Recyclingtechnik: Fachbuch fur Lehre und Praxis

Recyclingtechnik

Hans Martens

Recyclingtechnik Fachbuch für Lehre und Praxis

Prof. (em.) Dr.-Ing. Hans Martens Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) E-Mail: [email protected]

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Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Planung und Lektorat: Dr. Ulrich G. Moltmann, Sabine Bartels Redaktion: Regine Zimmerschied Herstellung und Satz: Crest Premedia Solutions (P) Ltd, Pune, Maharashtra, India Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu-Ulm Titelbild: Fotos: © shocky, Fotolia.com, Grafik: © Spieß ISBN 978-3-8274-2640-6

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Vorwort Unter Recycling verstehen wir heute alle gesellschaftlichen Aktivitäten, die folgenden Zielen dienen: 5 Wiederverwendung oder Weiterverwendung bereits benutzter Produkte oder Materialien nach Ablauf ihrer Nutzungszeit (Produktrecycling), 5 Verwertung von Materialien/Stoffen/Produktionsabfällen (Stoffrecycling). Die Verwendung des Wortes »Recycling« ist relativ neu, aber das Prinzip der Wiederverwendung und Verwertung von bereits genutzten Produkten oder Stoffen (Abfällen) ist eine Jahrtausende alte Handlungsweise der Menschen. Das wird in der Menschheitsgeschichte besonders deutlich seit der Nutzung von Metallen. Die Metalle und Metalllegierungen erleiden in ihrer Nutzungszeit einen oft sehr geringen Wertverlust, d. h., die Aufwendungen an Rohstoffen, Arbeitskraft, Kapital, Energie und Hilfsstoffen für den Bergbau und die Metallherstellung bleiben weitgehend erhalten. Die Verwertung ist mit geringem zusätzlichen Aufwand durch Umformen oder Umschmelzen möglich. Das gilt in besonderem Maß für die Edelmetalle (Gold, Silber), aber auch für Eisen und die Nichteisenmetalle (Kupfer, Blei, Zinn) sowie deren Legierungen (Bronze, Messing). Diese Wertbeständigkeit der Metalle begründete letztlich ihre Verwendbarkeit als Tauschwert (Bronzestücke, Edelmetallmünzen). Aber auch ganz andere Materialien wie Flüssigkeiten (Öle, Beizen usw.) sind nach Aufarbeitung weiter verwendbar. Beschriebene Pergamente wurden im Mittelalter z. B. als Bucheinband erneut genutzt und stellen heute wertvolle historische Dokumente dar. Schließlich ist auch die Nutzung von Altpapier seit Erfindung des Papiers üblich. Eine lange Tradition hat auch die Verwertung von Altglas durch Umschmelzen. Die Mehrfachnutzung von Holz, Textilien und Wasser in Haushalten und Industrie ist ebenfalls weit verbreitet. In Zeiten der Rohstoffknappheit oder wirtschaftlicher Krisen wurde Recycling oft als bedeutende gesellschaftspolitische Maßnahme installiert. Das betraf das Sammeln von Edelmetallschmuck im Ersten Weltkrieg oder das Einschmelzen von Bronzedenkmälern und Glocken im Zweiten Weltkrieg. Im Rahmen der weltweiten Umweltdiskussion der vergangenen Jahrzehnte hat das Recycling aber eine deutlich erweiterte Bedeutung als Umweltschutzmaßnahme gewonnen. Durch diese »Verwertung von Abfällen« wird z. B. die Deponierung von Müll reduziert und der Schadstoffeintrag von festen Stoffen, Flüssigkeiten und Gasen in den Boden, in Flüsse und Grundwasser sowie in die Atmosphäre verringert. Außerdem entsteht durch das Recycling häufig eine erhebliche Einsparung von Energie gegenüber der Primärproduktion und es liefert damit einen äußerst wünschenswerten Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen und damit der globalen Erwärmung. Dieser dreifachen Bedeutung des Recyclings (Ressourcenschonung durch Verwertung, Reduzierung des Schadstoffeintrages, Einsparung von Energie) wurde durch das Kreislaufwirtschafts-Abfallgesetz 1994 eine rechtliche Grundlage gegeben [1] und durch die novellierte »Abfallrahmenrichtlinie« der EU 2008 gestärkt [2]. Die Umsetzung dieser Richtlinie in ein neues Kreislaufwirtschaftsgesetz befindet sich in Bearbeitung (geplante Verabschiedung 2010) [232]. Parallel dazu entwickelte sich in der Bevölkerung der meisten Industrieländer ein bemerkenswertes Umweltbewusstsein mit deutlichem Schwerpunkt zur Abfallsammlung, Abfallsortierung und Abfallverwertung. Der Abfallverwertung sind allerdings wesentliche wirtschaftliche, ökologische und auch technische Grenzen gesetzt.

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Vorwort

Zu den Recyclingproblemen ist ein umfangreiches Schrifttum entstanden, von Zeitungen über technische, ökologische und wirtschaftliche Fachzeitschriften bis zu ergänzungsfähigen Loseblattsammlungen und Fachbüchern. Darin sind aber vorwiegend nur spezielle Stoffgebiete und Verfahren behandelt und die Fachbücher sind häufig als eine wenig homogene Zusammenstellung von Spezialkapiteln verschiedener Autoren herausgebracht. Bei meiner Lehrtätigkeit an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH) in den Jahren 1994 bis 2000 machte sich aber besonders bei einem auf Selbststudium orientierten Aufbaustudium das Fehlen einer Monografie zu den Grundlagen des Werkstoffrecyclings bemerkbar. Deshalb habe ich für diese Aufbaustudenten entsprechendes Studienmaterial erarbeitet, das in ergänzter Form mit diesem Buch vorgelegt wird. Das Fachbuch Recyclingtechnik behandelt das Stoffrecycling mit dem Schwerpunkt Werkstoffrecycling. Es konzentriert sich auf die Recyclingtechnologien mit ihren verfahrenstechnischen Grundlagen und ergänzt diese im erforderlichen Maße durch wirtschaftliche, ökologische und abfallrechtliche Anmerkungen. Dadurch wird die Komplexität der Aufgaben erkennbar und eine relative Bewertung spezieller alter und neuer Recyclingforderungen ermöglicht. Dabei wird von den verschiedenen Werkstoffen ausgegangen. Die entscheidenden Unterschiede der Recyclingfähigkeit von Metallen, Kunststoffen, Keramik, Papier und Glas werden erarbeitet, die typischen Recyclingverfahren für diese Stoffe beschrieben und damit der Zugang zum Recycling von hochkomplexen Altprodukten (Altauto, Elektronikschrott) eröffnet. Ergänzend dazu werden auch die Recyclingmöglichkeiten von anderen wichtigen Materialien und Stoffen (Metallsalze, Salzlösungen, Oxide, Farben, Lacke, Lösemittel, Öle, Gase) kurz behandelt. Die Kenntnis der Grundlagen soll auch die Fähigkeit zur Bearbeitung neuer Recyclingaufgaben ermöglichen, die sich durch Einführung neuer Werkstoffe, Werkstoffverbunde und Produkte sowie den Anfall neuartiger Produktionsabfälle ständig ergeben (z. B. LCD-Display, Solarmodul). Die Verwertung und Beseitigung von gemischten Siedlungsabfällen und biogenen Abfällen wurden in das Buch nicht aufgenommen, weil dazu bereits ein sehr umfangreiches Schrifttum existiert und vor allem grundsätzliche Unterschiede zu dem Hauptziel des Stoffrecyclings (Stoffkreisläufe, Ressourcenschonung) bestehen. Schwerpunkte bei diesen Abfällen sind die Beseitigung nach Vorbehandlung und/ oder die energetische Verwertung. Aus diesem Grund wurde auch die Beseitigung von Abwässern nicht besprochen, da sich daraus nur geringe Stoffkreisläufe ergeben. Auf die energetische Verwertung von Werkstoffen und speziellen Materialien konnte allerdings nicht verzichtet werden, weil diese Verfahren in einigen Fällen eine wichtige Alternative zum stofflichen Recycling darstellen. Die Aufbereitung und die Verwertung getrennt gesammelter Siedlungsabfälle (Altglas, Altpapier, DSD-Material, Schrott) werden selbstverständlich besprochen. Die Recyclingeigenschaften und -verfahren sind heute zunehmend auch von Konstrukteuren und Fertigungsingenieuren der Unternehmen zu berücksichtigen, um die Forderungen nach einer recyclinggerechten Konstruktion und Fertigung von Produkten zu gewährleisten. Schließlich besteht außerhalb der westlichen Industriestaaten in den Schwellenländern und in Osteuropa bezüglich der Recyclingsysteme noch ein großer Nachholbedarf und eröffnet beträchtliche Exportchancen für die Recyclingtechnik. Das Buch ist als einführende Literatur für Studenten an Hochschulen und Universitäten mit technischen, naturwissenschaftlichen und wirtschaftlichen Studiengängen sowie für Ingenieure, Techniker und Betriebswirte in der Praxis und in den Umweltbehörden geschrie-

Vorwort

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ben. Vielleicht findet es aber auch das Interesse einer weiteren Leserschaft und trägt damit zu einem besseren Verständnis der komplexen Zusammenhänge der Recyclingproblematik und den schwierigen wirtschaftlichen und ökologischen Bewertungen bei. Eine weniger umfangreiche Beschreibung von Recyclingtechniken konnte ich bereits in das Handbuch Konstruktionswerkstoffe (Hanser Verlag, 2008) [7] einbringen. Mit freundlicher Zustimmung des Hanser Verlags war es möglich, aus diesem Handbuch einige meiner Tabellen und Abbildungen in das vorliegende umfassendere Buch zu übernehmen. Bei den betreffenden Tabellen und Abbildungen steht immer die Quellenangabe [7] und zusätzlich ist häufig eine zweite Literaturstelle vermerkt, die auf die Ursprungsliteratur oder evtl. neuere Literaturstellen hinweist. Prof. Daniel Goldmann (TU Clausthal) hat mit Hinweisen auf den Arbeitsentwurf eines neuen Kreislaufwirtschaftsgesetzes [232] und die neueren Entwicklungen bei der Altfahrzeugverwertung sowie dem Recycling von Li-Ionen-Batterien und Solarmodulen zur Aktualität des Buches beigetragen. Dafür und für die Übernahme des Geleitwortes bin ich ihm zu besonderem Dank verpflichtet. Dem Spektrum Akademischer Verlag danke ich für die Realisierung dieses Buches. Mein besonderer Dank gilt dem Lektorat von Dr. Ulrich Moltmann und der sehr konstruktiven Zusammenarbeit mit Sabine Bartels – beide trugen zu der guten Qualität des Buches erheblich bei. Hans Martens

Augsburg 2010

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Geleitwort Vor rund 40 Jahren begann in Deutschland das Zeitalter der modernen Abfallwirtschaft. Mitte der neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts erfolgte dann der Wandel von der Abfall- zur Kreislaufwirtschaft, der sich im Rechtssystem durch die Einführung des Kreislaufwirtschaftsund Abfallgesetzes manifestierte. Seit Beginn des neuen Jahrtausends setzte eine weitere Stufe ein, die nun zur Sekundärrohstoff- bzw. Ressourcenwirtschaft führt. Diese Entwicklung strahlte und strahlt von Deutschland und Europa in viele Regionen der Welt aus. Mit dem gerade in Vorbereitung befindlichen neuen Kreislaufwirtschaftsgesetz wird dem auch politisch und rechtlich Rechnung getragen. Einer der wesentlichen Treiber für diese Entwicklung, der uns trotz vorübergehender Schwankungen infolge größerer Wirtschaftskrisen noch lange begleiten wird, ist die stetige Zunahme des weltweiten Rohstoffverbrauchs, bedingt durch den Aufstieg großer Schwellenländer wie China und Indien. Gerade für ein Land wie Deutschland, das kaum noch über nennenswerte Mengen an primären Ressourcen technologisch besonders relevanter Rohstoffe verfügt, gleichzeitig aber große Industrie- und Exportnation ist, ist die Entwicklung effizienter Recyclingstrukturen und -technologien das Gebot der Stunde. Mit der zunehmenden Ausbeutung natürlicher Ressourcen verschiebt sich aber auch weltweit die Bedeutung der globalen Rohstofflager von geogenen zu anthropogenen Reserven. Vor diesem Hintergrund wandelt sich der Fokus beim Umgang mit Abfällen mehr und mehr von der klassischen Entsorgungssicht zu einer Sichtweise, bei der Abfälle maßgeblich zur Ressourcensicherung beitragen können und müssen. Welche Rohstoffe in welchen Produkten und Anlagen eingesetzt werden, wann und wo diese nach Nutzungsende anfallen und wie diese in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden können, wird zunehmend systematischer zu klären und technologieintensiver zu lösen sein. Hierbei kommt der Recyclingtechnik eine zentrale Rolle zu. Technisch, ökonomisch und ökologisch intelligente Lösungen können die Wirtschaft ein Stück weit unabhängiger von primären Ressourcen machen, natürlich nie ganz, aber Recycling kann maßgeblich zu einer Verbreiterung der Versorgungsbasis beitragen. Zudem lässt sich für viele Materialien die Gewinnung aus Abfällen energieeffizienter und damit ökonomisch und ökologisch effektiver gestalten als aus primären Rohstoffen, vorausgesetzt die erforderlichen Technologien und Strukturen hierfür sind vorhanden. Viel ist bereits erreicht worden, gerade vor dem Hintergrund der stetig zunehmenden Komplexität der Produkte und damit auch der Abfälle bleibt aber auch noch viel zu tun. Neben der Weiterentwicklung von Recyclingprozessen, die der Weiterentwicklung am Markt befindlicher Produkte folgt, stellen neue ressourcenintensive Produkte oder solche, die erstmals in nennenswerten Mengen als Abfall auftreten, Herausforderungen für die Entwicklung neuer Recyclingtechnologien dar. Folgerichtig haben in den letzten Jahren ein Zusammenführen und Zusammenwachsen verschiedener Disziplinen eingesetzt. Eine zunehmend rohstofforientierte Abfallwirtschaft, eine intensive Weiterentwicklung der Aufbereitungstechnik aus dem Primärrohstoffbereich in den Sekundärrohstoffbereich hinein, eine Grundstoffindustrie, die sich mehr und mehr auf Sekundärrohstoffe einstellt, und Produkthersteller, die Recycling in ihre Prozesse einplanen, sind tragende Säulen dieses Prozesses.

