STADLER Anlagenbau GmbH Robert-Bosch-Str. 4, 88361 Altshausen
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Technik von ihrer besten SeiteSortier- & Aufbereitungsanlagen für die Entsorgungsindustrie
STADLER® ist einer der führenden Hersteller von Sortieranlagen für die Entsorgungsindust- rie. Egal ob Planung, Fertigung, Montage, Inbetriebnahme, Umbau oder Wartung von Kom- ponenten und kompletten Anlagen, wir bieten Ihnen einen „Full-Service“:
Die weltweit erste vollautomatische Hausmüll-Sortieranlage - entworfen, produziert und montiert von STADLER®!
Vollautomatische Arbeitsweise – keine manuelle Sortierung nötig!
Hervorragende Sortierergebnisse u. -mengen Innovative Pressenlinien
Durchsatz: 40 t/h Hauptkomponenten:
3 Ballistik Separatoren, 16 NIRs, 2 Siebtrommeln, 2 FE, 1 NE,
149 Förderbänder - Länge insg. 1,5km, 4 Kompressoren m. Wärmerückgewinnung, 305 t Stahlbau, u.a.
Hausmüll Gewerbeabfall LVP / Folien Papier/Kartonage
Plastikflaschen Commingled
Baumischabfall / Sperrmüll Ersatzbrennstoffaufbereitung
Fördertechnik Ballistik Separatoren Siebtrommeln
Wir finden auch für Ihre Anforderungen die passende Lösung. Profitieren Sie von unserer Erfahrung und kontaktieren Sie uns für Ihr nächstes Projekt.
Sortieranlagen für: Komponenten:
Kunststoffe
Kunststoffrecycling aus der Perspektive einer modernen Ressourcenwirtschaft
Lucas Pfennig und Kerstin Kuchta
1. Grenzen des Recyclings von Polymeren ...516
2. Was kann Kunststoff von Metall lernen ...517
3. Zusammenfassung ...520
4. Literatur ...521 Die Verwertungsmöglichkeiten von Kunststoffen sind grundsätzlich vielfältig und dennoch scheint das Recycling von Polymeren, vor allem aus dem Post-Consumer- Bereich, die letzte Herausforderung der Abfallressourcenwirtschaft darzustellen. Und das vor dem Hintergrund einer globalisierten Abfallressourcenwirtschaft, in welcher eine Fokussierung auf lokale Märkte durch weitgehend fremdbestimmte Marktdynamik, Abhängigkeiten und Einflüssen weltpolitischer Ereignisse abgelöst wird. Gleichzeitig steckt die Europäische Legislative ambitionierte Ziele für seine Mitgliedstaaten mit steigenden Recycling- und Verwertungsquoten.
Die technologische Entwicklung von neuen Sortieranlagen und die Optimierung be- stehender, führen zu einer steten Verbesserung der Separation und Wirtschaftlichkeit der Anlagen und Prozesse. Vor allem die Fortschritte der verschiedenen Detektions- techniken in Kombination mit einer stetigen Steigerung der Leistungsfähigkeit der verbundenen Informationstechnik ermöglichen neue Mengen und Qualitäten von Kunststoffen, welche für den Wiedereinsatz zur Verfügung stehen.
Die Verwendung von Recyclingkunststoffen stößt bei potenziellen Kunden immer noch auf Ressentiments. Denn der Einsatz von Rezyklaten in einer hochfrequenten, weit- gehend automatisierten Kunststofffertigung birgt für viele Anwendende immer noch hohe Risiken, welche sich aus ihrer Sicht nicht mit dem ökonomischen Vorteilen und der Übernahme moralischer Verpflichtungen in Bezug auf begrenzte Rohstoffquellen, aufwiegen lassen. Die Anwendenden sorgen sich konkret um die Verfügbarkeit des Materials sowie der Homogenität der Qualität.[1] Vor dem Hintergrund eines aktuell niedrigen Rohölpreises können aufwendig rückgewonnene Rezyklate keine Märkte besetzen.
