Sortierung von schwarzen Kunststoffen nach ihrer Polymerklasse mit Hyperspectral-Imaging-Technologie

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Kunststoffe | Verbunde

Sortierung von schwarzen Kunststoffen nach ihrer Polymerklasse

mit Hyperspectral-Imaging-Technologie

Hendrik Beel

1. Grundlagen der Sensortechnik ...176

1.1. Funktionsaufbau ...176

1.2. Sensoren ...177

1.2.1. Induktive Sensoren ...177

1.2.2. 3D-Sensoren ...178

1.2.3. Farbsensoren ...178

1.2.4. NIR-Sensoren: Hyperspectral-Imaging Sensoren ...179

1.2.5. Röntgentransmission ...181

1.2.6. Röntgenfluoreszenz ...181

1.2.7. Kombination unterschiedlicher Sensoren ...182

2. Sensortechnik für Kunststoffsortierung ...182

2.1. Beispiel Verpackungsabfall ...182

2.2. Beispiel Elektro- und Elektronik-Altgeräte ...184

3. Innovationen ...185

3.1. Schwarze und dunkle Objekte ohne definiertes Spektrum – BlackScan-Technologie ...185

3.2. Active-Object-Control – UniSort Film ...187

3.3. Sortierung von schwarzen Kunststoffen mit Hyperspectral-Imaging-Technologie ...188

4. Zusammenfassung ...190

5. Quellen ...191 Die Materialklasse Kunststoff, in flexibler oder fester Form, ist nicht nur ein Segen für die Menschheit, sondern entwickelt sich zunehmend auch zu einem Umwelt- und Res- sourcenproblem. In den EU28-Staaten werden jährlich mehr als 26 Millionen-Tonnen pro Jahr produziert (50 kg pro EU-Bürger), davon jedoch lediglich etwa 30 Prozent recycelt (40 Prozent verbrannt und 30 Prozent deponiert) [10]. Dies verstößt nicht nur wegen der hohen Um weltbelastungen (24 Millionen Tonnen CO₂-Ausstoß jährlich)

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gegen geltende EU-Richtlinien (Abfall Rahmen Richtlinie 2008/98/EC3, Verpa- ckungsabfallrichtlinie 2004/12/EG4, Deponie-Richtlinie 1999/31/EC5) sondern stellt gleichfalls eine enorme Verschwendung von Ressour cen und Kapital dar (etwa 600 EUR pro Tonne je wiederhergestelltem Kunststoff; Verluste von über 10 Milliarden EUR pro Jahr in den EU28-Staaten).

Zur Entwicklung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft und Erreichung ehrgeiziger EU-Ziele, wie z.B. das Verbot der Deponierung von nicht bio-degradierbaren Kunststof- fen ode r das Erreichen einer 75-prozentigen Recyclingquote bei Kunststoffverpackun- gen bis 2030, ist die sensorgestützte Sortiertechnik eine unabdingbare Voraussetzung.

Der Maschinenbau in Deutschland ist für diese Herausforderung prinzipiell gut auf- gestellt. Es existieren für nahezu alle industriellen Abfallsortieraufgaben im Bereich Polymerwerkstoffe ausgereifte Lösungen, die zunehmend auch von den Akteuren in der Recyclingkette angenommen und eingesetzt werden. Allerdings ist die Sortierung von rußgeschwärzten Kunst stoffen hinsichtlich ihrer Polymerklassen bis heute eine he- rausfordernde Problemstellung, wenn das Schwimm-Sink-Verfahren nicht anwendbar ist. Die RTT Steinert GmbH hat sich dieser Aufgabenstellung seit geraumer Zeit gestellt und einen gefundenen Lösungsansatz bis zur industriellen Reife geführt.

Im vorliegenden Beitrag wird zunächst ein genereller Überblick zur Funktionsweise der in den Unternehmen Steinert Elektromagnetbau GmbH (Köln) und RTT Steinert GmbH (Zittau) industriell verfügbaren Sensortechnik für Kunststoffsortierung und Recycling gegeben. Mit dem Produktportfolio beider Firmen werden annähernd alle Anforderungen an industrieller Sortiertechnik für diese Bereiche abgedeckt. Der nach- folgende Abschnitt ist vertiefend der optischen Sensorik für das Kunststoffsortieren gewidmet und wird anhand zweier Fallbeispiele (Verpackungsabfall und Elektroschrott) erläutert. Diese Ausführungen orientieren sich im Wesentlichen an [8]. Darauf folgend werden die jüngsten Innovationen aus dem Hause RTT Steinert GmbH vorgestellt, die sich hinter den Akronymen BlackScan, Active-Object-Con trol und BlackEye verbergen.

Die jüngste Entwicklung, die BlackEye-Sensorik, basiert auf einer Technologiekombi- nation aus Mittel-Infrarot-Spektroskopie und Hyperspectral-Imaging. Damit kann eine generelle Kunststofferkennung und -sortierung hinsichtlich der Polymerklassen vorgenommen werden, die selbst rußgeschwärzte Objekte einschließt.

