nicht wassrigen Lösungsmittel erfolgen. Beim Waschprozeß löst sich das Leitsalz und das Lösungsmittel des Elektrolyten aus den zerkleinerten EDLC-Partikeln heraus. Durch die kleine
Partikelgröße findet dieser Prozess mit hoher Geschwindigkeit statt. Zur weiteren Beschleunigung des Lösungsprozesses kann dieser unter Rühren und bzw. oder bei Temperaturen oberhalb von Raumtemperatur geführt werden. Die Temperatur braucht dabei nicht notwendigerweise auf maximal 60° C begrenzt werden, da die Leitsalze im Vergleich zu Li-Ionen-Zellen stabiler sind. Auch der Einsatz von Ultraschallwellen kann die Lösungsgeschwindigkeit des Leitsalzes und des Elektrolytlösungsmittels beschleunigen.
Wegen der nur geringen Wassermengen, die während des Waschprozesses zugegen sind, findet dabei keine Hydrolyse des Leitsalzes statt, so dass es später mit hoher Reinheit
rückgewonnen werden kann. Die zum Waschen verwendeten nichtwassrigen Lösungsmittel müssen nicht notwendigerweise vollkommen wasserfrei sein, da die Leitsalze mit organischen
Kationen nicht stark hydrolyseanfällig sind. Dadurch reduzieren sich die Betriebskosten für die Waschung im erheblichen Maße. Die Waschlösung wird nach Beendigung des
Waschprozesses vom. Rückstand, mittels Filtrieren oder
Dekantieren getrennt. Die Waschlösung kann anschließend mittels Temperaturerhöhung und bzw. oder Einwirkung von Unterdruck eingeengt werden. Das Lösungsmittel der
Waschlösung wird dabei aufgefangen, z.B. mit einer Kühlfalle. Sofern das zum Waschen verwendete Lösungsmittel identisch mit dem Lösungsmittel des EDLC-Elektrolyten ist, kann das hier gewonnene Lösungsmittel als Rohstoff in die chemische Industrie zurückgeführt werden oder wieder zum Waschen der zerkleinerten EDLC-Patikel eingesetzt werden. Werden in den EDLC Lösungsmittelgemische als Elektrolybestandteil verwendet oder unterscheidet sich das Lösungsmittel, welches zum Waschen verwendet wird von dem im Elektrolyten der EDLC verwendeten Lösungsmittel, können diese beispielsweise mittels Destillation oder Extraktion aufgetrennt werden.
Das zurückgewonnene Leitsalz wird beispielsweise mittels Umkristallisation aus nicht wassrigen Lösungsmitteln oder chromatographischen Methoden weiter aufgereinigt und für die
Herstellung neuer EDLC eingesetzt. Besteht der aufzuarbeitende Abfall aus EDLC mit verschiedenen Leitsalzen, bietet sich beispielsweise eine Vorsortierung über entsprechende, bereits bei der Herstellung an den EDLC befestigten Markierungen in EDLC der verschiedenen
Leitsalztypen an. Alternativ zu dieser Vorsortierung können die EDLC mit den unterschiedlichen Leitsalzen auch gemeinsam dem Recyclingprozeß zugeführt werden, wobei dann beim
Waschprozeß Leitsalzgemische isoliert werden. Die
Leitsalzgemische können dann über deren unterschiedliche chemische und/oder physikalische Eigenschaften, beispielsweise deren Löslichkeitsprodukte oder Wechselwirkungen mit chromatographischen Trennphasen voneinander getrennt werden.
Prozessschritt 5 : Trocknen des Rückstandes aus Prozesschritt 4 Die im Prozesschritt 4 zurückgebliebenen Bestandteile werden durch Erhitzen und bzw. oder Vakuum getrocknet. Die dabei entweichenden nicht wassrigen Lösungsmittel werden aufgefangen, z. B. mit einer Kühlfalle. Optional kann auch noch ein zusätzlicher Zerkleinerungsschritt eingefügt werden, abhängig von den Erfordernissen der folgenden Trennschritte.
Prozessschritt 6: Auftrennung von AI, C, Kunststoffen, Papier
Für die Trennung der EDLC-Bestandteile aus Prozeßschritt 5 in AI, C, Kunststoffe und Papier können grundsätzlich die unterschiedlichen mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der einzelnen Abfallbestandteile ausgenutzt werden. Dazu können beispielsweise die Verfahren Flotation (Ausnutzung unterschiedlicher Wasserbenetzbarkeit von dispergierten Stoffkörnern) , Aeroklassierung bzw. Windsichten (Trennung über unterschiedliche Dichten- Auftriebskraft im Luftstrom) , Hydrokiassierung (Trennung über unterschiedliche Dichten-Auf riebskraft im Wasserstrom) , elektrostatische Trennung (Trennung über unterschiedliche Leitfähigkeiten) , Schmelzen (Trennung über unterschiedliche Schmelzpunkte) , Schwimm-Sink-Sortierung (Trennung über unterschiedliche Dichten in Flüssigkeiten) oder ballistischer Separation (Trennung nach Dichte und Stückform) sowie deren
Kombinationen zur Anwendung kommen. Die nachfolgend näher beschriebenen Möglichkeiten dienen nur der näheren
Erläuterung, sind aber nicht einschränkend zu verstehen.
6.1 Zwei nacheinandergeschaltete -Dichtetrennungen mit Hilfe der Schwimm-Sink-Sortierung:
Der Rückstand aus Prozeßschritt 5 wird in einem Behälter, mit einer Flüssigkeit vermischt, welche eine Dichte von 1,5 bis 2,6 g/cm3 besitzt, beispielsweise eine wässrige Salzlösung oder eine Mischung von Wasser mit anderen Lösungsmitteln. Da außer Aluminium (Dichte 2,7 g/cm3), alle weiteren Inhaltsstoffe eine kleinere Dichte als die hinzugefügte Flüssigkeit haben (Papier: 0,5 g/cm3, Kunststoffe ca. 1,4 g/cm3, C: 0,7 g/cm3), verbleibt nur das AI am Boden des Behälters und kann dort abgetrennt werden.