Im folgenden Beitrag liegt der Fokus auf den Grenzen und Chancen, welche die ver- mehrte Gewinnung aus unterschiedlichen Abfallströmen und der vermehrte Einsatz von Rezyklaten für eine Kreislaufwirtschaft bieten. Dabei erfolgt die Bewertung der Nutzung von Rezyklaten anhand der sogenannten Ersatzquote. Diese beschreibt den Ersatz von neuem Polymermaterial durch Recylingkunststoffe. Somit beschreibt diese einen echten Ersatz des fossilen Werkstoffes und die damit verbundenen Einsparungen an Rohstoffen und klimaschädlichen Emissionen.
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Sortieranlagen für: Komponenten:
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Kunststoffe
1. Grenzen des Recyclings von Polymeren
Eine der zahlreichen technologischen Voraussetzungen des aufbereiteten Abfallstromes ist die Sortenreinheit. Für ihren primären Einsatz werden Kunststoffe aus einer brei- ten Palette aus Polymerwerkstoffen für ihren zukünftigen Einsatz gewählt. In einem großen Teil der Kunststoffprodukte kommt ein Polymer mit anwendungsbezogenen Additiven zum Einsatz. In spezialisierten Anwendungen werden mischbare Polymere vermengt, um so gezielt gewünschte Eigenschaften verschiedener Polymere zu ver- einen und Produkte mit einer erweiterten und spezifisch angepassten Charakteristik herzustellen. Diese sogenannten Polymerblends stellen für das Recycling eine große Herausforderung dar, da die Polymere in flüssiger Form untrennbar miteinander ver- mischt sind. Verbundstoffe und Bauteile oder Komponenten aus Kunststoff, welche aus verschiedenen Polymeren zusammengestellt und zum Beispiel verklebt sind, bilden eine ebenso große Herausforderungen wie die sogenannten Blends.
Die gewünschte Sortenreinheit ist naturgemäß bei Produktionsresten aus der kunststoff- verarbeitenden Industrie situationsbedingt besonders hoch. Das mechanische Recycling ist hier mit entsprechend geringem betriebswirtschaftlichem Aufwand verbunden, da die Kunststoffe den eingesetzten Stoffen entsprechen, sauber und in bekannten Qualitäten vorliegen. Produktionsreststoffe werden vor diesem Hintergrund in vielen Fällen direkt vom Kunststofflieferanten zurückgenommen und so ein geschlossener Rohstoffkreislauf gebildet.[7]
Ein dazu verwandter Abfallstrom ist jeder weitgehend sortenrein aufkommender Pro- duktrest zu nennen. Dieser kann aus Kunststoffgehäusen aus Rücknahmesystem von Elektrogeräten, wie z.B. rückgesendeten Internet-Geräten von Telefondienstleistern zu Rücknahmesystem von PET-Flaschen des Einzelhandels, bestehen. Für diesen Abfall- strom ist lediglich eine technologisch einfache Trennung der Kunststoffkomponenten, z.B. mit NIR-Technik oder einer einfachen Farbsortierung, erforderlich. Dieser Stoff- strom zeichnet sich durch einen geringen Anteil an Fremdstoffen aus. Wie bei allen Separationsprozessen geht eine steigende Inhomogenität der vorliegenden Abfallströme mit steigendem prozesstechnischen Aufwand und Kosten einher.
Trotz großer Bemühungen kommunaler Entsorger zur Reduzierung der Abfallmengen und mehrere Anpassungen der europäischen Rechtssetzung zur Etablierung getrennter Sammlungssysteme repräsentieren Kunststoffe immer noch etwa 10 % des Restabfalls.