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Geleitwort

Um die Potentiale zu heben, muss sich der Blick aber auch auf die hierfür wichtigste Ressource richten: gut ausgebildete Ingenieure und Techniker für diesen wachsenden Bereich. Neben dem, was unmittelbar in der Lehre vermittelt werden kann, ist ein umfassendes und gut zugängliches Schrifttum hierfür von herausragender Bedeutung. Noch ist das Fachgebiet der Recyclingtechnik im Vergleich zu anderen Disziplinen ein relativ junges. Viele Veröffentlichungen zu speziellen Themen, einige gute Publikationen und Kapitel in renommierten Fachbüchern der Ingenieurwissenschaften, die eine Übersicht über das entstandene Wissen geben, sind in den letzten Jahren entstanden. Was bis heute aber fehlt, ist ein Werk, das als Lehrbuch eine breite Grundlage für den Einstieg in das Fachgebiet bietet und als Handbuch für den Praktiker einen übersichtlichen Zugang zu Themenfeldern gibt, mit denen er sich bisher nicht befasst hat. Mit dem vorliegenden Werk hat Prof. Hans Martens die Herausforderung angenommen, diese Lücke zu schließen. Basierend auf der langjährigen Tätigkeit in der chemisch-metallurgisch Industrieforschung und einer Lehrerfahrung an der Westsächsischen Hochschule Zwickau ist das vorliegende Buch entstanden. Systematisch werden die heute relevantesten Bereiche der Aufbereitung von Abfällen zu Sekundärrohstoffen und die wichtigsten Verwertungsprozesse für solche Stoffströme dargestellt. Studenten, Lehrenden und Ingenieuren in der industriellen Praxis der Abfallwirtschaft, der Recyclingtechnik in Demontage und Aufbereitung, der Sekundärstoffverwertung in Metallurgie, Kunststoff-, Glas- sowie Papierproduktion und anderer Verwertungszweige wird das Buch eine wertvolle Hilfe sein. Ebenso ist es denjenigen zu empfehlen, die sich im Rahmen der Produktverantwortung bei der Herstellung und der End-of-Life-Phase von Produkten um Aspekte des Recyclings kümmern. Prof. Dr.-Ing. Daniel Goldmann

Clausthal-Zellerfeld, Mai 2010

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Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Motivation und Zielstellung des Recyclings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwertbare Produkte und Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualitätsanforderungen an Recyclingstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische, wirtschaftliche und ökologische Anforderungen an Recyclingund Verwertungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Technische Grundlagen des Werkstoffrecyclings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Mechanische Verfahren zur Auftrennung von Werkstoffverbindungen und zur Sortierung von Feststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.5

Demontage und Rückbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufschlusszerkleinerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sortierung von Feststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichtesortierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sortieren im Magnetfeld (Magnetsortieren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sortieren im elektrischen Feld (Elektrosortieren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sortieren nach verschiedenen mechanischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sensorgestützte Sortierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompaktieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Physikalische und chemische Recyclingverfahren und Vorbehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5

Vorbehandlungsverfahren für Werkstoffabfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Verfahren der Vorbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chemische und elektrochemische Vorbehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pyrolyse und thermische Oxidation als Vorbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entstehung von Dioxinen und Furanen bei thermischen Prozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recyclingverfahren mit physikalischen und chemischen Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . Löseprozesse für feste Abfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufarbeitung von wässrigen Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von organischen Flüssigkeiten durch Destillation und Sorption . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzbarmachung von Abgasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energetische Verwertung von Gasen, Flüssigkeiten und Schlämmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2

Recycling von metallischen Werkstoffen und metallhaltigen Abfällen . . . . . .

5.2.1 5.2.2

Allgemeine Verfahrenstechniken für das Recycling von Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmelzmetallurgische Recyclingtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwertung von metallhaltigen Abfällen und Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallpreise und Schrottpreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Eisenwerkstoffen und eisenhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung der häufigsten Eisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren der Stahlerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 16 17 21 24 24 27 30 31 31 32 33

37 38 38 40 42 44 45 45 46 59 61 64 67 71 71 77 78 78 78 81

XII

Inhaltsverzeichnis

5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3

Verfahren zur Herstellung von Eisenguss und Stahlguss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schrottsorten und Schrottaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwertung eisenhaltiger Abfälle (Eisenverbindungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Aluminiumwerkstoffen und aluminiumhaltigen Abfällen sowie von Magnesiumwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung von Aluminiumwerkstoffen, Schrotten und aluminiumhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Eigenschaften von Aluminiumschmelzen und Möglichkeiten ihrer Behandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitungsverfahren für Aluminiumschrotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmelzverfahren und Schmelzapparate für Aluminiumschrotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verarbeitung von aluminiumhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Magnesiumwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Kupfer- und Nickelwerkstoffen und kupferhaltigen bzw. nickelhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung von Kupferwerkstoffen, Kupferschrotten und kupferhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitung von Kupferschrotten und kupferhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmelzmetallurgische Verarbeitung von Kupferschrotten und kupferhaltigen Abfällen mit abschließender Raffinationselektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . Nassmetallurgische Verarbeitung von kupferhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung von Nickelwerkstoffen, Nickelverbindungen, Nickelschrotten und nickelhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmelzmetallurgische Verarbeitung von Nickelschrotten und nickelhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nasschemische Recyclingverfahren für nickelhaltige Abfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Bleiwerkstoffen, Bleiverbindungen und bleihaltigen Abfällen . . . . . . . . . Zusammensetzung von Bleiwerkstoffen, Bleiverbindungen, Bleischrotten und bleihaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitung und schmelzmetallurgische Verarbeitung von Bleiakkumulatoren . . . . . . . . . . Schmelzmetallurgische Verarbeitung von Bleischrotten und bleihaltigen Abfällen . . . . . . . . Recycling von Zinkwerkstoffen und zinkhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammensetzung von Zinkwerkstoffen, Zinkschrotten und zinkhaltigen Abfällen . . . . . . . Mechanische Aufbereitung von Zinkschrotten und zinkhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . Umschmelzen von Zinkschrotten und Raffination durch Destillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zinkrecycling aus Stahlwerks- und Kupolofenstäuben sowie anderen zinkhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwertung zinkhaltiger Abfälle als Zinkverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Edelmetallen und Edelmetallsalzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Edelmetallmaterialien, -schrotte und -abfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von reichen Edelmetallschrotten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von verunreinigten und armen Edelmetallabfällen und Edelmetalllösungen . . . . Edelmetallgewinnung aus Anodenschlämmen von Kupferelektrolysen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6 5.4.7 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.8

85 89 91 94 94 97 101 104 110 112 113 114 117 119 125 128 129 131 135 135 136 139 139 139 141 141 141 145 146 147 149 150 156

Recycling von Titan- und Tantalwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Inhaltsverzeichnis

XIII

6

Recycling von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5

Kunststoffgruppen und Kunststoffsorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzstoffe, Füllstoffe und Verstärkungsmittel für Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatzgebiete der Kunststoffe und Preise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffrecycling von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffrecycling von Thermoplasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffrecycling von Elastomeren (Altgummi und PUR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Partikelrecycling von Duroplasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chemisches Recycling und Rohstoffrecycling von Altkunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alkoholyse, Hydrolyse und katalytische Depolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pyrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergasung zu Brenngas oder Synthesegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reduktionsmittel im Hochofenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.2.1 7.2.2

Recycling von Glas, Keramik und mineralischen Baustoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Recycling von Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glasschmelzprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatz von Altglasscherben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitung von Behälterglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flachglasaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitung von Spezialgläsern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Keramik und mineralischen Baustoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbau, Zerkleinerung und Aufbereitung von Keramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitung von mineralischen Baustoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

162 164 168 168 171 184 187 188 189 191 192 194 196

202 204 205 208 209 211 212 214 215

8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Recycling von Papier und Pappe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

9 9.1 9.1.1 9.1.2 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4

Recycling von speziellen flüssigen und gasförmigen Stoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

9.2.5 9.3 9.3.1 9.3.2

Altpapiersorten und Sammlung von Altpapier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trockensortierung von gesammeltem Altpapier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nassaufbereitung der Altpapiersorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Verbundverpackungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzen und Chancen des Altpapierrecyclings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Recycling von organischen Lösemitteln und lösemittelhaltigen Abfällen . . . . . . . . . . . . Destillation von Lösemitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Lacken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Mineralölen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Rekonditionierung gering verunreinigter Altöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalisch-chemische Verfahren zur Regeneration von Altölen zu Grundölen . . . . . . . . . . Aufarbeitung von Altöl zu Heizöl und Fluxöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umarbeitung von Altöl in Synthesegas oder Einsatz als Reduktionsmittel im Hochofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auftrennung von Mineralöl-Wasser-Mischungen und Emulsionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

222 223 224 226 227

230 231 233 236 237 238 240 241 241

Lösemittelrückgewinnung aus Dämpfen und Abluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Rückgewinnung durch Kondensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Rückgewinnung durch Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

XIV

Inhaltsverzeichnis

9.3.3 9.3.4 9.4

Rückgewinnung durch Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Rückgewinnung durch Gaspermeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Recycling von Abfallsäuren und Beizlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.5.1 10.5.2 10.5.3 10.6

Verwertung und Recycling von Altfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

11 11.1 11.2 11.2.1 11.2.2 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4 11.4.5

EU-Altfahrzeug-Richtline und deutsche Altfahrzeugverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Demontage von Altfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Shredderanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitung und Verwertung der Shredderschwerfraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwertung und Beseitigung der Shredderleichtfraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VW-SiCon-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologievorschläge für mechanische Verfahren zur SLF-Behandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Verfahren für die SLF-Behandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallurgisches Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

253 254 261 263 266 266 268 270 272

Recycling von Elektro- und Elektronikgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 EU-Richtlinie und deutsches Elektrogesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Aufbereitung der Elektro(nik)-Altgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorsortierung nach Verwertungsgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahrenstechnik der mechanischen Aufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Elektro(nik)-Altgeräten durch Schmelztechnik, Pyrolyse und Löseprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmelztechnische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pyrolyseverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Löseverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recyclingtechnologien für spezielle Elektro(nik)Altgerätegruppen und -Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlgeräterecycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lampenrecycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling von Gerätebatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssigkristallbildschirme (LCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

276 281 281 282 286 286 286 287 288 288 288 291 298 299

12

Energetische Verwertung von festen Abfällen und Einsatz von Ersatzbrennstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.2 12.3 12.4 12.5 12.5.1 12.5.2 12.6

Monoverbrennung von festen Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rostverbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirbelschichtverbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungsöfen für Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasreinigung nach Verbrennungsprozessen von Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Abfallbehandlung durch Pyrolyse oder Vergasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Aufbereitung fester Abfälle zu Ersatzbrennstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitverbrennung von Abfällen und Ersatzbrennstoffen in Feuerungsanlagen . . . . . . . . . Ersatzbrennstoffe in der Zementindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitverbrennung in Kraftwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

308 308 310 312 312 315 316 318 320 323

Altöle als Ersatzbrennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

Inhaltsverzeichnis

13

XV

Recyclinggerechte Konstruktion und Fertigung von Produkten mit der Zielstellung eines Werkstoffrecyclings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Literaturnachweise und weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

1

Einführung 1.1

Motivation und Zielstellung des Recyclings – 2

1.2

Verwertbare Produkte und Stoffe – 3

1.3

Qualitätsanforderungen an Recyclingstoffe – 6

1.4

Technische, wirtschaftliche und ökologische Anforderungen an Recycling- und Verwertungsverfahren – 6

H. Martens, Recyclingtechnik, DOI 10.1007/978-3-8274-2641-3_1, © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011

1

1

2

Kapitel 1 • Einführung

1.1

Motivation und Zielstellung des Recyclings

Bei der Produktion wirtschaftlicher Güter und bei deren Konsumtion sowie am Ende ihrer Nutzungszeit entstehen Abfälle (Altstoffe, Altprodukte).