Im zweiten Prozessschritt werden die Kunststoffe von den Kohlenstoff/Papier Rückständen getrennt . Hier bieten sich Wasser, wässrige Salzlösungen oder/und Mischungen mit anderen Lösemitteln oder Kombination aus Salzlösungen und Mischungen als Trennungsmittel an.
Die Trennung nach Dichte kann durch Zentrifugieren beschleunigt werden.
Als Fraktionen erhält man: 1. Aluminium, 2. Kunststoffe, 3. Papier/Kohlenstoff .
6.2 Elektrostatische Trennung von elektrischen Leitern und Nichtleitern Dieses Trennverfahren eignet sich zur trockenen Rückgewinnung von Metallteilchen aus unterschiedlichen Leiter-Nichtleiter- Mischungen. Über einen Vibrationsförderer wird das zu trennende Abfallgemisch auf eine rotierende, geerdete
Metallwalze gegeben und in den Bereich einer
Hochspannungselektrode transportiert. Dort wird es elektrostatisch aufgeladen. Die leitfähigen Produkte
(Metalle) verlieren nach der Aufladung an der Hochspannungselektrode sehr schnell wieder ihre Ladung
(geerdete Walze) und werden von der rotierenden Walze weggeschleudert (Zentrifugalkraft). Im. Gegensatz .dazu. verlieren "Nichtleiter" ihre Ladung nur sehr langsam. Sie haften an der Oberfläche der Metallwalze (Influenz) und werden an einer anderen Stelle abgebürstet. Damit ist eine trockene Separation beider Fraktionen möglich. Mit Hilfe dieser Methode lassen sich demnach das Alu inum und der Kohlenstoff vom Kunststoff und dem Papier abtrennen. Anschließend können beide Fraktionen beispielsweise mit einer einfachen Dichtetrennung in Wasser in die einzelnen Bestandteile aufgetrennt werden.
Die Kohlenstoffbeschichtung läßt im Allgemeinen leicht im wassrigen von der AI -Trägerfolie ablösen, sofern dies noch nicht vollständig durch den Zerkleinerungsprozess geschehen ist .
6.3. Aeroklassierung bzw. Windsichten
Bei diesem Verfahren wird das zu trennende Gut von unten angeströmt. Es befindet sich hierfür z.B. auf einem Sieb. Durch die aufströmende Luft werden Teile mit hohem Luftwiderstand (Papier und Kohlenstoffschnipsel) und geringer Dichte nach oben getrieben , während die anderen Teile (Kunststoffe und vor allem Aluminium) auf dem Sieb verweilen. In einer zweiten Kammer oder bei Batchbetrieb auch in der ersten Kammer, werden nach dem gleichen Prinzip unter veränderten Prozessparametern die Kunststoffe von dem Aluminium getrennt .
Als Fraktionen ergeben sich: 1. Aluminium, 2. Kunststoffe, 3
Papier/Kohlenstoff .
Analog kann anstatt Luft auch eine Flüssigkeit zum Anströmen des Trenngutes verwendet werden. In diesem Fall spricht man von Hydrokiassierung.
6.4 Schmelzen
Das Trenngut wird in einem geeigneten Ofen auf eine homogene Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes von AI, jedoch oberhalb der Schmelzpunkte aller KunststoffSorten, die im Trenngut enthalten sind, erhitzt. Die aus dem Trenngut herausschmelzenden Kunststoffe werden aufgefangen und den gängigen Methoden der Kunststoffaufbereitung zugeführt. Der Verbleibende Rückstand aus AI, C und Papier, wird anschließend weiter auf eine homogene Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von AI erhitzt, so dass dieses aus dem Trenngut herausschmilzt und aufgefangen werden kann. Das AI kann schließlich der mit den üblichen Verfahren des Al- Recyclings weiterbearbeitet werden. Das zurückbleibende
Gemisch aus Kohle und Papier kann der Carbonisierungsstufe des Aktivkohleherstellungsprozesses zugeschlagen werden und wird somit z.B. für die Herstellung neuer EDLC verwendet.
Alternativ kann nach dem Herausschmelzen des Kunststoffes das zurückbleibende AI-, C- , Papier- Gemisch mit den anderen erwähnten Methoden weiter aufgetrennt werden.
6.5 Ballistische Separation Bei diesem Verfahren wird der aufzutrennende Abfall auf eine beweglich geneigte und perforierte Ebene mit speziellen Rüttelelementen geben. Der Trenntransport ist abhängig von der Dichte und Korngröße der einzelnen Abfallbestandteile, so
dass die Fraktionen mit der geringsten Dichte am schnellsten transportiert werden und somit von den schwereren Fraktionen getrennt werden können.
Eine Trennung in die Einzelfraktionen Aluminium, Kunststoffe, Papier und Kohlenstoff ist somit möglich.
Kombinationen der Trennverfahren, auch der mehrstufigen Trennverfahren sind in der Erfindungsmeldung mit beinhaltet.
Falls auf Prozessschritt 2 verzichtet worden ist, müssen in den unter Prozessschritt 6 genannten Verfahren auch die Gehäusematerialien aufgetrennt werden. Stahl wird immer mit der AI- Fraktion anfallen. Eine Trennung von Stahl und Aluminium gelingt über Dichte, Magnetismus oder
Schmelzpunkte. Die Leiterplatte und das Vergussmaterial verbleiben in der Kunststoff Fraktion.