1. Grundlagen der Sensortechnik

Mit Sensor-Sortiersystemen lassen sich Materialien vollautomatisch sortieren. Unter Zuhilfenahme von speziellen Sensoren nutzen moderne sensorbasierte Sortiersysteme diverse Materialeigenschaften, um Materialströme in unterschiedliche Produktgruppen zu sortieren.

1.1. Funktionsaufbau

Im Wesentlichen besteht ein Sensor-Sortiersystem wie in Bild 1 dargestellt aus einem Vibrationsförderer zur Materialverteilung und -vereinzelung auf das nachgeschaltete Beschleunigungsband. Das Beschleunigungsband transportiert das Eingangsmaterial

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durch den Sensorbereich. Hier erfassen Sensoren diverse Materialeigenschaften. Je nach Auswertung der Sensorinformationen und vorgegebenen Sortiereinstellungen separieren Druckluftventile das Eingangsmaterial selektiv mittels präziser Druckluft- stöße in zwei Produktgruppen (Durchgangs- und Austragsprodukt).

Vibrationsförderer (optional)

Ventilleiste für den Materialaustrag

Scheitel Sensorbereich

Beschleunigungsband (2,8 m/s Standard-Geschw.)

Spülluft (etwa 1 bar) Druckluft

(bis zu 10 bar)

Bild 1: Funktionsaufbau eines sensorbasierten Sortiersystems

1.2. Sensoren

Unterschiedliche Sensoren stehen für unterschiedliche Anwendungen und Sortier- aufgaben sowie Materialunterscheidung zur Verfügung. Je nach Anwendung und Sortiervorgabe werden ein einzelner Sensor oder mehrere Sensoren gemeinsam für die Identifizierung von Materialeigenschaften in einem Sensor-Sortiersystem integriert.

1.2.1. Induktive Sensoren Ein Teil der metallischen Bestandteile wird nicht durch die herkömmlichen Verfah- ren der Magnetscheidung und Nichteisenmetallsortierung in einem Sortierprozess abgetrennt, z.B. Edelstähle und Verbundmaterialien. In solchen Fällen bietet sich der Einsatz eines Induktions-Sortiersystems (ISS) als logische Ergänzung eines Konzep- tes an [7]. Der Sensor besteht in diesem Fall aus einer Sensorleiste, die unterhalb des Beschleunigungsbandes quer zur Förderrichtung unmittelbar vor der Kopfrolle des ISS positioniert ist (Bild 2) und auf diese Weise den gesamten Materialstrom über die gesamte Arbeitsbreite der Maschine kontinuierlich analysiert. Die Metallbestandteile werden positionsgenau von der Sensorleiste erfasst und mittels nachfolgender Ven- tilleiste aussortiert.

Das Messkriterium der induktiven Sensoren ist vor allem die elektrische Leitfähigkeit der im Fördermaterial enthaltenen Materialien. Kleine Einzelsensoren in der Sensorleis- te erzeugen vordefinierte elektromagnetische Felder. Sich darin bewegende elektrische

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Leiter (das Fördergut) verändern diese Felder und werden als Feldveränderungen und Signalschwankungen in der Steuerung des Sortiersystems registriert. In Abhängigkeit der Signale und Sortiereinstellungen werden die entsprechend detektierten Materialien mit Hilfe der Ventilleiste separiert.

Bild 2: Anordnung Induktiver Sensor und Induktionsbild

Sensorbereich Ventilleiste Scheitel

1.2.2. 3D-Sensoren

Oftmals werden für die Klassifizierung von Materialien auch Informationen über Form und Struktur von Materialien herangezogen. Unter Zuhilfenahme der Laser-Triangu- lation lassen sich Form- und Strukturmerkmale der Materialien erfassen und auswerten.

In Bild 3 ist vereinfacht die Anordnung des Sensorsystems dargestellt. Basierend auf der Auswertung der Sensorinformationen durch die Steuerung und den vorgegebenen Sortiereinstellungen werden die unterschiedlichen Materialien nach Form- und Struk- turkriterien klassifiziert und anschließend mit Hilfe der Ventilleiste sortiert.

Bild 3: Anordnung 3D-Sensor und Beispiel 3D-Bild

1.2.3. Farbsensoren

Farbkameras ermöglichen die Sortierung nach farblichen Kriterien. In Bild 4 ist hierzu die Anordnung der Kamera dargestellt. Basierend auf der Auswertung der Sensor-

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informationen in der Steuerung und den vorgegebenen Sortiereinstellungen werden die unterschiedlichen Materialien nach Farbkriterien klassifiziert und anschließend mit Hilfe der Ventilleiste sortiert.

Bild 4: Anordnung Farbkamera und Farbbild

1.2.4. NIR-Sensoren: Hyperspectral-Imaging Sensoren Nahinfrarot Sensoren ermöglichen die Sortierung von Materialien, die im NIR-Spekt- rum unterschiedliche und einzigartige Charakteristiken aufweisen.