»Abfälle im Sinne des Gesetzes sind bewegliche Sachen, deren sich der Besitzer entledigen will oder deren geordnete Entsorgung zur Wahrung des Wohls der Allgemeinheit, insbesondere des Schutzes der Umwelt, geboten ist« (Deutsches Abfallgesetz 1986).

Diese Abfälle/Altprodukte sind überwiegend fester Natur, aber es fallen auch Abfalllösungen, Flüssigkeiten und Gase an. Die festen Abfälle wurden lange Zeit in sehr verschiedenen Formen deponiert, die Flüssigkeiten in Flüsse eingeleitet und die Gase in die Luft abgeführt. Die Abfälle/Altprodukte enthalten aber häufig Stoffe oder Bauteile, deren weitere oder erneute Nutzung möglich ist. Sie besitzen also einen Restwert wie z. B. Eisenschrott, Elektroaltgeräte und Altpapier. Ein solcher Restwert ist ein erstes Motiv für ein Recycling. Die Erzeugung wirtschaftlicher Güter erfordert den Einsatz von Rohstoffen, Energie, Arbeitskraft und Kapital. Durch die Wiederverwendung/Verwertung von Abfällen können ein großer Anteil der eingesetzten Rohstoffe und der aufgewendeten Energie erneut genutzt und damit die begrenzt verfügbaren Ressourcen geschont werden (zweites Motiv ist die Ressourcenschonung). Andererseits können Abfälle auch Schadstoffe (Bleiverbindungen, chlorierte organische Stoffe u. a.) enthalten oder aus anderen Gründen nicht deponiefähig bzw. in Flüsse einzuleiten sein. Ein Recycling solcher Abfallarten vermindert also den Schadstoffeintrag in die Natur (drittes Motiv). Schließlich verursacht die Deponierung von Abfällen/Altprodukten Kosten und zusätzlich einen Landschaftsverbrauch, d. h., eine Reduzierung des Abfallvolumens schützt unsere Landschaft (viertes Motiv) und vermeidet Deponiekosten und Einleitgebühren (fünftes Motiv). Diese fünf Motivationen werden von verschiedenen Teilen der Gesellschaft getragen. Für die In-

. Tab. 1.1 Energieeinsparung bei der Verwendung von Sekundärmetallen nach Maczek und Massion 1991 [4] Metall

Energiebedarf (GJ/t) Primärproduktion aus Erzen

Energiebedarf (GJ/t) Recycling aus Schrott

Aluminium

285

15

Kupfer

112

20

Zink

65

10 95*

Blei

25

8

Stahl

32

15

*

Zinkrecycling aus Stahlwerksstäuben

dividuen und Unternehmen sind die Motive »Realisierung des Restwertes« und »Einsparung von Deponiekosten und Einleitgebühren« entscheidend. Die anderen drei Motive sind von der Gesellschaft als Ganzes zu verantworten. Wesentliche Anstöße kamen dabei vom Club of Rome (1972, »Grenzen des Wachstums«), der insbesondere die Endlichkeit der Rohstoffressourcen bei ständiger Zunahme der Weltbevölkerung und Steigerung der Industrieproduktion sowie des Energieverbrauchs herausstellte. Die z. B. durch Metallrecycling erzielbare Energieeinsparung ist in . Tab. 1.1 demonstriert. Weitere Warnungen und Initiativen gingen von der weltweiten Bewegung der »Grünen« und der UN-Konferenz in Rio de Janeiro 1992 aus (»sustainable development«) sowie von dem Faktor-vier-Konzept (doppelter Wohlstand – halbierter Naturverbrauch; Wuppertal Institut 1995) [3]. Durch die EU und die BRD-Regierung wurden diese Motive in Richtlinien, gesetzliche Zielstellungen und Forderungen für das Recycling umgewandelt. Das deutsche Gesetz zur Vermeidung, Verwertung und Beseitigung von Abfällen (KrW/AbfG) von 1994 legt grundlegende Forderungen für die Abfallverwertung fest [1].

3

1.2 • Verwertbare Produkte und Stoffe

§4 Grundsätze der Kreislaufwirtschaft (1) Abfälle sind stofflich zu verwerten oder zur Gewinnung von Energie zu nutzen (energetische Verwertung). (3) Rohstoffe sind nach Möglichkeit durch sekundäre Rohstoffe aus Abfällen zu substituieren. §5 Grundpflichten der Kreislaufwirtschaft (4) Die Pflicht zur Verwertung ist einzuhalten, soweit dies technisch möglich und wirtschaftlich zumutbar ist, insbesondere wenn für einen gewonnenen Stoff oder eine gewonnene Energie ein Markt vorhanden ist oder geschaffen werden kann. §22 Produktverantwortung (1) Zur Erfüllung der Produktverantwortung sind Erzeugnisse möglichst so herzustellen, dass … die umweltverträgliche Verwertung … der nach dem Gebrauch entstandenen Abfälle sichergestellt ist. (2) Die Produktverantwortung umfasst insbesondere folgende Maßnahmen: 4 die Entwicklung und Herstellung recyclingfähiger Erzeugnisse 4 die Kennzeichnung von Schadstoffgehalten 4 die Kennzeichnung der Erzeugnisse 4 den Hinweis auf Rückgabe- und Verwertungsmöglichkeiten 4 die Rücknahme der Erzeugnisse oder der daraus entstandenen Abfälle

in nationales Recht hat die Bundesregierung den Arbeitsentwurf für ein Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) [232] vorgelegt, der eine Reihe Änderungen gegenüber dem KrW/AbfG [1] beinhaltet. Die für dieses Buch zutreffenden Veränderungen im KrWG [232] sind für eine erste Information nachfolgend in kurzer Form angegeben. 5 Verstärkung des Recyclings u. a. durch Verpflichtung zur Getrenntsammlung von Papier, Metall, Kunststoff und Glas ab Januar 2015. 5 Definition des Recyclingbegriffs. Recycling ist jedes Verwertungsverfahren durch das Abfälle zu Erzeugnissen, Materialien oder Stoffen für die ursprünglichen oder andere Zwecke aufbereitet werden. Es schließt die energetische Verwertung und die Aufbereitung zu Materialien, die für die Verwendung als Brennstoff oder zur Verfüllung bestimmt sind, nicht ein. 5 Einführung einer fünfstufigen Abfallhierarchie (Vermeidung – Vorbereitung zur Wiederverwendung – Recycling – sonstige Verwertung einschließlich energetischer Verwertung – Beseitigung). 5 Erweiterung des bisherigen Abfallbegriffs (»bewegliche Sachen«) auf »alle Stoffe und Gegenstände« (§2(1)). Eine der Ausnahmen sind »dauerhaft mit dem Boden verbundene Gebäude« (§2(2)). 5 Unterscheidung von Abfällen und Nebenprodukten.

1.2

Durch eine neue Abfallrahmenrichtlinie (AbfRRL) hat die EU im November 2008 (2008/98/EG) [2] die Grundlage für eine zukunftsfähige nachhaltige Abfallpolitik geschaffen. Darin sind die Regelungen des deutschen KrW/AbfG eingegangen und die Produktverantwortung und das Recycling verstärkt. Das Getrennthalten von Abfällen wird gefordert und erstmalig sind für das Jahr 2020 Recyclingquoten benannt (50 % für Papier, Glas, Metall, Kunststoffe; 70 % für Bauabfälle). Die energetische Verwertung wird aufgewertet und Müllverbrennungsanlagen werden als energetische Verwertungsanlagen anerkannt, wenn eine hohe Energieeffizienz von 65 % vorliegt. Zur Umsetzung der AbfRRL [2]

1

z

Verwertbare Produkte und Stoffe Produktrecycling

Für nicht mehr gebrauchsfähige Produkte besteht primär die Möglichkeit einer Wiederherstellung der Gebrauchsfähigkeit durch Aufarbeitung (Regenerierung). Eine zweite Art der Nutzung ist die Weiterverwendung von Bau- und Funktionsgruppen nach erfolgtem Ausbau (Demontage). Man unterscheidet deshalb zwischen 5 Wiederverwendung (Verwendung von Bauteilen für den gleichen Einsatzzweck nach einer Aufarbeitung) und 5 Weiterverwendung (Umarbeitung von Bauteilen für einen anderen Verwendungszweck).

4

Kapitel 1 • Einführung

. Tab. 1.2 Recyclingkriterien

1

Kriterium

Charakterisierung

Einordnung

Grundoperationen

Wiederverwendung

Erneute Nutzung in gleichen Produkten oder gleicher Funktion

Produktrecycling

Weiterverwendung

Nutzung in anderen Produkten oder anderer Funktion

Identifizierung, Funktionsprüfung, Demontage, Reinigung, Nachbearbeitung, Wiedereinsatz

Wiederverwertung

Auflösung der Produktgestalt, Materialrückgewinnung für das gleiche Produkt

Werkstoff-/ Materialrecycling

Weiterverwertung

Auflösung der Produktgestalt, Materialrückgewinnung für andere Produkte

Zerstörende Demontage, Aufschlusszerkleinerung, Sortierung, Homogenisierung, Abtrennung von Verunreinigungen, Rückführung in die Produktion als Sekundärstoffe

Wenn die Wieder- oder Weiterverwendung technisch und wirtschaftlich möglich sind, dann wird dieses Produktrecycling durch Hersteller oder Dienstleistungsunternehmen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik u. a. Industrien oder Gewerken durchgeführt. Das Produktrecycling ist nicht Gegenstand dieses Buches, da es sich von den Methoden und Verfahren des Materialrecyclings ganz grundsätzlich unterscheidet. z

Stoffrecycling, Werkstoffrecycling

Wenn das Recycling auf die Verwertung der Werkstoffe und anderer Materialien (Flüssigkeiten, Lösungen, Gase, Stäube, Salze) ausgerichtet ist, dann spricht man von Werkstoffrecycling oder Stoffrecycling. Für das Materialrecycling müssen Prozesse der mechanischen Aufbereitung und der metallurgischen und chemischen Verfahrenstechnik angewandt werden. In diesem Buch wird unter dem Begriff Recycling praktisch immer das Materialrecycling oder Werkstoffrecycling verstanden. Am Beispiel von Altautos wird allerdings sehr deutlich, dass je nach Marktlage oder technischem Zustand diese entweder für das Produktrecycling (Aufarbeitung oder Bauteilnutzung) in Betracht kommen oder komplett als Abfall dem Werkstoffrecycling zugeführt werden. Diese Situation ist bei einer Reihe von Altprodukten zu beachten. Ein Spezialfall der Regenerierung ist die Aufarbeitung von Prozesslösungen, die eindeutig dem Materialrecycling zuzurechnen ist und deshalb für einige Anwendungsfälle in diesem Buch mit be-

trachtet wird. In . Tab. 1.2 sind die verschiedenen Recyclingbegriffe nochmals übersichtlich zusammengestellt. Nicht mehr genutzte Produkte, die als Abfälle zu verwerten sind, bestehen in der Regel aus einer Verbindung verschiedener Werkstoffe bzw. Werkstücke und können Hilfsstoffe und Verunreinigungen enthalten. Ein ausgesonderter Kühlschrank besteht z. B. aus Stahlblechgehäuse, Kunststoffeinbauten, Isoliermaterial, Kompressor, Elektromotor, Temperaturregelung, Kühlmittel und Schmierstoffen. Es ist leicht einschätzbar, dass für die stoffliche Verwertung vor allem die Stahlteile, die Kupferdrähte und der Kunststoff in Betracht kommen. Dagegen bereiten das Kühlmittel und evtl. das Isoliermaterial Schwierigkeiten. Die Massenanteile der einzelnen Stoffe sind dabei extrem unterschiedlich und die Verbindungstechniken (Fügeverfahren) zwischen den Werkstoffen und Werkstücken vielfältig (Verbindungen durch Schrauben, Schweißen, Kleben usw.). Außerdem variieren die Bestandteile von Altkühlschränken je nach Hersteller und Alter erheblich. Das Produktlebensalter spielt für das Recycling also häufig eine wichtige Rolle, da neben den Werkstoffen und den Hilfsstoffen auch die Herstellungsverfahren sich ständig weiterentwickelt haben. In . Tab. 1.3 ist die durchschnittliche Lebensdauer für einige ausgewählte Produkte angegeben. Besonders günstige Voraussetzungen für das Recycling sind bei Produktionsabfällen gegeben. Produktionsabfälle werden zeitnah erfasst, sie

1

5

1.2 • Verwertbare Produkte und Stoffe

. Tab. 1.3 Übersicht zur Lebensdauer von Produkten nach Abfallgruppen Abfallgruppen – Produkte