Eine Serie von durchgeführten Studien am Institut für Umwelttechnik und Energiewirt- schaft der TU Hamburg –Harburg zur Zusammensetzung des genannten Abfallstroms zeigt eine prozentuale Verteilung des Kunststoffanteils von 5,3 % bis 11,4 % abhängig von der Bebauungsstruktur.[8]
Die gesetzlich vorgeschriebene Steigerung der Ressourcenentfrachtung des Restabfalls aus Haushaltungen führt bisher nicht zu einer Reduktion der Gesamtabfallmenge, jedoch recht erfolgreich zu einer Erhöhung der Abfallmenge in den unterschiedlichen Systemen von Wertstofftonne oder Wertstoffsack. Durch den hohen Verschmut- zungsgrad der Wertstoffgemische steigt in der nachgeschalteten Recyclingindustrie der erforderliche Aufwand die Kunststoffabfälle einem hochwertigen werkstofflichen
Kunststoffe
Recycling zuzuführen. Dies konterkariert die politischen Initiativen zur Erhöhung der Wiedereinsatzquoten von Polymeren, da die beteiligte Industrie in vielen Fällen nicht bereit ist die steigenden Kosten zu tragen und sinkende Gewinne zu tolerieren.
Die von der deutschen Regierung den zuständigen Stellen der Europäischen Kommis- sion im Jahr 2013 gemeldeten Recyclingquoten für Kunststoffabfälle betragen 99,9 %.
Dieser, in jeglichen Vergleich, hervorragende Wert, berücksichtigt lediglich die Menge des Eingangsstroms der verfügbaren Kunststoffabfälle in eine Aufbereitungsanlage.
Die Anforderungen an die Recyclingprodukte enthalten unter anderem eine Vorgabe bezüglich des maximalen Reststoffanteils.[2] Hier wird also durchaus in Betracht gezogen, dass ein hoher Anteil an Fremdstoffen sich in nachfolgenden Verarbeitungs- schritten negativ auswirkt. Dass dabei unterschiedliche Fremdstoffe – z.B. Mineralik, Holzfasern oder Metalle – selbstverständlich verschieden hohe Herausforderungen für die weiterverarbeitenden Schritte darstellen, wird nicht berücksichtigt.
In Anbetracht des aktuell stark sinkenden Ölpreises wird der Fokus auf möglichst hohe Rückgewinnungsquoten kritisch hinterfragt. Ein sinkender Ölpreis wirkt sich auf die Rohstoffpreise der Kunststoffproduzenten aus. Im Gegensatz hierzu steht der steigende Strompreis. Die für eine Aufbereitung von Kunststoffen notwendige Prozesstechnik fordert zumindest in Teilen einen hohen Stromverbrauch. Gerade die sogenannte Regranulierung, also die Herstellung homogener Kunststoffgranulate als Endprodukt des Recyclings benötigt signifikante Mengen elektrischen Strom. Dem erforderlichen Prozessaufwand für die Rückgewinnung eines Rezyklates, welches als Ersatz für Primär-polymer geeignet wäre, steht die einfache energetische Verwertung als Ersatzbrennstoff in der Industrie gegenüber.
2. Was kann Kunststoff von Metall lernen
In Anbetracht der sich ändernden Rahmenbedingungen des Recycling ist eine kritische Betrachtung der technischen Voraussetzungen und Möglichkeiten erforderlich. An dieser Stelle soll auch auf die Besonderheiten des Kunststoffrecyclings im Vergleich zum sehr erfolgreich praktizierten Metallrecycling eingegangen werden.
In einer ersten Betrachtung ergeben sich viele Parallelen bei der Betrachtung der beiden Werkstoffarten Kunststoff und Metall. So ist ein Aufschmelzen der recyclingfähigen Werkstoffe beider Gruppen und ein wiederholter Einsatz mit einer neuen Formgebung möglich. Der Wiedereinsatz von Metallen unterscheidet sich jedoch stark von dem der Polymere. Aus den Abfallströmen gewonnene Metalle enthalten zwar geringe Verunreinigungen, bleiben hierbei werkstofflich jedoch weitgehend unverändert.
Eine Aufbereitung hat nahezu keinen Einfluss auf ihre chemischen Bindungen und Elementarteile. Im Gegensatz hierzu sind Kunststoffe aus organischen Verbindungen aufgebaut. Diese Verbindungen bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, in unterschiedlichsten Konfigurationen, welche sich unter thermischer Belastung mischen oder neue Verbindungen, z.B. durch Umlagerung oder Abspaltung von Elementen oder funktionellen Gruppen, bilden können.