Eine Reihe von Systemen arbeitet nach dem Punkt-zu-Punkt Scanprinzip (whiskbroom scanning). Hierbei wird über mechanisch rotierende Bauteile (z.B. Spiegel) ein einzelner Scanpunkt über die Bandoberfläche hin und her bewegt. Da raus resultiert die örtliche optische Auflösung. In den gescannten Punkten wird zeitgleich ein Spektrum im NIR-Bereich ermittelt. Die spektrale Auflösung dieser Systeme ist aufgrund der begrenzten Anzahl von diskreten Punkte im Spektrum (Punkte, die für die Auswertung und Vergleiche der Spektren herangezogen werden) begrenzt.

Hoch entwickelte Sensorik nutzt die Hyperspectral-Imaging (HSI) Technologie. Bei dieser Technologie wird auf mechanisch bewegte Bauteile verzichtet (vgl. Bild 5 und 7) und darüber hinaus die gesamte Breite der Fördereinrichtung in einem Zug gescannt mit einer hochauflösenden Zeilenkamera.

Sensorbereich

1.600 200

1.400

1.200

150 100

50

0 Arb. Units 3749,25 2999,25 2249,25 1499,25

749,25

Ventilleiste Scheitel

Bild 5: Anordnung HSI Sensor und Spektrum

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Aus dem Einsatz der Zeilenkamera mit HSI Technologie resultiert einerseits eine hohe örtliche Auflösung, andererseits bildet die HSI Technologie zeitgleich zur Erfassung der Materialien ein sehr fein gerastertes und hochaufgelöstes Spektrum ab. Damit hat die Auswertung der Spektren der HSI Technologie einen sehr hohen Informationsgehalt für die Materialeigenschaften der gescannten Objekte (vgl. Bild 5 und 6). Mit der HSI Technologie werden je Sekunde mehrere Millionen Messinformationen zu den gescannten Materialien ausgewertet und für die Sortierung zur Verfügung gestellt.

Bild 6: Spektrale Intensität (rechts, erste Ableitung) verschiedener Kunststoffgruppen

Das NIR-Modul besteht aus drei Basiselementen (vgl. Bild 7). Das Herzstück ist das Sensormodul, das über dem Beschleunigungsband angeordnet ist. In den beiden Sei- tenteilen, die auch als Träger der Sensoreinheit dienen, ist die Steuerungselektronik untergebracht. In einem der Seitenteile befindet sich das Bedienpanel mit Touch Screen, Stromversorgung und Steuerung der Düsenleiste, sowie Schnittstellen für die überge- ordnete Steuerung und Fernwartung. In dem zweiten Seitenteil, der gegenüberliegenden Seite, ist das Klimagerät untergebracht. Der mittlere Teil ist nutzbreitenabhängig und enthält die Sensorik, deren Stromversorgung und Beleuchtung.

Wellenlänge Intensität

NIR Kameratechnologie – Hyper Spectral Imaging HSI

Klimatisierung

Sensor Technologie Bedienung

und Display

Bild 7:

Aufbau des HSI Scanmoduls Basierend auf den Sortiervorgaben und der Informationen des HSI Sensors wird das Eingangsmaterial mittels der Ventilleiste in unterschiedliche Produkte sortiert.

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1.2.5. Röntgentransmission Unter Zuhilfenahme eines Röntgenscanners für Röntgentransmission werden Mate- rialien anhand von Dichteunterschieden klassifiziert und sortiert. Hierbei werden die Materialien im Sensorbereich von Röntgenstrahlung durchdrungen.

Der Absorptionsgrad der Röntgenstrahlung hängt sowohl von der Materialdichte als auch von der Dicke der einzelnen Teile ab. Je größer die Atommasse und je dicker das Teil, umso mehr Röntgenstrahlung wird absorbiert. Um die Einflüsse der Materialdicke zu kompensieren, wird das zu sortierenden Material bei zwei unterschiedlichen Inten- sitätsstufen mittels des Dual-Energy-Verfahren analysiert. Auf diese Weise wird in der Software die materialspezifische Absorption der einzelnen Teile ermitteln.

Bild 8 zeigt schematisch die unterhalb des Materialstromes angeordnete Röntgenquelle und den oberhalb des Materialstromes angeordneten Scannerbereich zur Registrierung der Reststrahlung nach der Durchdringung des Fördermaterials.

Bild 8: Anordnung XSS-T Sensor und Röntgenbild

Basierend auf den Sortiervorgaben in der Steuerung und den Informationen des Röntgen Scanners wird das Eingangsmaterial mittels der Ventilleiste in zwei Produkte sortiert.

1.2.6. Röntgenfluoreszenz Mittels Röntgenfluoreszenz-Sensoren werden Materialien auf Basis Ihrer atomaren Zusammensetzung klassifiziert und sortiert. Sowohl die Röntgenquelle als auch die Sensoren sind bei der Röntgenfluoreszenz-Technologie oberhalb des zu untersuchenden Materialstromes angeordnet (vgl. Bild 9).

Der zu untersuchende Materialstrom durchläuft ein niederenergetisches Röntgenfeld.