Lebensdauer Jahre

Klassifikation L, M, K

Abfallgruppen – Produkte

Lebensdauer Jahre

Kühlschrank

Stahlerzeugnisse

Klassifikation L, M, K

12

L

Maschinen

20

L

Waschmaschine

8

M

Behälter, Kessel

20

L

Computer

6

M

Container

8

M

Kraftfahrzeuge

Stahlbau

30

L

PKW

10

M

Waggons

30

L

PKW-Akkumulator

3…5

K

Schiffe

25

L

PKW-Reifen

4

K

5…10

M

LKW, Landmaschinen

12…15

M

3

K

Kunststoffe

30…50

L

Behälter

5

K

1…2

K

Rohrleitungen, Armaturen Blechverpackungen Bauwerke

Elektrische Ausrüstungen

Verpackungen

Transformatoren

30…40

L

Chemische Erzeugnisse

Elektromotoren

7

M

Öle

2

K

Kupferkabel

40

L

Farben, Lacke

4

K

Aluminiumkabel

40

L

Glaserzeugnisse Glasflaschen

0,5…2

K

Technische Glasgeräte

5…10

M

Elektrogeräte Radio, Fernseher

11

M

Telekommunikationsgeräte

15

L

Lebensdauerklassifikation: L = langlebige Produkte; M = Produkte mittlerer Nutzungsdauer; K = kurzlebige Produkte

sind sauber und häufig ohne Verunreinigungen. Bei Werkstoffabfällen ist außerdem der Werkstofftyp genau bekannt. Ihr Restwert ist deshalb meist hoch. Metallische Produktionsabfälle werden als Neuschrott bezeichnet. Ein wesentlich minderwertigeres Material sind die Konsumtionsabfälle (bei Metallen sog. Sammelschrotte) wegen des oft unbekannten Stofftyps sowie der häufig starken Vermischung mit Fremdmaterialien und Verunreinigungen. Neben den festen Produktionsabfällen entstehen in den Produktionsprozessen auch Schlämme (Schleifschlämme,

Neutralisationsschlämme) und verschiedenartige Flüssigkeiten (Beizlösungen, Galvaniklösungen, Öle, organische Lösemittel) sowie Gase und Dämpfe (Lösemitteldämpfe), die z. T. wirtschaftlich recycelbar sind. Aber vor allem müssen diese Abfälle wegen ihrer Schadwirkung abgeschieden werden. Für einige dieser Prozesslösungen (Beizen, Galvaniklösungen) ist auch eine effektive Regenerierung möglich. Die große Vielfalt der zur Verwertung anfallenden festen Altprodukte und verschiedenartigen Altstoffe/Flüssigkeiten/Gase und die oft geringen

6

1

Kapitel 1 • Einführung

Einzelmengen stellen eine erhebliche Schwierigkeit für die Recyclingtechnologien dar. In . Tab. 1.3 ist eine Auswahl aus der Vielfalt der Abfallgruppen angegeben. Eine gesetzlich verbindliche Einteilung in Abfallgruppen ist im untergesetzlichen Regelwerk zum KrW-/AbfG in der Verordnung zur Einführung des Europäischen Abfallkatalogs (EAKV) in Form von Abfallbezeichnungen mit einem Abfallschlüssel ausgeführt.

1.3

Qualitätsanforderungen an Recyclingstoffe

Die Forderung nach dem Ersatz von primär erzeugten Stoffen durch Sekundärstoffe aus Recyclingverfahren ist nur dann ohne Probleme möglich, wenn diese Sekundärstoffe identische Eigenschaften und Qualitäten wie die Primärstoffe aufweisen. Diese Forderung bezieht sich bei Werkstoffen vor allem auf den technisch eingeführten Werkstofftyp und dessen Qualität. Das ist bei Recyclingmetallen häufig ohne technische Schwierigkeiten oder hohe Kosten zu erreichen, da Verunreinigungen sehr gut abzutrennen sind. Eine Ausnahme ist aber das Recyclingaluminium, das z. B. gewisse Eisengehalte aufweisen kann, so dass in diesem Fall die Entwicklung eines neuen Al-Legierungstyps mit geringen Fe-Gehalten angezeigt ist. Für das Recycling von Prozesslösungen und anderen Flüssigkeiten stehen wirksame Verfahren zur Verfügung, die eine sehr gute Qualität der Sekundärstoffe gewährleisten. Wesentlich ungünstiger sind die Verhältnisse bei Recyclingkunststoffen, da der Recyclingprozess die Qualität der Kunststoffe stark verändern kann und Verunreinigungen schwierig abzutrennen sind. Beim Papierrecycling ist ebenfalls aus technologischen Gründen keine Primärqualität zu erreichen. Diese grundsätzlichen Unterschiede in der Recyclingfähigkeit der metallischen Werkstoffe, der Kunststoffe, der Gläser usw. werden im Folgenden detailliert behandelt, da sie für die Einschätzung neuer Recyclingaufgaben von entscheidender Bedeutung sind. Wenn aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nur eine spezielle Sekundärstoffqualität erreichbar ist, dann ist für diese Sekundärprodukte eine zusätzliche Markterschließung mit entsprechend zusätzlichen

Kosten notwendig. Wenn eine verwendungsfähige Qualität der Sekundärstoffe durch das werkstoffliche Recycling nicht erreicht werden kann, dann eröffnen sich bei den organischen Stoffen (Kunststoffen, Papier, Ölen, Lösemitteln, Textilien) noch als weitere Möglichkeiten das rohstoffliche Recycling oder die energetische Verwertung. Diese beiden letzten Varianten sind zunächst als zweitrangig zu bewerten, da beide Verfahren zu einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung der Stoffe führen und damit die zu ihrer Herstellung eingesetzten Produktionsaufwendungen verloren gehen. Da beim rohstofflichen Recycling auch ein marktfähiger Sekundärrohstoff erzeugt werden muss, ist der Qualitätsaspekt von vergleichbarer Bedeutung wie beim werkstofflichen Recycling. Eine weitere Variante des Recyclings ist bei metallischen Werkstoffen die Umwandlung der Metallinhalte in eine marktfähige Metallverbindung z. B. in Metallsalze für die Galvanik (Edelmetallsalze, Nickelsalze, Kupfersalze usw.) oder für die Wasserreinigung (Eisensulfat, Eisenchlorid, Aluminiumsulfat) sowie in Pigmente (Eisenoxide) und Baustoffe (Schlacken). Dieser Weg ist dann die optimale Lösung, wenn metallhaltige Abfälle bereits teilweise oder vollständig in chemische Verbindungen des Metalls umgewandelt sind oder als Lösungen vorliegen und in dieser Form dem Recycling zugeführt werden. Das Recycling eines Metalls aus solchen chemischen Verbindungen durch Reduktion ist nur bei Metallen mit relativ edlem Charakter wirtschaftlich sinnvoll. Diese Bewertung der Eigenschaften einzelner Metalle bzw. Metallverbindungen wird in 7 Abschn. 5.1 (. Abb. 5.1 und . Abb. 5.2) näher erläutert.

1.4

Technische, wirtschaftliche und ökologische Anforderungen an Recycling- und Verwertungsverfahren

Die Zielstellung zum umfassenden Einsatz des Recyclings ist nur dann realistisch, wenn die technischen Möglichkeiten, die aufzuwendenden Kosten, die Marktsituation und die ökologischen Auswirkungen umfassend berücksichtigt werden. Diese Bedingungen sind ständigen Veränderungen

1.4 • Technische, wirtschaftliche und ökologische Anforderungen

unterworfen, so dass spezielle Recycling-/Verwertungsmaßnahmen immer wieder neu durchgerechnet und bewertet werden müssen. Konkret ergeben sich folgende wesentliche Anforderungen zunächst an die Verfahren des werkstofflichen Recyclings: 1. Das Recyclingprodukt sollte die Qualität von Primärprodukten haben. 2. Der Energiebedarf des Werkstoffrecyclings sollte geringer als der für die Primärproduktion sein. 3. Der Einsatz von Hilfsmaterial ist zu beschränken. 4. Eine wirtschaftlich ausreichende Durchsatzmenge ist erforderlich. 5. Der Recyclingprozess sollte ab einer bestimmten Recyclingstufe mit der Primärproduktion verknüpft werden (Kosten- und Qualitätsvorteile) bzw. in bereits vorhandene Stoffkreisläufe eingebunden werden. 6. Der Anfall von sekundären Abfällen/Abgasen/ Abwasser sollte gering sein. 7. Die volkswirtschaftlichen Gesamtkosten des Recyclingprozesses sollten unter denen der Primärproduktion liegen. 8. Die ökologische Belastung des Recyclings ist zu ermitteln (Ökobilanz). Das Vorlaufmaterial (Altprodukte/Altstoffe) für die Werkstoff-Recyclingprozesse ist kostenseitig sehr unterschiedlich zu bewerten. Stahl- oder Kupferschrott erzielt z. B. einen dem internationalen Metallmarkt angepassten Preis, da deren relativ geringe Recyclingkosten einen gewinnbringenden oder kostendeckenden Erlös für die gewonnenen Sekundärmetalle garantieren. Am internationalen Schrottmarkt herrscht sogar häufig eine Mangelsituation (z. B. von 2003 bis 2007 bei Kupferschrott), so dass hohe Schrottpreise realisierbar sind. Andere Altprodukte (Altautos, elektrische und elektronische Geräte, Kunststoffe, metallhaltige Schlämme, Stäube, Öle) erfordern dagegen hohe Aufwendungen für die Verwertung, so dass die Recyclingindustrie für diese Vorlaufmaterialien einen Kostenbeitrag einfordern muss, d. h., die Erzeuger dieser Altprodukte oder Altstoffe müssen Entsorgungskosten entrichten. In den Industriestaaten sind mehrere Stoffkreisläufe für Altstoffe vorhanden. Das gilt vor allem für den Stoffkreis-

7

1

lauf Eisenwerkstoffe (Stahlwerke, Gießereien), aber auch für die Stoffkreisläufe Kupfer (Sekundärkupferhütten), Aluminium, Edelmetalle, Glas und z. T. Kunststoffe. Die Einbindung von Altstoffen und Altprodukten in diese Stoffkreisläufe bringt immer Kosten- und Qualitätsvorteile, erfordert aber eine genaue Beurteilung evtl. qualitätsmindernder Auswirkungen. An das rohstoffliche Recycling müssen ganz ähnliche Anforderungen gestellt werden. 5 Es muss ein qualitativ hochwertiger Sekundärrohstoff erzeugt werden. 5 Der Einsatz an Energie und Hilfsstoffen ist zu beschränken. 5 Die volkswirtschaftlichen Gesamtkosten (abzüglich evtl. alternativer Deponiekosten) sollten nahe bei den Kosten der Primärrohstoffe liegen. 5 Die ökologischen Auswirkungen und die Einsparung der natürlichen Ressourcen sind zu bewerten. Für die energetische Verwertung sind vergleichbare Voraussetzungen zu erfüllen (Gesamtkosten im Vergleich zur Primärenergieproduktion, Ressourcenschonung, ökologische Aspekte). Auf Grund der häufig sich verändernden Bedingungen an den Märkten für Altstoffe, Werkstoffe, Energie und Rohstoffe und bei anderen Kostenfaktoren (Arbeitslöhne, Investitionskosten) sowie bei den umweltrechtlichen Vorschriften und den technologischen Entwicklungen müssen die drei alternativen Verwertungsverfahren (werkstofflich, rohstofflich, energetisch) immer wieder neu bewertet und verglichen werden und führen zu anderen Entscheidungen hinsichtlich des optimalen Verfahrens. Bei den Umweltgesetzen sind z. B. in der BRD die Veränderungen der Deponievorschriften von großem Einfluss, d. h., die Bewertungskriterien sind auch stark staatenspezifisch. In den folgenden Ausführungen wird zunächst schwerpunktmäßig das werkstoffliche Recycling behandelt. Am Ende des Buches werden die notwendigen Angaben zur energetischen Verwertung gemacht und das rohstoffliche Recycling ist beim Kunststoffrecycling eingeordnet.

