DE4238692C2 - Verfahren zur Identifizierung von Kunststoffen - Google Patents
Verfahren zur Identifizierung von KunststoffenInfo
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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.
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