Hierbei werden die im Material enthaltenen chemischen Elemente dazu angeregt, eine elementspezifische Energie zu emittieren (Schalensprünge der Elektronen). Diese freige- setzte Strahlung wird von den Sensoren erfasst und mit Hilfe der Auswertungssoftware in Form von Energiespektren für die Sortierung zur Verfügung gestellt. In Abhängigkeit der Materialklassifizierung und Sortiervorgabe werden die Materialien mit Hilfe der Ventilleiste in die entsprechenden Produktgruppen sortiert.

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1.2.7. Kombination unterschiedlicher Sensoren

Sämtliche vorbenannten Sensoren lassen sich im Hinblick auf die Anwendung und Sortieraufgabe miteinander kombinieren, so dass unterschiedliche Materialinforma- tionen zeitgleich für ein und dasselbe Objekt und die vorgegebene Sortieraufgabe zur Verfügung stehen. In Fachkreise wird diese Vorgehensweise als Sensorfusion bezeichnet.

In vielen Anwendungen reichen einfache Informationen für die zu sortierenden Mate- rialien nicht mehr aus und erst die Kombination von Materialinformationen ermögli- chen eine exakte Klassifikation der Teile und anschließende Sortierung. Beispielsweise werden für die Sortierung von Kupferkabeln aus einem Elektronikschrottgemisch neben der Information für die Induktion (Kupfer) auch die Information für die Form und Struktur (kabelförmig) herangezogen. Auch in der Kunststoffsortierung werden zur Sortierung von klaren PET Flaschen aus einem Kunststoffmix neben der Information für die Kunststoffsorte (PET) auch die Information der Farbe (klar) benötigt.

2. Sensortechnik für Kunststoffsortierung 2.1. Beispiel Verpackungsabfall

Die im vorbenannten Kapitel beschriebenen Sensoren und Sensor-Sortiersysteme lassen sich für unterschiedliche Sortieraufgaben in den Anwendungsbereichen Bergbau, Schrott, Abfall und Recycling und hier im speziellen auch für die Kunststoffsortierung einsetzen.

Wie eingangs erwähnt, kommen Sensor-Sortiersysteme vor allem nach einer Voraufbe- reitung des Eingangsmaterials zum Einsatz. Je nach Aufgabenstellung und Sortieraufga- be werden an die Voraufbereitung der Materialien einfache oder komplexere Ansprüche im Sinne der Zerkleinerung, Klassierung, Magnetscheidung und Voranreicherung usw.

gestellt. Vereinfacht ist in der nachfolgenden Bild 10 ein Konzept für die Erfassung von Kunststoffen aus einem Abfallgemisch (hier z.B. Verpackungsabfall) dargestellt.

Bild 9: Anordnung XSS-F Sensor und Energiespektrum

Kupfer K β 07

1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 gezählt

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 keV

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Silber K β Silber K α

Kupfer K α

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Insbesondere werden für die Sortierung der im Material enthaltenen Wertstoffe neben Überbandmagneten und Wirbelstromabscheidern zur Erfassung der FE- und NE- Metalle für die Kunststoffsortierung im speziellen sensorbasierte Sortiersysteme mit NIR- bzw. Hyperspectral-Imaging (HSI) Technologie eingesetzt. Mittels dieser Systeme werden z.B. Kunststoffe der Typen PET, PP, PS und PE sowie Mischkunststoffe erfasst und in separate Produktfraktionen sortiert. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass selbstverständlich auch Nichtkunststoffe wie beispielsweise Papier, Pappe und Kartonagen (PPK) in solchen Konzepten mittels der HSI Technologie als separate Produkte erkannt und sortiert werden.

Bild 10: Vereinfachte Darstellung Abfallaufbereitung (hier Verpackungsabfall)

Diese Zwischenprodukte oder vielmehr Vorprodukte für die weiterverarbeitende Aufbereitungsindustrie (z.B. Kunststoffe) bestehen aufgrund von Anhaftungen und Verschmutzung, Aufklebern und Banderolen, Verbunden mit anderen Materialien und Restbefüllungen usw. nicht zu hundert Prozent aus dem entsprechenden Material der jeweiligen Produktgruppe.

In der weiterverarbeitenden Aufbereitungsindustrie für Kunststoffe werden diese Zwi- schenprodukte erneut unterschiedlichen Aufbereitungsprozessen zugeführt. In diesen Prozessen finden sich wiederum neben unterschiedlichen Voraufbereitungsschritten (Zerkleinerung, Vorkonditionierung, ggf. Magnetscheidung, Waschung usw.) in der Regel sensorbasierte Sortiersysteme wieder für die Erfassung von Störstoffen und artfremden Kunststoffen aus den jeweiligen Kunststoffgruppen.

In vielen Fällen werden hier neben den oben beschriebenen NIR basierten Sortiersys- temen auch Induktions-Sortiersysteme (ISS) für die Erfassung von Restmetallen und

Eingangsmaterial

Zerkleinerung/Vorkonditionierung

Voraufbereitung/Siebung und Klassierung, Windsichtung, Ballistische Sichtung, usw.