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Technische Grundlagen des Werkstoffrecyclings

H. Martens, Recyclingtechnik, DOI 10.1007/978-3-8274-2641-3_2, © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011

2

10

2

Kapitel 2 • Technische Grundlagen des Werkstoffrecyclings

Die bei weitem umfangreichste Abfallgruppe sind die Werkstoffe, für die allgemeine technische Grundlagen des Recyclings vorausgeschickt werden können. Die enorme Vielfalt dieser festen Abfälle muss nach Werkstoffgruppen geordnet werden, um daraus technisch und wirtschaftlich sinnvolle Zielprodukte recyceln zu können. Diese Einteilung in recyclingverträgliche Werkstoffgruppen ist nur möglich auf Basis guter Kenntnisse der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Stoffe und vor allem der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der möglichen Verfahren zur Stoffverarbeitung sowie deren ökonomischen und ökologischen Auswirkungen. Die für das Recycling entscheidenden physikalischen und chemischen Eigenschaften werden sehr stark von den chemischen Bindungsverhältnissen in den Stoffen bestimmt. In . Abb. 2.1 sind die vier Bindungsformen und die daraus resultierenden Stoffarten und Werkstoffgruppen dargestellt. Die schwächsten Bindungskräfte liegen bei den Polymerwerkstoffen vor, so dass bereits mechanische Prozesse und Erwärmung eine teilweise Zerstörung der Polymere hervorrufen können. Dadurch wird deren Recyclingfähigkeit vermindert. Dagegen sind kovalente Bindungen und Ionenbindungen sehr starke Bindungen, die durch mechanische Prozesse nicht geknackt werden, d. h., Stoffe wie z. B. Oxide oder Silikate bleiben vollständig erhalten. Die Metalle sind chemische Elemente und deshalb durch mechanische und physikalische Prozesse unzerstörbar (Einschränkung Kernspaltung). Die Metalle besitzen auch deshalb eine günstige Recycelbarkeit. Die Werkstoffabfälle fallen überwiegend in kompakter Form als Rohre, Bleche, Profile, Gussstücke, Platten, Verbindungselemente, Federn, Drähte usw. an. Aber auch leicht verformbare und sehr feinteilige Abfälle wie Gummi, Folien, Litzen, Papier, Faserstoffe, Leder, Späne und Schleifschlämme sind zu berücksichtigen. Eine große Gruppe sind außerdem die Altprodukte/Altgeräte (Autos, Maschinen, elektrische Geräte usw.), die aus sehr verschiedenen Bauteilen und Werkstoffen aufgebaut sind. Die in den vorangehenden Abschnitten genannten Zielstellungen, Bedingungen und Anforderungen an Recyclingprozesse bedingen ihrerseits eine bestimmte Aufgabenstellung für die logistischen und technischen Prozesse und die notwendigen Verfahrensstufen. Dieser allgemeine

Ablaufplan wird zweckmäßigerweise in sechs allgemeine Stufen gegliedert. z

Stufe 1: Sammlung der Altstoffe nach Abfallgruppen

Die getrennte Sammlung nach Abfallgruppen in den Unternehmen und Kommunen trägt als erste Sortierstufe prinzipiell zur Kostensenkung des Recyclings bei. Und diese Kostensenkung kann direkt an die Bevölkerung weitergegeben werden. Bei Unternehmen kann die konsequente Trennung der Altstoffe häufig zu direkten Erlösen bei z. B. Abgabe an den Schrotthandel führen. Aus diesen sachlichen und wirtschaftlichen Gründen sind einige Kenntnisse zu Werkstoffen und zum Recycling in der Bevölkerung und in den Unternehmen unverzichtbar. z

Stufe 2: Identifizierung des Werkstofftyps

Eine erste Identifizierung erfolgt bereits beim Sammeln nach Abfallgruppen. Die weiteren Prozesse erfordern aber oft eine sehr detaillierte Unterscheidung verschiedener Werkstoffe. Bei Eisen und Aluminium ist z. B. die Unterscheidung nach verschiedenen Legierungen oder nach Guss- und Knetwerkstoffen notwendig. Die Kunststoffsorten sind ebenfalls zu identifizieren. In einer ersten Stufe kann der Altstoffhandel die Identifizierung noch visuell durchführen. Es stehen dort aber auch manuell handhabbare Analysegeräte (NIR-Messung, Röntgengeräte) zur Verfügung. Bei den komplexen Altprodukten/Altgeräten ist die Identifizierung von Werkstoffen oft erst nach ersten Demontage- oder Trennoperationen möglich oder sinnvoll (Kühlschrank, PKW usw.). z

Stufe 3: Separierung der Werkstoffsorten in recyclingverträgliche Werkstoffgruppen durch Zerlegung und Sortierung

Die Altprodukte (Kühlschränke, PKWs usw.) bestehen aus verschiedenen Werkstoffen und Werkstücken, die durch vielfältige Verbindungstechniken (Schraub-, Niet-, Schweiß-, Klebverbindungen u. a.) miteinander verbunden sind (. Abb. 2.2). Dazu kommen oft Beschichtungen der Werkstoffe (Lackierungen, Metallschichten, Kunststoffschichten) und z. T. Verbundwerkstoffe. Unter Verbundwerkstoffen (. Abb. 2.2) versteht man Werkstoffe, die

Metallische Bindung

Metalle

Ionenbindung

Kovalente Bindung

NEwerkstoffe

Zwischenmolekulare Kräfte

Anorganisch-nichtmetallische Stoffe

Halbleiter (Si, Ge)

Eisenwerkstoffe

2

11

Technische Grundlagen des Werkstoffrecyclings

Organische Stoffe

Naturstoffe (Sand, Kies, Holz, Fasern)

Polymerwerkstoffe (PE, PVC, PET, PUR, Gummi)

Keramische Werkstoffe (Ziegel, Klinker, Beton, Porzellan, Glas, Oxide, Karbide, Nitride)

Edelmetallwerkstoffe

Verbundwerkstoffe . Abb. 2.1 Einteilung der Feststoffe nach chemischen Bindungsverhältnissen und Zuordnung der Stoffgruppen und Werkstoffgruppen (NE = Nichteisenmetalle).

aus mehreren Einzelstoffen bestehen, die zu einem neuen Werkstoff verbunden sind (z. B. Schleifscheiben, Bremsbeläge, glasfaserverstärkte Kunststoffe, Hartmetalle). Man unterscheidet faserverstärkte und partikelverstärkte Verbundwerkstoffe sowie Schichtverbundwerkstoffe (z. B. Sicherheitsglas). Für die spätere Sortierung der Werkstoffe müssen die Werkstoffverbindungen bzw. -verbunde gelöst (aufgeschlossen) werden. Die Auftrennung (Zerlegung) der vorliegenden Werkstoffverbindungen kann durch Demontage, Zerschneiden, Breschen, Mahlen oder Trennschweißen erfolgen. Beschichtungen können, falls erforderlich, chemisch abgelöst, verdampft, abgeschmolzen oder abgebrannt werden. Die Auftrennung von Verbundwerkstoffen ist allerdings sehr kompliziert oder z. T. unmöglich. Erst

Werkstoffverbindungen

Werkstoff A

Werkstoff B

Verbundwerkstoffe

Werkstoff C

Werkstoff D

Aufschluss von Verbindungen durch Zerkleinerung oder Demontage Ausgangszustand

Teilaufschluss

Aufschlussgrad 100 %

. Abb. 2.2 Werkstoffverbindungen, Verbundwerkstoffe und Aufschlussgrad von Werkstoffverbindungen [7].

12

Kapitel 2 • Technische Grundlagen des Werkstoffrecyclings

Altstoffe (Metalle, Kunststoffe, Glas, Papier)

2

Altprodukte (Elektrogeräte, Autos, Maschinen)

Produktionsabfälle

. Abb. 2.3 Allgemeines Verfahrensschema des Werkstoffrecyclings [7].

Demontage

Sammlung, Vorsortierung Trennung der Werkstoffverbunde (Brechen, Shreddern, Abschmelzen, Lösen)

Schadstoffentfrachtung

Klassierung (Sieben, Sichten)

Identifizierung (spektroskopisch, optisch) Sortierung (Dichte-, Magnet-, Elektrosortierung) Homogenisierung (Schmelzen, Lösen, Suspendieren) Reinigung (Filtration, Verdampfung, chemische Reaktionen)

Sekundärabfälle

Formgebung Schadstoffe Sekundärprodukte (Blöcke, Pulver, Granulate, Salze)

nach dieser Verbindungsauftrennung (Aufschluss) ist eine Sortierung der Werkstoffe möglich. Eine unvollständige Auftrennung der Verbindungen bewirkt deshalb zwangsläufig eine entsprechend unvollständige Sortierung. Deshalb ist es erforderlich, den Zerlegungserfolg zu definieren und messtechnisch zu erfassen. Dafür verwendet man den sog. Aufschlussgrad [6]. Aufschlussgrad =

aufgeschlossene Werkstoffmasse Gesamtwerkstofffmasse

Bauteile zur Regenerierung

Zerlegung und Aufschlussgrad sind in . Abb. 2.2 nochmals bildlich dargestellt. Sortierung der Stoffe nach Stoffgruppen Die Sor-

tierung erfolgt unter Ausnutzung der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Stoffe. Die wesentlichen Sortierverfahren auf physikalischer Basis sind Dichtesortieren, Magnetscheiden, Elektrosortieren und Wirbelstromsortieren. Diese Sortierverfahren setzen nicht nur voneinander getrennte Stoffe voraus, sondern vor allem auch bestimmte geringe Stückgrößen und auch Stückformen. Um das zu erreichen, sind die Zerlege- und Zerkleinerungsprozesse für die Verbindungstren-

13

Technische Grundlagen des Werkstoffrecyclings

nung entsprechend auszuwählen und durch Klassierprozesse (Sieben) geeignet zu ergänzen. In der Sortierstufe besteht auch häufig die Aufgabe, bestimmte Schadstoffe (Bleiverbindungen, chlorierte organische Verbindungen, Öle, Lösemittel u. a.) abzutrennen und so aus dem weiteren Verarbeitungsprozess herauszuhalten. Prinzipiell sind Schadstoffe so früh wie möglich aus den Altprodukten oder Altstoffen zu entfernen, und dies kann schon in der Sammel- oder Identifizierungsstufe vorteilhaft sein. Für diese spezielle Aufgabe der Heraushaltung von Schadstoffen aus weiteren Verarbeitungsstufen hat man den Begriff der Schadstoffentfrachtung geprägt. Das Sortieren lässt sich bei wenigen speziellen Materialkombinationen auch durch Verdampfen oder Ablösen (physikalische, chemische oder elektrochemische Löseverfahren) erreichen. z

Stufe 4: Homogenisierung der Sortierprodukte und Massenvergrößerung

Die weitere getrennte Verarbeitung der Stoffgruppen kann wirtschaftlich nur mit größeren homogenen Massen erfolgen. Auch im Hinblick auf die endgültigen Zielprodukte sind immer bestimmte Losgrößen mit gleichmäßiger Qualität anzustreben. Die Homogenisierung ist am günstigsten durch Mischprozesse im fluidisierten Zustand zu erreichen. Dieser fluidisierte Zustand kann bei Gläsern, Metallen und Thermoplasten durch Aufschmelzen erreicht werden. Er ist aber auch durch Auflösen (Metalle, Kunststoffe) oder durch Suspendieren in Wasser (Papier) realisierbar. z

Stufe 5: Abtrennung von Verunreinigungen und Erzeugung der Endqualität

Bei den vorliegenden Verunreinigungen muss man zwei Gruppen unterscheiden. Eine erste Grup-

2

pe hat eine negative Auswirkung auf die Qualität des Zielproduktes und ist deshalb aus Qualitätsgründen abzutrennen (z. B. die Druckfarben beim Papierrecycling). Kritischer ist eine zweite Gruppe der speziellen Schadstoffe, die auf Grund ihrer Giftwirkung in der Natur und in Recyclingprodukten zu entfernen sind und einer Sondermüllablagerung oder Inertisierung zugeführt werden müssen. Die Abtrennung von Verunreinigungen kann in dem bereits in Stufe 4 erläuterten fluidisierten Zustand z. B. durch Filtration, Verdampfung, Ausfällung, chemische oder elektrochemische Reaktionen sehr effektiv durchgeführt werden. z

Stufe 6: Herstellung marktfähiger Formen

Übliche vermarktungsfähige Formen von Recyclingprodukten sind Metallblöcke, Metallpulver, Kunststoffgranulat, Salze, Oxide, Flüssigkeiten und Pulver. Das allgemeine Verfahrensschema des Werkstoffrecyclings ist in . Abb. 2.3 nochmals dargestellt. Dabei spielen offensichtlich bewährte Verfahren der mechanischen Aufbereitung von Erzen, Kohlen, Steinen und Erden die überragende Rolle. Das sind vor allem die grundlegenden Verfahren (Unit Operations) der Zerkleinerung, Klassierung und Stoffsortierung. Häufig können erst nach dieser erfolgreichen Aufbereitung die Prozesse zum Schmelzen, Lösen oder Reinigen effektiv angewandt werden.

15

3

Mechanische Verfahren zur Auftrennung von Werkstoffverbindungen und zur Sortierung von Feststoffen 3.1

Demontage und Rückbau – 16

3.2

Aufschlusszerkleinerung – 17

3.3

Klassierung – 21

3.4

Sortierung von Feststoffen – 24

3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6

Dichtesortierung – 24 Sortieren im Magnetfeld (Magnetsortieren) – 27 Sortieren im elektrischen Feld (Elektrosortieren) – 30 Flotation – 31 Sortieren nach verschiedenen mechanischen Eigenschaften – 31 Sensorgestützte Sortierung – 32

3.5

Kompaktieren – 33

H. Martens, Recyclingtechnik, DOI 10.1007/978-3-8274-2641-3_3, © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011

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3

Kapitel 3 • Mechanische Verfahren zur Auftrennung von Werkstoffverbindungen

In diesem Kapitel werden die Grundlagen der eingesetzten Aufbereitungsprozesse und der physikalischen Sortierprozesse von Feststoffen sowie deren Besonderheiten oder Sonderentwicklungen für die Recyclingprozesse behandelt. Eine weitere Vertiefung und Beantwortung spezieller Probleme findet sich in der umfangreichen Spezialliteratur zur Aufbereitungstechnik sowie zur Mechanischen Verfahrenstechnik [8] [9] [10] [11] [12].