518
Kunststoffe
Organische Verbindungen besitzen im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen eine geringe Temperaturstabilität. Dies ist vor allem bei einer erneuten Erhitzung im Recy- clingprozess relevant. Eine ideale Verarbeitung minimiert deshalb mittels technischer Vorkehrungen die durch die hohen Temperaturen eintretenden chemischen Reaktionen.
Ein derartig idealer Prozessdurchlauf lässt sich jedoch in einem Recyclingprozess mit inhomogenen Eingangsmaterialien nicht realisieren. Die erforderlichen Kompromisse gehen hier in der Regel zu Lasten der mechanischen Qualität des Recyklates.
Um die Einsatzmöglichkeiten von im Abfallstrom vorhandenen Kunststoffe abzuschät- zen, wurden im PRELab – PolymerRecyclingLab – der TU Hamburg-Harburg eine Reihe von Analysen durchgeführt, um die Einflüsse verschiedener Verunreinigungen auf die mechanische Qualität zu untersuchen. Den Rahmen der Versuchsplanung setzen dabei die Qualitäten der Kunststoffaufbereitung. Moderne Nahfeldinfrarot (NIR)-Sortieranlagen erreichen bei der Separierung von Kunststoffen Sortenreinhei- ten von 90–99 % [6]. Vor allem Polyethylen, welches für die Herstellung von einem Hauptteil der Verpackungen verwendet wird, ist eine Sortenreinheit von mehr als 98 % unter industriellen Bedingungen möglich. Der Restanteil besteht aus vielerlei Verunreinigungen. So sind vielfach Lebensmittelanhaftungen sowie falsch sortierte Kunststoffe vorhanden.
Die Literatur wählt grundsätzlich eine einfache Mischungsgleichung zur Abschätzung der erreichbaren mechanischen Eigenschaften, speziell bezogen auf die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung.[3] Bei Anwendung der Mischungsgleichung ist der Einfluss der Fremd -Kunststoffe sehr gering und hat entsprechend kaum Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften solange die Verunreinigungen im unteren einstelligen Prozentbereich liegen.
Aus werkstofftechnischer Sicht ist dies eine valide Hypothese für metallische Werk- stoffe, welche sich jedoch nicht auf die Polymere übertragen lässt. Die involvierte Polymerchemie in den Polymerwerkstoffen folgt komplexeren Mechanismen. Der Einfluss von Verunreinigungen auf Polymerkettenlänge, Molekülkettenzustand und Einfluss auf verarbeitungstechnische Parameter wie die Schmelzviskosität, muss in Betracht gezogen werden.
Die an der TU Hamburg-Harburg durchgeführten Untersuchungen umfassen drei unterschiedliche Polymere, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Acrylnitril-Bu- tadien-Styrol (ABS), welche häufig verwendete Polymere sind und 47 % der gesamten verarbeiteten Polymere im Jahr 2015 dar stellen.[1]
In der durchgeführten Versuchsreihe wurde einem sortenreinen Werkstoff ein geringer Störanteil hinzugefügt. Die anschließend in Bezug auf ihre qualitativen Eigenschaften untersuchten Werkstoffgemische stellen somit eine idealisierte Sortierung dar. Um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden zunächst nur Polymere untereinander vermischt und mechanische Prüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse der entsprechenden Zugproben sind in Bild 1 und 2 dargestellt.
Kunststoffe
Die hypothetische Anwendung einer Mischungsgleichung auf die Zugfestigkeit von diesen Polymergemischen ist gemäß den Ergebnissen nicht möglich. Wie in Bild 2 deutlich wird, wirkt sich bei ABS bereits ein geringer Anteil von PP stark auf die Bruch- dehnung sowie die Zugfestigkeit aus. ABS wird oftmals als Werkstoff für Gehäuse in elektronischen Geräten eingesetzt. Im Gegensatz hierzu ist die vorhandene Streckspan- nung bei der Zumischung von PP zu PE in den eng gesteckten Versuchsparametern nahezu unerheblich.
Zusätzlich zu der Verringerung der mechanischen Eigenschaften durch Störanteile, werden Polymere vom Aufschmelzprozess und den damit verbundenen hohen Tem- peraturen geschädigt. Auch hier ist die Minimierung der Schädigung eine wichtig fertigungstechnische Entwicklungsrichtung.