Überbandmagnetscheider und Wirbelstromabscheider Sensorbasierte Sortierung 1. Stufe

Sensorbasierte Sortierung 2. Stufe ggf. Nachreinigung/manuelle Handsortierung

Fe NFe Tetra Folien PPK PET PP PS PE Mischkunststoffe Reste

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Metall-Kunststoff-Verbunden eingesetzt, um einerseits die Qualität der Kunststoffpro- dukte zu verbessern und andererseits die nachfolgenden Anlagenkomponenten vor er- höhtem Verschleiß oder gar Beschädigungen durch metallische Fremdstoffe zu schützen.

Je nach Anwendung und Aufgabenstellung werden in diesem Industriezweig auch Farb- Sortiersysteme in die Konzepte integriert, um die unterschiedlichen Kunststoffsorten nach Farbkriterien in helle oder dunkle Produkte oder sortenreine Farbfraktionen zu trennen.

Neben den Maschinen für die Sortierung der grobstückigen Materialien werden in der weiterverarbeitenden Aufbereitungsindustrie für Kunststoffe auch Flake-Sortier systeme (Systeme für feinstückiges Sortiergut) eingesetzt. Diese Flake-Sortiersys teme sind sowohl in der Materialdosierung, Förderung, Materialberuhigung als auch Detektion der Materialien sowie Austragsvorrichtung (Ventilleiste) auf die speziellen Anforderungen der Materialien ausgerichtet.

2.2. Beispiel Elektro- und Elektronik-Altgeräte

Kunststoffe fallen in nennenswerten Mengen auch im Zuge des Recyclings von Elektro- und Elektronik-Altgeräten (E-Schrott) an. In Bild 11 ist ein vereinfachtes Konzept für die Aufbereitung von E-Schrott dargestellt. Auch hier ist in der Voraufbereitung vor der Sensortechnik eine Zerkleinerung und Klassierung vorgesehen. Die in den Elekt- ro- und Elektronikprodukten enthaltenen und miteinander mechanisch verbundenen Wertstoffe werden zunächst vereinzelt und voneinander gelöst bevor der eigentliche Sortierprozess erfolgt.

Unförmige Objekte, Kupferballen

Feinteile Fe PCBA Fe-Verbunde Nicht-Fe

Staub Fe Nicht-Fe

Metall- gemisch

Schwarze Kunststoffe

ABS PS Kunststoff- restgemisch ICW.Kabel

IC.Chips

Flamm- hemmer keine Flamm-

hemmer

S-Magnet-

band S-KSS S-Magnet-

trommel S-ESS

S-Magnet-

band S-KSS S-Magnet-

trommel S-ECS

S-KSS S-KSS

S-XSS T S-Magnet-

trommel S-ECS 4T S-ISS-

Fein

Rest

UniSort- NIR S-KSS WEEE

Eingang Zerkleine- rungsschritt Hand-

sortierung Größen- trennung

Größen- trennung

fein

grob mittel

Wahlweise Sortierung von ICW, Kabeln, IC.Chips

Wahlweise Sortierung von Flammhemmern

Metallgemisch

UniSort- NIR UniSort-

NIR UniSort-

NIR

Bild 11: Vereinfachte Darstellung Abfallaufbereitung (hier E-Schrott)

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In Ergänzung zu der im vorangegangenen Kapitel erläuterten Sensortechnik für die Sortierung von Kunststoffen aus Verpackungsabfall verfolgen diese Konzepte in der Regel neben der Sortierung von Leiterplatten und FE- sowie NE-Metallen die Sortie- rung von Metallkonzentrat und Kunststoffkonzentrat.

Die Leiterplatten werden beispielsweise mit Kombinations-Sortiersystemen (KSS) aus dem Materialstrom sortiert. Metall- und Kunststoffkonzentrate werden wahlweise mit Induktions-Sortiersystemen (ISS) oder Kombinations-Sortiersystemen (KSS) sortiert.

Für das Kunststoffprodukt, bestehend zu Teilen aus schwarzen, weißen und farbigen Kunststoffen sowie diversen Kunststoffsorten, bietet sich eine weiterführende NIR basierte Sortierung mit Hyperspectral-Imaging (HSI) Technik an zur Sortierung des Gemisches in z.B. die Fraktionen schwarze Kunststoffe, ABS, PS usw.

Eine Lösung für die Sortierung der Kunststoffe in Produkte mit und ohne Flammhem- mer ist mit der Röntgen-Transmissionstechnik (XSS T) gegeben. Unter Zuhilfenahme der Röntgentechnik und in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Kunststoffe werden hier Produkte mit und ohne Flammhemmerzusätze sortiert.

3. Innovationen

In der Recyclingindustrie werden hohe Ansprüche an die Sortiertechnik gestellt. Ne- ben stetig wachsenden Anlagekapazitäten und wachsenden Durchsätzen, steigen die Vorgaben für die Sortierperformance. Diese Aspekte haben sowohl Auswirkungen auf die Sensortechnik als auch Auswirkungen auf die Sortierfunktionen der Maschinen an sich. Darüber hinaus wächst bei Betreibern von Aufbereitungsanlagen der Bedarf an besseren Recyclingraten und gleichzeitiger Reduzierung der Menge an Restabfällen nach den Aufbereitungsprozessen.