3.1

Demontage und Rückbau

Unter Demontage versteht man die manuelle oder mechanische Zerlegung eines Altproduktes in Bauteile und/oder Werkstoffgruppen. Dabei werden vier Aufgabenstellungen verfolgt: 1. Gewinnung von Funktionsbauteilen (Getriebe, Motoren, elektrische oder elektronische Bauteile usw.), 2. Schadstoffentfrachtung (Batterien, Kühlmittel, Öle, Gase usw.), 3. Gewinnung von recyclingfähigen Werkstoffen (Stahl, NE-Metalle, Kunststoffe) und anderen verwendungsfähigen Stoffen (Öle, Lösemittel, Gase usw.), 4. Minimierung des Restabfalls. Die Demontagefähigkeit der gefügten Teile und das Demontageergebnis werden dabei durch drei Einflussfaktoren wesentlich bestimmt: 1. die Art der Verbindungstechnik (Fügeverfahren), 2. die räumliche Anordnung und Zugänglichkeit der Verbindungselemente, 3. die Kennzeichnung der Werkstoffe bei großvolumigen Bauteilen (evtl. RFID-Tags). Bei den Verbindungstechniken sind in der Regel lösbare Verbindungen (Schrauben, Stifte, Welle-Nabe-Verbindungen, Pressverbindungen oder Schnappverbindungen) erforderlich. Bei nicht lösbaren Verbindungen (Kleben, Löten, Schweißen, Nieten) müssen zerstörende Zerlegemethoden (Schneiden, Brechen, Trennschweißen u. a.) zur Anwendung kommen, die bei den Verfahren der Aufschlusszerkleinerung (7 Abschn. 3.2) erläutert sind. Für Klebe- und Lötverbindungen können

aber auch thermische Verfahren zur Trennung eingesetzt werden (Aufschmelzen des Lots; thermische Zersetzung des organischen Klebers). Auf Grund der genannten Bedingungen ist es offensichtlich, dass die allgemeine Demontagefähigkeit und das Demontageergebnis wesentlich von einer demontagegerechten Konstruktion und Fertigung des Ausgangsproduktes abhängen. Zu dieser demontagegerechten Herstellung sind die Produzenten durch die Festlegung der »Rücknahmepflicht« und der »Recyclingfähigkeit« im KrW/AbfG nachdrücklich aufgefordert. Die Hersteller liefern deshalb heute zu den Produkten Demontagerichtlinien und Werkstofflisten und kennzeichnen die Werkstoffe. Bei der Demontage werden die verschiedenen Arbeitsschritte (z. B. Trockenlegen, Reinigung, Zerlegestufen, Schadstoffentfernung, Sortierung) in Demontagelinien zweckmäßig angeordnet. Die einzelnen Arbeitsschritte sind nach Möglichkeit mechanisiert oder automatisiert, aber es verbleibt bei der Demontage immer ein erheblicher Anteil an Handarbeit, weil eine Vielzahl unterschiedlicher Altprodukte auf einer Linie zu verarbeiten ist. Die Demontagelinien sind vorwiegend mit stationären Arbeitsplätzen und bewegten Objekten konzipiert. Es können aber auch stationäre Objekte und bewegte Arbeitsplätze sinnvoll sein. Der Grad der Zerlegung des Altproduktes wird als Demontagetiefe bezeichnet. Diese ist bei der Gewinnung von wiederverwendungsfähigen Funktionsteilen am geringsten. Mit zunehmender Demontagetiefe zur Gewinnung von getrennten Werkstoffen steigen natürlich die Demontagekosten, aber dann häufig auch die Erlöse für einwandfrei getrennte Stoffe (marktabhängiges Optimierungsproblem). Die Demontage hat auf Grund der genannten vier Aufgabenstellungen und der wechselnden marktabhängigen Bedingungen eine Sonderstellung innerhalb der Aufbereitungsprozesse und wird deshalb oft getrennt von anderen Verfahrensstufen in speziellen Demontagebetrieben durchgeführt. Der Begriff Rückbau wird für den kontrollierten Abbruch von Gebäuden aus mineralischen Baustoffen verwendet. Den Abriss von Gebäuden aus Stahlträgern bezeichnet man aber auch als Demontage, weil dabei die typischen Demontagetechnologien (Abschrauben, Trennschweißen, Schneiden) zur Anwendung kommen. Für den Rückbau von

17

3.2 • Aufschlusszerkleinerung

Gebäuden aus mineralischen Baustoffen kommen zwei Technologiekonzepte zur Anwendung: 1. Konzept Ausbau: 5 Ausbau verwertbarer Bauteile/Werkstoffe (Stahltüren, Fenster, Lampen, Heizkörper, Metallrohre, Lüftungskanäle, Kabel, Holzbauteile, Kunststofffolien und -rohre usw.) sowie Ausbau evtl. Schadstoffe 5 Abbruch des Gebäudes (Abrissbirne, Abrissbagger, Sprengung) 2. Konzept Komplettzerstörung: 5 Zerstörung des Gebäudes (Abrissbirne, Abrissbagger, Sprengung) 5 Gewinnung verwertbarer Werkstoffe aus der Abbruchmasse (7 Abschn. 7.2.2).

3.2

Aufschlusszerkleinerung

Die Zerkleinerungsverfahren haben im Recyclingprozess wichtige Aufgaben zu erfüllen: 5 Aufschluss der vorliegenden Werkstoffverbindungen durch eine Zerstörung dieser Verbindungen mit Hilfe einer mechanischen Beanspruchung (sog. Aufschlusszerkleinerung), 5 Herstellung von bestimmtem Stückgrößen (Stückgrößenverteilungen) oder auch Stückformen, die für die nachfolgende Sortierung erforderlich und optimal sind, 5 Erzeugung optimaler Stückgrößen für den Eintrag (Beschickung) in Schmelzöfen und anderen Apparaten sowie die technologisch erforderlichen Stückgrößen für den Ablauf der Reaktionen in den Apparaten. Der Aufschluss ist dann optimal (100 % Aufschlussgrad), wenn ein Bruch bzw. eine Trennung der Bauteile an den Verbindungsstellen der einzelnen Werkstoffe (Werkstücke) erfolgt. Diese Voraussetzungen sind bei den lösbaren Verbindungstechniken (Gewinde, Schrauben, Stifte, Welle-NabeVerbindungen, Pressverbindungen, Schnappverbindungen) überwiegend gegeben, da bei diesen der Bruch (oder die Auftrennung) an den Verbindungsstellen mit Formschluss oder Kraftschluss stattfindet. Dagegen sind die Verbindungsstellen mit Stoffschluss (geklebte, gelötete oder geschweiß-

3

te nichtlösbare Verbindungen) oft von höherer Festigkeit als die Werkstoffe, so dass ein Bruch außerhalb der Verbindungsstelle eintritt und damit der Aufschlussgrad 100 mm, 5 Mittelzerkleinerung (Feinbrechen): d = 100…5 mm, 5 Feinzerkleinerung (Mahlen): d = 5…0,1 mm, 5 Feinstzerkleinerung: d < 0,1 mm. z

Grob- und Mittelzerkleinerung

Für Recyclingverfahren werden häufig die Grobund Mittelzerkleinerung für die Aufgabenstellung der Aufschlusszerkleinerung benötigt. Für spröde Stoffe kommen dabei die Beanspruchungsarten Druck (Backenbrecher, Walzenbrecher) oder Schlag/Prall (Hammerbrecher) zur Anwendung. Typische spröde Stoffe sind mineralische Baustoffe (Beton, Ziegel, Naturstein). Für die überwiegend vorliegenden nichtspröden Altstoffe sind die Beanspruchungsarten Scheren, Schneiden, Zug, Biegen, Torsion erforderlich. Für die komplexe Zug-Biege-

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Kapitel 3 • Mechanische Verfahren zur Auftrennung von Werkstoffverbindungen

. Tab. 3.1 Verformungsverhalten von Altstoffen nach Schubert [13] Verformungsverhalten

Festigkeit gering (weich)

Spröd-elastisch

3

Gummi-elastisch

Elastomere

Elastisch-plastisch

Thermomere

Elastisch-viskos

Papier, Pappe, Textilfasern, Leder

Druck

Scheren

Schlag

Prall A

Schneiden

Prall B

Festigkeit mittel (mittelhart)

Festigkeit hoch (hart)

Duromere

Glas, Gusseisen

Stahl, NE-Metall-Knetlegierungen Holz

. Abb. 3.1 Beanspruchungsarten bei der Zerkleinerung. Schwarze Teile = Funktionsorgane der Maschinen (Brechplatten, Prallplatten, Brechhämmer, Mahlbahnen, Schneidmesser, Schersysteme). Graue Teile = Aufgabematerial.

Schub

Zug/Biegung /Torsion (Reißen)

Torsionsbeanspruchung ist von Schubert [13] der Begriff »Reißbeanspruchung« eingeführt worden (. Abb. 3.1). Die verwendeten Maschinen sollten deshalb als »Reißer« bezeichnet werden. In Abhängigkeit von der hauptsächlichen Aufgabenstellung (Aufschlusszerkleinerung und Stückgrößenreduzierung) sind entsprechende Beanspruchungsarten und geeignete Maschinen für die Grob- und Mittelzerkleinerung zu wählen, wie sie in . Tab. 3.2 zusammengefasst sind. Der prinzipielle Aufbau der wichtigsten Maschinen für die Grob- und Mittelzerkleinerung und ihre Wirkungsweise ist in . Abb. 3.2 dargestellt. Als Besonderheit ist bei den Hammerreißern mit horizontaler Achse (. Abb. 3.2, Nr. 2) auf die beweglich befestigten Schlagleisten (Hämmer) hinzuweisen, die ein Einklemmen des Aufgabegutes in der Maschine verhindern. Diese Hammerreißer (Shredder) sind in erheblichen Größen und mit hohen Leistungen verfügbar. Die Bauform der vertikalen Shredder (Schlagelemente und Mahlelemente an einer vertikalen Achse in einem stehen-

den Mahlbehälter) kombiniert die Reißbeanspruchung im oberen Aufgaberaum mit einer darunter angebrachten Mahlbeanspruchung. Die Schneidmühlen (. Abb. 3.2, Nr. 3) mit ihrer sehr geringen Spaltbreite und hoher Drehzahl sind besonders für leicht verformbare Teile (Drähte, Litzen, Späne, Folien) im Einsatz. Rotorscheren und Rotorreißer (. Abb. 3.2, Nr. 4) werden in sehr verschiedenen Bauformen und Größen hergestellt (Einwellen-, Zweiwellen- und Vierwellenschneidsysteme). Spezielle Reißgeometrien der Rotorreißer (Hakenform und Gegenkämme) ermöglichen eine optimale Anpassung an verschiedene Produkte und Zerkleinerungsaufgaben (Einziehen, Brechen, Zerreißen, Schneiden). Die oben genannte Erzeugung optimaler Stückgrößen für den Eintrag in Schmelzöfen und anderen Apparaten wird ebenfalls durch die angeführten Apparate der Grobzerkleinerung realisiert. So werden Eisenbahnschienen und Stahlträger durch Guillotinescheren auf die erforderliche Eintragsabmessungen geschnitten. Die Zerkleinerung von

3

19

3.2 • Aufschlusszerkleinerung

. Tab. 3.2 Aufgabenstellung, Beanspruchungsarten und Maschinen der Grob- und Mittelzerkleinerung nach Schubert [13] Aufgabenstellung

Geeignete Beanspruchungsart

Zerkleinerungsmaschine

Stückgrößenreduzierung

Scher- und Schneidbeanspruchung

Guillotinescheren, Rotorscheren, Rotorschneider, Schneidmühlen

Zugbeanspruchung inkl. Biegung, Torsion (Reißbeanspruchung)

Rotorreißer (langsam laufend), Hammerreißer (Shredder), Nockenreißer

Biegebeanspruchung

Schienenbrecher

Auflösen der Verbindungen von Bauelementen und Werkstoffen

Zugbeanspruchung inkl. Biegung, Torsion (Reißbeanspruchung)

Hammerreißer (Shredder)

Zerlegung von Elektrogeräten

Prallbeanspruchung

Querstromzerspaner

Aufschlusszerkleinerung

. Abb. 3.2 Maschinen der Grob-, Mittel- und Feinzerkleinerung [7].