60 50 40 30 20 10
Zugfestigkeit MPa
ABS ABS + PE
(5 % PE) 0
ABS + PE (10 % PE)
Bruchdehnung
% 30 25 20 15 10 5 0 54,07
20,53 45,22
5,10 39,86
4,54 -16%
-75%
-26%
-78%
Zugfestigkeit (MPa) Bruchdehnung (%)
60 50 40 30 20 10
Zugfestigkeit MPa
ABS ABS + PP
(5 % PP)
0 ABS + PP
(10 % PP) Bruchdehnung
% 30 25 20 15 10 5 0 54,07
20,53 47,05
5,38 48,82
5,13 -13%
-74%
-10%
-75%
Zugfestigkeit (MPa) Bruchdehnung (%)
Bild 1:
Veränderung der mechanischen Eigenschaften von ABS mit Ein- mischung von PE (oben) und PP (unten)
520
Kunststoffe
Diese sogenannte Degradation der Polymere beschreibt in den meisten Fällen ein Aufbre- chen der Polymerketten und eine Änderung der Verbindung der Ketten zueinander.[4]
Die im Lebenszyklus des Produktes hinzukommende Alterung der Kunststoffe durch UV Licht, mechanische Beanspruchung oder chemischen Einflüssen bewirken weitere Qualitätsverluste und stellen relevante Herausforderungen für einen Wiedereinsatz dar.
3. Zusammenfassung
Der Einblick in die Qualitätsbewertung von erzeugten Rezyklaten zeigt, dass die allei- nige Fokussierung auf Recyclingquoten für den Wiedereinsatz von Recyclingkunstof- fen nicht zielführend sein kann. In Hinblick auf eine Erhöhung der Ersatzquote zur Schonung fossiler Rohstoffe, ist die Sicherstellung und Prüfung der Verwendbarkeit des hergestellten Recyclingwerkstoffes der ausschlaggebende Faktor. Der steigende ökonomische Aufwand einer Separierung gemischter und post-consumer Kunst- stoffabfallströme muss mit der Verwendbarkeit der Endprodukte einhergehen. Die Tatsache das weniger als 50 % der separat gesammelten Kunststoffe aus Verpackungen in Deutschland als Werkstoff weiter vertrieben werden, ist ein weiterer Hinweis auf eine steigendes ökonomisches Ungleichgewicht zwischen Recyclingwillen der politi- schen Akteure und der Anwendbarkeit der durch weitreichende Quotenregulierung geschaffenen Wertstoffströme.
60 50 40 30 20 10 Zugfestigkeit MPa
90 %
0 % 5 % 10 %
0
95 % 100 %
Gewichtsanteil ABS
Zugfestigkeit nach Mischungsglg. (MPa) Zugfestigkeit (MPa) Bruchdehnung nach Mischungsglg. (%) Bruchdehnung (%)
500
400
300
200
100
0 Bruchdehnung
%
Bild 2: Bruchdehnung und Zugfestigkeit von Kunststoffgemischen, durchzogene Linien be- zeichnen Messreihen, gestrichelte Linien: Hypothese nach linearer Mischungsgleichung
Quelle: Stumme, J.: Die Auswirkungen von Verunreinigungen auf die mechanischen Eigenschaften von recycelten Kunststoffen, 2015
Kunststoffe
Eine weitere Verschärfung der stoffunspezifischen Recyclingquoten steht in direktem Gegensatz zur Verwendbarkeit des Endmaterials und so auch einer Substituierung von neuen primären Kunststoffen durch rückgewonnene Recyclingwerkstoffe.
4. Literatur
[1] Consultic: Studie zu Produktion, Verarbeitung und Verwertung von Kunststoffen in Deutsch- land 2013. Veröffentlicht 2014
[2] Der Grüne Punkt: DKR Spezifikationen. Online verfügbar unter www.guener-punkt.de/de/
downloads.html
[3] Elias, H.-G.: Anwendungen von Polymeren. 6., vollst. überarb. Aufl. Weinheim: Wiley-VCH (Makromoleküle, / Hans-Georg Elias ; Bd. 4), 2003
[4] Lechner, M. D.; Gehrke, K.; Nordmeier, E. H.; Heering, R.: Makromolekulare Chemie. Ein Lehr- buch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker. 1 CD-ROM.