Die Potentiale der Sensortechnik im Hinblick auf das Recycling oder vielmehr die Erfassung der unterschiedlichsten Kunststoffe aus unterschiedlichen Materialströmen ist bis dato noch nicht ausgeschöpft.

Die in dem folgenden Kapitel beschriebenen Lösungen zur Sensortechnik für Kunst- sortierung geben einen Ausblick auf die Neuerungen und neuen Entwicklungen für die Recyclingindustrie.

3.1. Schwarze und dunkle Objekte ohne definiertes Spektrum – BlackScan-Technologie

In vielen Aufbereitungsanlagen verbleiben insbesondere schwarze und dunkle Objekte ohne definiertes Spektrum sowie stark verschmutzte Kunststoffe in der Restfraktion und werden damit in der Regel nicht in den Rohstoffkreislauf zurückgeführt. Vielmehr werden diese Wertstoffe durch den Verbleib in den Sortierresten einer Deponierung oder thermischen Verwertung zugeführt. Beide Wege verursachen bei den Aufbereitern Kosten durch Logistik und Entsorgungsgebühren.

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Die BlackScan Technologie von RTT Steinert bietet hier die Möglichkeit eben solche Objekte aus einem Materialstrom zusätzliche zu erfassen und als Produkt der kunst- stoffaufbereitenden Industrie zu zu führen. Anwendung findet diese Technologie bspw.

als Nachrüstung in Be standsanlagen in den Linien der Sortierreste (vgl. Bild 12) oder gar vorab in einem Sortierkonzept mit den üblichen Sortiersystemen.

Bild 12:

Anwendungsbeispiel UniSort BlackScan: Sortierreste

Der Unterschied zu anderen NIR-Sortiersystemen liegt vor allem in der Hyperspec tral- Imaging Technologie (HSI). Diese Technologie bietet aufgrund der hohen örtlichen als auch hohen spektralen Auflösung die Möglichkeit, auch schwarze und dunkle Objekte ohne definiertes Spektrum zu erfassen und somit auszusortieren.

Übertragen auf eine beispielhafte Anwendung im Verpackungsabfall bedeutet das reduzierte Entsorgungskosten durch reduzierte Restmengen und parallel dazu einen Vorteil durch ein zusätzlich vermarktbares Produkt. Einen Eindruck für das in Rede stehende Produkt gibt Bild 13.

Bild 13: Produktbeispiel

Eine zusätzliche Option der Techno- logie besteht darin, ergänzend zu den schwarzen und dunklen Objekten ohne definiertes NIR-Spektrum, zusätzlich in dieses Produkt auch ein oder mehrerer Kunststoffsorten mit detektierbarem und spezifizierbarem Spektrum zu sortieren, die in vorangegangenen Aufbereitungs- schritten nicht erfasst wurden.

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3.2. Active-Object-Control – UniSort Film

Mit der UniSort-Film Sortiermaschine ist es gelungen, das Active-Object-Control- System (AOC), welches ursprünglich für die Baureihe der Flakesortierer entwickelt wurde, auch für größere Korngrößen nutzbar zu machen. AOC ist ein Stabilisierungs- system, welches nicht nur über dem Beschleunigungsband wirkt, sondern auch eine aktive Kontrolle des Sortiergutes in der Abwurfparabel des Sensor-Sortiersystems ermöglicht. Auf diese Weise können unerwünschte Bewegungen der Objekte rela- tiv zur Förderrichtung und zur Fördergeschwindigkeit auf ein Minimum reduziert werden. Durch den Einsatz der AOC Technologie wird damit eine deutlich präzisere Sortierung ermöglicht.

Die Technologie ist im Anwendungsbereich der Sensortechnik mit sehr leichten und flächigen Materialien (z.B. Kunststofffolien) vorgesehen. Insbesondere Folien sind aufgrund ihres geringen Gewichtes und hoher Flächenbelegung nur mit Einschrän- kungen und deutlich reduzierter Bandgeschwindigkeit auf Standard-Sortier ma schine zu sortieren. Das AOC System wird bei der Sortiermaschine mit der Bezeichnung UniSort Film eingesetzt und ermöglicht deutlich höhere Bandgeschwindigkeiten bei gleichzeitig erhöhter Objektkontrolle. Auf diese Weise lassen sich leicht flugfähige Objekte, wie bspw. Folien, mit einer hohen SortierGenauigkeit sortieren.

In Bild 14 ist schematisch die AOC Technologie der UniSort Film dargestellt. Im Unterschied zu Standard-Beschleunigungsbändern wird bei dieser Anwendung das Material mittels eines kontinuierlichen Luftstroms auf dem Fördergurt in Anlehnung an die Fördergeschwindigkeit beruhigt. Das Material verbleibt in einer stabilen Posi- tion auf dem Beschleunigungsband und wird somit in einer präzisen Bahn durch den Detektionsbereich des Sensor-Sortiersystems bis hin zur Austragsvorrichtung gefördert.