1. Backenbrecher

2. Hammerreißer (Shredder)

3. Schneidmühle

Schwarz: Schlagelemente Schwarz: Schneidplatten beweglich und Grau: Austragsrost Amboss Grau: Austragsrost Aufgabe Aufgabe

Aufgabe

Austrag

Austrag

Austrag

4. Rotorschere/Rotorreißer

Aufgabe

Ansicht von der Aufgabeseite

Hydraulikmotoren

Austrag Schneidplatten (schwarz)

Reinigungskämme

20

Kapitel 3 • Mechanische Verfahren zur Auftrennung von Werkstoffverbindungen

. Tab. 3.3 Aufgabenstellung, Beanspruchungsarten und Maschinen der Feinzerkleinerung nach Schubert [13] Aufgabenstellung

Beanspruchungsarten

Zerkleinerungsmaschinen

Stückgrößenreduzierung

Schneidbeanspruchung

Schneidmühlen

Schlagbeanspruchung

Kugelmühlen, Schwingmühlen

Prallbeanspruchung (Biegung, Torsion)

Prallmühlen, Strahlmühlen

Schneidbeanspruchung

Schneidmühlen

Prall-Druck-Schub-Beanspruchung

Prallmühlen, Hammermühlen

Zugbeanspruchung, Reißbeanspruchung

Stiftreißer

Scherströmung

Stofflöser (Pulper)

3 Aufschlusszerkleinerung

spröden gusseisernen Maschinenteilen erfolgt bevorzugt durch Fallwerke oder große Backenbrecher. Auch Fässer, Wannen, Hohlkörper und andere voluminöse oder sperrige Gegenstände erfordern eine Zerkleinerung, die je nach Werkstoff (Metalle, Kunststoffe, Gläser), Festigkeit und Sprödigkeit durch Pressen, Schlag oder Schneiden erfolgt. Häufig verwendet man bei großen Metallteilen auch das Trennschweißen. Speziell für Elektroaltgeräte ist eine schonende Zerlegemaschine entwickelt worden, die durch Beschleunigung der Geräte mit einer Kette eine gegenseitige Prallbeanspruchung bewirkt (autogene Zerlegetechnik). Dadurch zerlegt dieser Querstromzerspaner QZ die Geräte in die Bauteile, ohne diese selbst zu zerstören. Eine Skizze des Querstromzerspaners ist in . Abb. 11.3 zu finden. z

Feinzerkleinerung

Bei sehr kleinen Abmessungen der Werkstoffbestandteile (Elektronikschrott, Litzen) sowie bei Verbundwerkstoffen und Beschichtungen müssen Stückgrößen von 1…2 mm und darunter für den Aufschluss erreicht werden, d. h., es ist eine Feinzerkleinerung zwingend. Als Beanspruchungsarten kommen die Prallbeanspruchung, die DruckSchub-Beanspruchung, die Reißbeanspruchung und die Schneidbeanspruchung zur Anwendung (. Tab. 3.3). Wegen des häufig größeren Anteils einer plastischen Verformung ist dabei eine kryotechnische Vorbehandlung zur Versprödung des

Materials besonders effektiv. In einigen Fällen ist aber die plastische Verformung des Zerkleinerungsproduktes in der Maschine (z. B. eine Verkugelung von Feindraht) erwünscht, weil damit die Sortiereffekte verbessert werden können. Die Maschinen der Feinzerkleinerung (Mahlen) werden entsprechend dem Vorgang als Mühlen bezeichnet. Beispiele solcher Mühlen sind in . Tab. 3.3 und . Abb. 3.2 aufgeführt. Eine nasse Feinzerkleinerung wird nur für die Papier-Pappe-Aufbereitung in Pulperührwerken angewandt. Es wurde aber vorgeschlagen, für das Recycling von Altteppichböden eine Zerkleinerung mit einem Hochdruckwasserstrahl zu nutzen. Dabei soll die Strahlgeschwindigkeit so dosierbar sein, dass die Kautschukschicht feinstteilig zerstört wird und die freigesetzten Fasern als Recyclingfasern verwendbar bleiben. z

Kryogene Vorbehandlung

Die kryogene Vorbehandlung von Altstoffen nutzt den Versprödungseffekt (Abnahme der Elastizität und Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen) von insbesondere Thermoplasten und Elastomeren. Bei einer nachfolgenden Prallbeanspruchung erreicht man den Sprödbruch dieser Plaste und damit z. B. einen sehr effektiven Aufschluss von Kabelschrott durch Abplatzen des Isoliermaterials vom Kupferdraht. Auch für Verbundwerkstoffe aus diesen Kunststoffen mit Faser-oder Partikelverstärkung wird der Aufschlussgrad deutlich verbessert. Außerdem wird durch den Sprödbruch der Kunst-

stoffe ein relativ gleichmäßiges Kornspektrum erzeugbar. Das Verfahren der Kryomahlung gestattet die Erzeugung von Altkunststoffpulvern mit einer Feinheit von 0,25…0,30 mm. Kunststoffe und Metalle besitzen außerdem einen sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so dass bei der Tiefkühlung von solchen Werkstoffverbunden erhebliche Schubspannungen an den Grenzflächen Kunststoff/Metall auftreten und damit die Verbindungen gelockert oder gelöst werden (z. B. bei metallbeschichteten Kunststoffteilen, die in der Autoindustrie häufig in Anwendung sind). Gummierte Metallteile von Chemieanlagen können nur durch Tiefkühlung und mechanische Beanspruchung entgummiert werden. Als Kühlmedium für die Kryobehandlung wird ausschließlich flüssiger Stickstoff eingesetzt. Als Apparate sind Wirbelschneckenkühler, Wirbelrohrkühler oder Kühltunnel in Anwendung (. Abb. 3.3). z

Stückgrößenverteilung

Eine Zielstellung der Zerkleinerung ist die Erzeugung bestimmter Stückgrößen. Bei den im Zerkleinerungsapparat stattfindenden Bruchvorgängen entstehen aber immer Bruchstücke unterschiedlicher Stückgröße, so dass ein polydisperses Produkt vorliegt. Für die Charakterisierung derartiger Körnerkollektive verfügt die Aufbereitungstechnik über geeignete Methoden. In der Aufbereitungstechnik und Verfahrenstechnik verwendet man für die Abmessungen der Teile den Begriff »Korngröße«, der in der Recyclingtechnik wegen der vielfältigen und häufig nicht körnigen Formen nicht zweckmäßig erscheint. In manchen Ausnahmefällen ist aber wegen in der Verfahrenstechnik eingeführter Begriffe die Bezeichnung »Korn« nicht zu umgehen. Da bei der Feinzerkleinerung eher körnige Mahlprodukte entstehen, ist dort der Begriff Korn vorherrschend. Die Definition einer Stückgröße ist allerdings bei Altstoffen und deren Zerkleinerungsprodukten durch die große Vielgestaltigkeit der Formen (Drähte, Bleche, Fasern, Späne, Folien usw.) außerordentlich schwierig. Als Stückgröße definiert man eine gemittelte Abmessung »d« oder nutzt folgende physikalische Merkmale: 5 die Kantenlänge L quadratischer Öffnungen (Prüfsiebe), durch die die Stücke noch hindurchfallen,

3

21

3.3 • Klassierung

Vorzerkleinertes Aufgabegut

Flüssiger Stickstoff

Kühlprodukt zur Mahlung

. Abb. 3.3 Wirbelschneckenkühler (Messer Griesheim GmbH) [14].

5 die Oberfläche A oder die Projektionsfläche B der Stücke, 5 die Masse M oder das Volumen V der Stücke, 5 die Sinkgeschwindigkeit v der Stücke in einem Fluid unter Wirkung eines Kraftfeldes. Für die Beurteilung des Zerkleinerungsproduktes und seine weitere Verwertung/Bearbeitung sind Aussagen über den Anteil der verschiedenen Stückgrößen (Stückgrößenklassen) im Produkt entscheidend. Diese Aussagen liefert die Stückgrößenverteilung. In . Abb. 3.4 sind für ein Materialbeispiel die Stückgrößenverteilungsfunktion F (. Abb. 3.4a) und die zugehörige Stückgrößenverteilungsdichte D (. Abb. 3.4b) grafisch dargestellt. Besonders aus der Verteilungsdichte D sind die z. B. aus einer Siebanalyse gewonnenen Stückgrößenklassen deutlich erkennbar. Neben der in . Abb. 3.4 vorliegenden Hauptstückgrößen von 4…8 mm ist auch ein feineres Produkt (Feingut) entstanden und ein weiterer Produktanteil noch ungenügend zerkleinert (Grobgut). In . Tab. 3.4 sind für die sehr unterschiedlichen Altprodukte und Altstoffe nochmals die eingesetzten Zerkleinerungsmaschinen als Übersicht zusammengestellt.

3.3

Klassierung

Unter Klassierung versteht man die Aufteilung eines Körnerkollektivs in dessen verschiedene Korngrößenklassen (Stückgrößenklassen). Auf Grund der z. T. unvollständigen Zerkleinerung (Grobgut) und der anteiligen Entstehung von Feingut ist ein für nachfolgende Prozesse oft notwendiges enges

22

Kapitel 3 • Mechanische Verfahren zur Auftrennung von Werkstoffverbindungen

100

60 40 20 0 0

4

8 12 Stückgröße (mm)

16

20

0

4

8 12 Stückgröße (mm)

16

20

a 20 16 Dichte (%/mm)

3

Stückmasse (%)

80

12 8 4 0

b

. Abb. 3.4 a) Stückgrößenverteilungsfunktion F; b) Stückgrößenverteilungsdichte D.

Kornspektrum (Stückgrößenspektrum) nicht direkt in einer Zerkleinerungsstufe zu erzielen. Vor einer zweiten Zerkleinerungsstufe ist die Abtrennung des Feingutes aus dem Haufwerk zweckmäßig, um eine unerwünschte weitere Zerkleinerung (Übermahlung) zu vermeiden. Und andererseits muss das unvollständig zerkleinerte Material ebenfalls abgetrennt und der primären Zerkleinerung erneut vorgelaufen werden. Diese zwangsläufige Verknüpfung von mehreren Zerkleinerungsstufen mit zwischengeschalteter Klassierung führt zu einer typischen Kreislaufschaltung des technologischen Ablaufs (ein sog. Mahlkreislauf). z

Siebklassierung

Die Klassierung mittels Siebung ist das Hauptverfahren für große und mittlere Stückgrößen aber auch bis zu einer Trennkorngröße >1 mm einsetzbar. Die Trennung erfolgt durch Bewegung des Materials (Siebgut) auf einer perforierten Trennfläche (Siebboden). Die Lochabmessungen des Siebbodens

entsprechen der Trennkorngröße und man gewinnt im Siebdurchlauf das Feingut und im Siebüberlauf das Grobgut. Feingut und Grobgut fallen ebenfalls in einer bestimmten Stückgrößenverteilung an. Die Siebung erfordert eine freie Beweglichkeit der Einzelstücke, eine ständige Durchmischung des Siebgutes und eine Relativbewegung zwischen Siebgut und Siebboden. Die Siebung kann trocken oder nass erfolgen. Bei der Trockensiebung ist eine gewisse Anhaftung von Feingut am Grobgut unvermeidlich und außerdem die Staubentwicklung ein relativer Nachteil. Die Nasssiebung verbessert im Feinkornbereich die Beweglichkeit der Partikel erheblich und vermindert deutlich die Anhaftung von Feingut am Grobgut, so dass sogar ein Entschlämmen oder Waschen erreichbar ist. Dagegen führt feuchtes Siebgut zur Agglomeratbildung und ist bei der Siebtrennung zu vermeiden. Die Gestaltung der Siebböden ist vielfältig: Spaltroste, gelochte Platten, Drahtgewebe, Siebmatten. Die erforderliche Relativbewegung des Siebgutes zum Siebboden erreicht man mit verschiedenen Methoden: 5 Abrollen des Siebgutes auf einem geneigten Siebboden (ca. 40°) durch die Schwerkraft (Grobkornklassierung auf geneigten festen Rosten oder Sieben, 5 Wälzen des Siebgutes in einer drehenden Siebtrommel (Wälzsiebe, Trommelsiebe), 5 Schwingungen des Siebbodens (Wurfsiebe, Schwingsiebe), 5 Ausblasen des Feingutes mit einem Luftstrahl durch ein Siebelement (Luftstrahlsieb). Bei der Siebung von Altstoffgemischen treten häufig auch Sortiereffekte (Auftrennung nach Materialarten) auf, wenn z. B. im Feingut eine bestimmte Stoffart vorliegt oder bei der Zerkleinerung eine bestimmte Stoffart infolge Sprödbruch bevorzugt zerkleinert wurde. Andererseits entziehen sich elastische Stoffe häufig der Zerkleinerung und werden überwiegend im Grobgut ausgetragen. Diese Sortiereffekte bei der Siebung kann man gezielt anwenden. Beispiele für Siebmaschinen, die in der Abfallaufbereitung häufig im Einsatz sind, zeigt . Abb. 3.5.