Basel: Birkhäuser, 2010
[5] Stumme, J.: Die Auswirkungen von Verunreinigungen auf die mechanischen Eigenschaften von recycelten Kunststoffen, 2015
[6] Trisorio, C.: Bewertungssystem für die werkstoffliche Recyclingfähigkeit der verschiedenen Fraktionen Kunststoffabfälle. Am Beispiel des öffentlich-rechtlichen Entsorgers der Hansestadt Hamburg. Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg, 2015
[7] Weitze, M.-D.; Berger, C.: Werkstoffe. Unsichtbar, aber unverzichtbar. Berlin, Heidelberg, s.l.:
Springer Berlin Heidelberg (Technik im Fokus), 2013. Online verfügbar unter http://dx.doi.
org/10.1007/978-3-642-29541-6
[8] Westphal & Kuchta: Sortieranalyse für die Stadt Norderstedt, 2012 (unveröffentlicht)
Dorfstraße 51
D-16816 Nietwerder-Neuruppin
Tel. +49.3391-45.45-0 • Fax +49.3391-45.45-10 E-Mail: tkverlag@vivis.de
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CO2 - Pool 0,03 Vol.-% in der
Atmosphäre
Photosynthese (Assimilation)
Atmung (tierisch)
Atmung (pflanzlich)
Autotrophe und heterotrophe
Lebewesen
tote organische Substanz
Bodenatmung Humus
Aerobe und anaerobe Bakterien
Photosynthese:
6 CO2 + 6 H2Oh•ν C6H12O6 + 6 O2 Atmung:
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 2.870 kJ/mol
atmendes System
Autor: Ulrike Stadtmüller ISBN: 978-3-935317-12-2
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky Erscheinung: 2004
Gebund. Ausgabe: 141 Seiten
Preis: 20.00 EUR
In den letzten zwanzig Jahren sind biologische Verfahren im Aufwind. Dies startete mit der Einführung der getrenn- ten Sammlung von Bioabfällen zu Beginn der zwanziger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts. Heute werden etwa sechzig Prozent der Küchen- und Gartenabfälle in Deutschland kompostiert - eine Erfolgsgeschichte. Derzeit stagniert diese Entwicklung zugunsten der Anaerobtechnologien, da diese auch solche Abfallarten erschließen, die aufgrund ihrer Konsistenz meist aerob nicht behandelt werden können sowie aufgrund der Situation auf dem Energiemarkt. Diese in Deutschland, den Niederlanden und Österreich vollzogene Entwicklung weitet sich derzeit europaweit aus, speziell auf den Süden.
Zu biologischen Prozessen in der Abfallwirtschaft gibt es unzählige Publikationen, eine Internetrecherche zeigt rund zwanzigtausend und dies ist sicher nur ein Teil. Doch eine Gesamtschau, ein Lehrbuch fehlt. Ansätze sind vorhanden:
Golouke, de Bertoldi, Diaz, das Müllhandbuch, aber die Zeit ist darüber hingegangen, sie blieben alle lückenhaft, unvollendet eben - Tempus edax rerum.
Um so höher ist der Verdienst der Autorin des vorliegenden Werkes, Ulrike Stadtmüller, einzuschätzen, die diese Lücke gefüllt hat. Sie hat die Zeit angehalten, wenn sicher auch nur für eine Sekunde in der Weltenzeit, um Kompos- tierung und Vergärung in ihrer Ganzheit darzustellen. Hier lässt sich aufbauen! Hier lässt sich erfahren, wo biologi- sche Verfahren einzusetzen sind und wo nicht, damit zukünftig ihre gezielte, sinnvolle Anwendung ihnen zur weiteren Verbreitung verhilft. Professor Dr.-Ing. habil. Werner Bidlingmaier