Bild 14: Darstellung Active Object Control (AOC) – UniSort Film

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Wie oben beschrieben, findet die in Rede stehende Technologie in ähnlicher Weise auch in der Flake- und Mahlgutsortierung ihren Einsatz. Insbesondere bei der Sortierung von feinstückigen Materialien werden im Hinblick auf die Materialberuhigung sowie präzise Führung des Materials in der Detektions-, Austrags- und Sortierebene hohe Ansprüche gestellt. In diesem Fall bietet die Active-Object-Control (AOC) ebenfalls eine Lösung, um die Materialien bereits bei der Förderung auf dem speziell struktu- rierten Förderband des Flake-Sortierers zu beruhigen, sowie in einer kontrollierten Transport-, Detektions- und Flugbahn auszurichten. Auch hier liegt der besondere Vorteil der Technologie darin, dass die Materialien in einer stabilen Bahn auf einem Fördergurt zwischen Detektion und Sortierebene transportiert werden und weder durch Trudeleffekte noch durch Bremseffekte der Umgebungsluft, noch durch Anstoß mit angrenzenden Materialien ihre Lage unerwünscht verändern. Damit kann wird gegenüber Systemen ohne diese Technologie eine deutlich präzisere Sortierung der Materialien ermöglicht.

3.3. Sortierung von schwarzen Kunststoffen mit Hyperspectral-Imaging-Technologie

Die Sortierung schwarzer Kunststoffe nach Polymerklassen, wobei die Schwärzung des Kunststoffes durch Ruß- bzw. Graphiteinlagerungen in der Polymermatrix erfolgte (sogenanntes Carbon-Black), ist eine Problemstellung optischer Sortiertechnologien seit über zwei Dekaden [3, 6, 14]. Ruß kann auf Grund seiner molekularen Struktur im gesamten Wellenlängenbereich von UV (Ultra-Violett, ab 0.2 µm) bis IR (Infrarot, bis 15 µm) absorbieren. Dies bedeutet, dass die Eindringtiefe der Photonen im gesamten Wellenlängenbereich wegen der hohen Absorption des Rußes sehr gering ist. Lassen sich die Kunststoffe nicht mit dem Schwimm-Sink-Verfahren separieren, kommen nach dem Stand der Technik neben der Mittel-Infrarot-Spektroskopie (MIRS) [4, 9] die elektrostatischen Separationstechnik [5], die Laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie (LIBS) [2, 12] und die Terahertz-Sensorik [1] als Alternativen in Frage. Die Probleme, die mit der elektrostatischen Separation und mit LIBS in Verbindung stehen, sind be- kannt und sollen an dieser Stelle nicht weiter vertieft werden. Das Terahertz-Imaging befindet sich derzeit im Stadion der Grundlagenforschung.

Die Firma LLA Instruments GmbH (Berlin) erklärt anhand von Machbarkeitsstudien [11, 13], dass sich schwarze Kunststoffe auch mit Hilfe der Nah-Infrarot-Spek troskopie (NIRS) identifizieren lassen. Bei gebrauchten Elektronikkunststoffen wurde allerdings eine Erkennungsquote von lediglich sechsig Prozent erzielt. Die notwendigen Mess- zeiten lagen gleichfalls jenseits jeglicher industrieller Anforderungen für einen Online- Betrieb. Die LLA Experimente wurden im RTT eigenen Technikum unter annähernd gleichen Bedin gun gen wiederholt und die unbefriedigenden Ergebnisse tendenziell bestätigt. Mit Verfestigung der Erkenntnis, dass NIRS als Analysemethode für die Aufgabenstellung Online-Sorting of Carbon-Black nicht praktikabel ist, legte RTT eine eigene Machbarkeitsstudie für den Spektralbereich des MIRs auf. Für diese Aufgabe wurde eine spezielle MIR-Hyperspektral-Kamera entworfen und weiterentwickelt, die letztlich mit einer Messzeit von lediglich 10 ms je Hyperspektralbild Kunststoffe bis zu

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einem Graphitgehalt von einem Prozent sicher zu identifizieren gestattet. Als Produkt entstand daraus eine industrielle Kunststoffsortiermaschine mit der Kennzeichnung UniSort BlackEye (Bild 15).

Bild 15: Darstellung UniSort BlackEye

Die Sortiermaschine trennt Kunststoff-Flakes nicht nach ihrer Farbe, sondern nach ihrer Polymerklasse. Daher kann die UniSort BlackEye neben schwarzen Kunststoffen, Kunststoffe aller Farben sortenrein trennen. Zur Demonstration wird nachfolgend ein typischer Sortierversuch mit einem Mix aus sowohl farblich als auch organisch unterschiedlichen Kunststoffabfällen beschrieben.

Im exemplarischen Versuch werden aus einem Kunststoffgemisch (Bild 16) mit einer Korngröße von 10 bis 30 mm die stofflich verwertbaren PE- und PP-Frakti- onen sowie eine zu entsorgende Rest- bzw.

Störstoff-Fraktion sortiert.

Bild 16: Eingabematerial als Abfallmix

Schritt I

PE und anderes PP anderes PE

Schritt II

Bild 17:

Zweistufiger Sortierprozess Tabelle 1: Prozentuale Zusammensetzung des

Eingabematerials

Material Anteil % PP 65 PE 30 anderes 5

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Der Sortierprozess wurde in zwei Schritten durchgeführt. Der erste Schritt sollte eine PP-Fraktion generieren, während der zweite Schritt die PE-Fraktion zu erzeugen hatte (Bild 17).

Input

33,2 kg/100 %

21,0 kg/63,3 % 12,2 kg/36,7 %

4,7 kg/14,1 % 7,5 kg/22,6 %

PP PE + andere

andere PE

Die Nachanalyse der erzeugten PP- und PE-Fraktionen entsprechend Bild 18 er- gab eine Sortenreinheit von jeweils über 95 Prozent bei einem Durchsatz von 650 kg/h. Diese Werte liegen weit über den üblichen Akzeptanzvorgaben der Akteure in der Recyclingkette.

Bild 18: Sortierverteilung entsprechend des Zweischritt-Sortierprozesses

4. Zusammenfassung

Die Materialklasse Kunststoff, in flexibler oder fester Form, stellt zunehmend ein Umwelt- und Ressourcenproblem dar. Zur Entwicklung einer nachhaltigen Kreislauf- wirtschaft im Polymersektor ist die sensorgestützte Sortiertechnik eine unabdingbare Voraussetzung. Es existieren für nahezu alle industriellen Sortieraufgaben im Bereich Polymerwerkstoffe ausgereifte Lösungen, die zunehmend auch von den Akteuren in der Recyclingkette angenommen und eingesetzt werden. Allerdings stellte die Sortierung von rußgeschwärzten Kunst stoffen hinsichtlich ihrer Polymerklassen eine herausfor- dernde Problemstellung dar, wenn das Schwimm-Sink-Verfahren nicht anwendbar ist. Die RTT Steinert GmbH hat sich dieser Aufgabenstellung seit geraumer Zeit gewidmet und einen gefundenen Lösungsansatz bis zur industriellen Reife geführt. Mit der Entwicklung der BlackEye-Sensorik, die aus einer Technologiekombi nation aus Mittel-Infrarot-Spektroskopie und Hyperspectral-Imaging besteht, kann eine generelle Kunststofferkennung und -sortierung hinsichtlich der Polymerklassen vorgenommen werden, die selbst rußgeschwärzte Objekte einschließt. Die Performance einer darauf basierten Sortiermaschine vom Typ UniSort BlackEye ist exemplarisch anhand eines Sortierversuches für einen typischen Kunststoffmix demonstriert worden. Die erreich- ten Erkennungsquoten und Sortenreinheiten von über 95 Prozent liegen weit über den üblichen Akzeptanzvorgaben der Akteure in der Recyclingkette.

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5. Quellen

[1] Brandt, C. et al.: Sorting of black plastics using statistical pattern recognition on terahertz fre- quency domain data. Proc. 7th Sensor-Based Sorting & Control 2016, February 23-24, 2016, Aachen, GERMANY, ISBN 978-3-8440-4323-5, pp 51-60

[2] Cremers, D.A.; Radziemski, L. J.: Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Second Edition. John Wiley & Sons, 2013, ISBN: 978-1-119971-12-2

[3] Haferkamp, H.; Burmester, I.: Automatic Plastic Identification for the Recycling Process. Proc.

CARE INNOVATION ‘98, November 16-19, 1998, Vienna, AUSTRIA, pp 181- 187

[4] Hyvärinen, T. et al.: Hyperspectral Imaging in MWIR and On-line. Photonex 2012, October 17-18, 2012, Coventry, UK

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[12] Sattmann, R. et al.: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for Polymer Identification. Applied Spectroscopy 52(1998)3, pp. 456-461

[13] Stollberg, C. et al.: Conditioning, Identification and Automatic Sorting of Plastic Automative Parts for Productive Recycling. Proc. Automobil Recycling Congress, Geneva, March 2002 [14] Zachmann, G.: A rapid and dependable identification system for black polymeric materials. J.

of Molecular Structure 348 (1995), S. 453-456

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Recycling und Rohstoffe, Band 4 (2011) ISBN: 978-3-935317-67-2 30,00 EUR Recycling und Rohstoffe, Band 5 (2012) ISBN: 978-3-935317-81-8 50,00 EUR Recycling und Rohstoffe, Band 6 (2013) ISBN: 978-3-935317-97-9 50,00 EUR CD Recycling und Rohstoffe, Band 1 und 2 (2008/09) ISBN: 978-3-935317-51-1 30,00 EUR Recycling und Rohstoffe, Band 3 (2010) ISBN: 978-3-935317-50-4 30,00 EUR Recycling und Rohstoffe, Band 2 (2009) ISBN: 978-3-935317-40-5 30,00 EUR

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Daniel Goldmann (Hrsg.):

Recycling und Rohstoffe – Band 10

ISBN 978-3-944310-34-3 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2017

Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.

Erfassung und Layout: Claudia Naumann-Deppe, Janin Burbott-Seidel, Anne Kuhlo, Sandra Peters, Ginette Teske, Gabi Spiegel, Cordula Müller

Druck: Universal Medien GmbH, München

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