23

3.3 • Klassierung

3

. Tab. 3.4 Übersicht zu den Zerkleinerungsmaschinen für die Aufschlusszerkleinerung und Stückgrößenreduzierung von Altprodukten und Altstoffen nach Schubert [13] Altprodukt/Altstoff

Zerkleinerungsmaschine

Grob- und Mittelzerkleinerung 1. Stahl- und NE-Metallschrotte (Schienen, Profile, Bleche, …)

Guillotinescheren, Alligatorscheren

2. Großflächige Fußbodenbeläge 3. Gusseisen-, Aluminiumgussschrott

Backenbrecher (Fallwerke)

4. Beton, Bauschutt 5. Sperrmüll (Möbel, Teppiche, Fahrräder, Fässer, Altreifen, Bretter, Balken, Akten)

Rotorscheren

6. Blechbehälter, kleine E-Motoren 7. Kunststoffabfälle, Kunststoffbehälter, Folien, Schaumstoffe, Holzabfälle

Schneidmühlen

8. PKW- und Aluminiumschrotte, Metallspäne, Sperrmüll, Holzabfälle, Papier, Pappe, Haushaltsabfälle

Rotorreißer

9. Ballen und Säcke 10. Asphalt, Bauschutt 11. PKW, Blechpakete, Haushaltsgeräte, Elektrogeräte, Verbrennungsschrott, Bleiakkuschrott, E-Motoren, Blechschrott, Metallspäne, Hausmüll, Pappe

Hammerreißer (Shredder), verschiedene Ausführungsformen

Feinzerkleinerung

z

1. Kabel, Steckverbinder, Elektrokleinschrott

Schneidmühlen, Hammermühlen (evtl. Kryovorbehandlung)

2. Faser- und Schichtverbunde

Prallmühlen (evtl. Kryovorbehandlung)

3. Beschichtungen

Strahlmühlen

4. Elastomere, Kunststoffe

Prallmühlen (evtl. Kryovorbehandlung), Druckwalzen (Kollergänge), Matrizenpressen

5. Alttextilien

Stiftreißer

6. Altpapier, Altpappe

Stofflöser (Pulper)

Stromklassierung

Die Stromklassierung nutzt zur Trennung unterschiedlicher Korngrößen die Sinkgeschwindigkeit der Körner in einem Fluid aus. Als Fluid werden Flüssigkeiten oder Luft eingesetzt. Für den einfachsten Fall der Bewegung eines kugelförmigen Einzelkorns in einem Fluid gilt folgende Gleichung:  4 · d · ρ · g w= 3 · ξ · ρF

Dabei gilt: w : Absetzgeschwindigkeit (m/s), d : Korngröße (m), g: Fallbeschleunigung (9,81 m/s), ξ : Widerstandszahl (dimensionslos), Δρ: Dichtedifferenz zwischen den Feststoffteilchen ρT und dem Fluid ρF (kg/m3), ρF : Dichte des Fluids (kg/m3). Die Widerstandszahl ξ ist von der Art der Umströmung der Körner, d. h. von der Reynolds-Zahl Re abhängig. Bei vorliegender laminarer Umströmung (Re 65 % Ni

Schwachmagnetische Werkstoffe

Cu-Mehrstoff-Gusslegierungen (Bronzen)

Nichtmagnetische Werkstoffe

Hochlegierte Stähle: Manganstähle (11…21 % Mn) Rost- und säurebeständige Stähle (7…18 % Ni, 15…23 % Cr) Hitze- und zunderbeständige Stähle (11…21 % Ni, 22…27 % Cr) Hochwarmfeste Stähle NE-Metalle: Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink und deren Legierungen Edelmetalle

tiger Metalle und Legierungen sind in . Tab. 3.6 zusammengestellt. Günstige Stückgrößen für die Magnetscheidung sind 1…10 mm, in Ausnahmefällen bis 100 mm. Die Magnetscheider arbeiten mit Elektromagneten oder Permanentmagneten. In der Recycling-

technik sind Trockenmagnetscheider in Anwendung, die ein trockenes, nicht klumpendes Gut und frei bewegliche Teilchen erfordern. Der Stoffstrom wird mit Schurren auf eine bewegte Transportfläche (Trommel oder Band) aufgegeben und durch über oder unter dieser Fläche angeordnete Magnet-

. Abb. 3.9 Magnetschneider.

3

29

3.4 • Sortierung von Feststoffen

1. Trommelmagnetscheider

Aufgabe

2. Überbandmagnetscheider Oberes Förderband

Aushebemagnet

Magnet

Magnetisches Material

Unteres Förderband mit Aufgabegut

Magnetisches Material Unmagnetisches Material

segmente das magnetisierbare Material ausgehoben oder abgelenkt. Die zwei häufigsten Apparatetypen sind in . Abb. 3.9 dargestellt.

. Tab. 3.7 Trenneffekt der Wirbelstromsortierung (Verhältnis Leitfähigkeit/Dichte) [7] Werkstoff

z

Wirbelstromsortierung

Eine Spezialentwicklung für die Recyclingtechnik ist die Wirbelstromsortierung. Durch ein rotierendes Magnetfeld werden in elektrisch leitenden Teilchen (Metallteilen) Wirbelströme induziert, deren Magnetfeld dem induzierenden entgegengerichtet ist. Daraus resultiert eine abstoßende Kraftwirkung auf die Metallteilchen. Dieser Abstoßungseffekt wird dabei durch das Verhältnis Leitfähigkeit/ Dichte der Teilchen bestimmt. Das Verhältnis ist in . Tab. 3.7 für wichtige Metalle angegeben. Man erkennt, dass die Wirbelstromsortierung offenbar für Al-Werkstoffe vorteilhaft einsetzbar ist. Der Sortiereffekt wird aber auch von der Stückform und Stückgröße beeinflusst. In kleinen Teilchen 8,7

2,0 × 10–32

Sn(OH)2

3,8…4,3

>9,2

6,0 × 10–25

Cu(OH)2

5,8…8,0

–

2,0 × 10–19

CuCO3

2,5 × 10–10

CuS

8,0 × 10–37

Zn(OH)2

7,6…8,3

>10,8

4,0 × 10–17

ZnCO3

1,6 × 10–11

ZnS

1,6 × 10–24

Co(OH)2

7,0…9,0

–

2,0 × 10–16

CoCO3

1,6 × 10–13

CoS

2,0 × 10–25

Fe(OH)2

7,0…8,9

–

2,0 × 10–15

FeCO3

2,5 × 10–11

FeS

3,7 × 10–19

Ni(OH)2

7,8…9,3

–

5,8 × 10–15

NiCO3

1,3 × 10–7

NiS

2,0 × 10–26

Cd(OH)2

9,1…10

–

1,3 × 10–14

CdCO3

5,0 × 10–12

CdS

1,6 × 10–28

fen der Fällungskristallisation und die Einflüsse der Übersättigung (S), der Temperatur (T) und der Fälltechnik betrachten. z

Karbonatfällung

Modellvorstellungen zur Fällungskristallisation [24] [25]

1. Erzeugung einer Übersättigung S in der Salzlösung durch eine chemische Reaktion mit den wichtigen Einflussfaktoren Löslichkeit cS der schwer löslichen Verbindung, Zugabegeschwindigkeit des Fällreagenz vZ und Übersättigungskonzentration c (Übersättigung S = ln c/cS), 2. Abbau der Übersättigung S durch die Prozessschritte Keimbildung oder Keimzusätze und Kristallwachstum (Kristallwachstumsgeschwindigkeit vw = f(T2,S)), 3. Reifung und/oder Agglomeration der Kristallite. Die geringe Löslichkeit cS (kleines Löslichkeitsprodukt L) der zu fällenden Verbindungen verursacht bei Zugabe des Fällreagenz sehr schnell eine hohe Übersättigung S, die eine starke Keimbildung bewirkt (Keimbildungsgeschwindigkeit vk = f(S,T)). Infolge häufig unzureichend intensiver Vermi-

Löslichkeitsprodukt LK

schung des Fällreagenz mit der Lösung kann es außerdem zu erheblichen lokalen Übersättigungen kommen, die örtliche Keimbildungslawinen auslösen. Das Wachstum der Kristallite auf Basis der Keime wird durch eine erhöhte Temperatur und optimale Stoffübergangsbedingungen (Konzentrationsausgleich, Strömungsbedingungen) gefördert. Die Gewinnung kristalliner Niederschläge ist also offenbar an folgende Bedingungen geknüpft [24] [25]: 1. geringe und kontrollierte Keimbildung durch 5 Auswahl schwer löslicher Verbindungen mit nicht extrem geringer Löslichkeit (z. B. Karbonate oder basische Salze anstelle von Hydroxiden oder Sulfiden; siehe dazu . Tab. 4.1), 5 effektive apparative Maßnahmen zur intensiven Vermischung des Fällreagenz mit der Lösung (Vermeidung lokaler Übersättigungen) und 5 Anpassung der Zugabegeschwindigkeit vZ des Fällreagenz (Dosierung) an die Kristallwachstumsgeschwindigkeit vW; 2. Förderung des Kristallwachstums durch erhöhte Temperatur und intensive Rührung.

Die apparativen Maßnahmen zur Vermeidung lokaler Übersättigungen durch Dosierung und effektive Vermischung des Fällreagenz sind in . Abb. 4.5 skizziert. Das Problem der lokalen Übersättigungen ist vollständig ausschaltbar, wenn man eine Substanz findet, die das Fällreagenz erst in der Lösung durch Erhöhung der Temperatur freisetzt. Eine solche Substanz ist z. B. Harnstoff, den man der Lösung zumischt und dann durch Erhöhung der Temperatur der Lösung dessen Hydrolyse bewirkt, wodurch das Fällreagenz NH3 freigesetzt wird.

Verteilersystem für Fällreagenz

Strombrecher zur Erzeugung lokaler Turbulenzen an den Dosierstellen

Strombrecher des Rührwerks

CO(NH2 )2 + H2 O → 2NH3 + CO2

z

Metallkomplexverbindungen

In der Oberflächentechnik kommen häufig Prozesslösungen zum Einsatz, in denen die Metallionen komplex gebunden sind, so dass nur sehr geringe Konzentrationen an nicht komplexierten Metallionen in den Lösungen vorliegen. Geringe Probleme bereiten die Hydroxo- und Amminkomplexe, die durch Zugabe von Säure leicht zu zerstören sind. Weitere häufig angewandte Komplexbildner sind aber Cyanid und Phosphat sowie vielfältige organische Komplexbildner (Triethanolamin-TEA, Ethylendiamintetraessigsäure-EDTA, Weinsäure u. a.), die eine Ausfällung sehr erschweren. Die Ausfällung gelingt grundsätzlich nur dann, wenn die Dissoziation des Metallkomplexes eine Konzentration freier Metallionen zulässt, die größer ist als die Metallionenkonzentration der Dissoziation der zu fällenden schwer löslichen Verbindung, d. h., es müssen schwer lösliche Verbindungen mit besonders geringem Löslichkeitsprodukt ausgewählt werden. Solche Verbindungen sind besonders die Sulfide (. Tab. 4.1) und noch günstiger die Organosulfide (z. B. Dimethyldithiocarbamat, DMDTC). Ein zweiter Weg ist die Zerstörung der Komplexbildner durch Oxidation (z. B. auch bei Cyanidkomplexen einsetzbar) und ein dritter Weg die elektrochemische Reduktion der Metallionen, die im folgenden Abschnitt besprochen wird.

Fällreagenzbehälter

Dosierpumpe

Harnstoffhydrolyse:

Diese Methodik bezeichnet man als Fällung aus homogener Lösung.

4

49

4.2 • Recyclingverfahren mit physikalischen und chemischen Methoden

Heizmantel Fällpulpe . Abb. 4.5 Rührwerksbehälter für die Fällungskristallisation (Vermeidung lokaler Übersättigungen durch apparative Maßnahmen zur effektiven Vermischung des Fällreagenz).

Elektrochemische Prozesse Die theoretische Grundlage der elektrochemischen Abscheidung von Metallen aus Lösungen bilden die Normalpotentiale der Metalle gegenüber der Normalwasserstoffelektrode (Normalpotential = E0 (V). Die Auflistung der Normalpotentiale nach ihren Werten ergibt dann die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle (. Tab. 4.2). z

Zementation unedler Metallionen

Metallionen mit positiverem Normalpotential (. Tab. 4.2) können durch Metalle mit negativerem Normalpotential in der Lösung reduziert und als Metallpulver ausgeschieden werden. Diese elektrochemische Reduktion bezeichnet man als Zementation. Der häufigste Anwendungsfall ist die Cu2+Zementation aus Lösungen mit Eisenschrott nach der folgenden Reaktion: Cu2+ + Fe0 → Cu0 + Fe2+

In analoger Weise ist z. B. die Zementation von Ag+ mit Kupferblech durchführbar. Die Zementate enthalten aber immer Restmengen des Zementations-

50

Kapitel 4 • Physikalische und chemische Recyclingverfahren und Vorbehandlungsverfahren

. Tab. 4.2 Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle [21]

4

Reaktion

Normalpotential E° (V)

Na ↔ Na+ + e

–2,71

Mg ↔ Mg2+ + 2 e

–2,38

Al ↔ Al3+ + 3 e

–1,66

Zn ↔ Zn2+ + 2 e

–0,76

Fe ↔

Fe2+ + 2

–0,44

Cd ↔

Cd2+ + 2

e e

–0,40

Ni ↔ Ni2+ + 2 e

–0,23

Sn ↔ Sn2+ + 2 e

–0,14

Pb ↔

e

–0,13

Fe ↔ Fe3+ + 3 e

–0,04

H2 ↔ 2 H + + 2 e

0,00

Cu ↔ Cu2+ + 2 e

+0,34

Cu ↔ Cu+ + e

+0,52

Ag ↔ Ag+ + e

+0,80

Pb ↔ Pb4+ + 4 e

+0,80

Pt ↔ Pt2+ + 2 e

+1,20

Au ↔ Au3+ + 3 e

+1.42

Au ↔

+1,70

Pb2+ + 2

Au+

+e

mittels. Die Potentiale der Metallionen sind allerdings von der Konzentration und der Temperatur abhängig und erreichen z. B. mit abnehmender Konzentration immer negativere Werte. Diese Einflüsse sind aber durch die Nernst’sche Gleichung zu berechnen: 0 EMe = EMe + 0,058 log cMe /z

Dabei gilt: E0Me = Normalpotential (V), c = Konzentration (Mol/l), z = Wertigkeit des Metallions

z

Elektrolyseverfahren mit unlöslichen Anoden

Beim Elektrolyseverfahren erreicht man die Ausfällung der Metallionen aus der Lösung durch deren elektrochemische Reduktion an einer Kathode. Zu diesem Zweck muss man in der Lösung zwei Elektroden installieren (Kathode und Anode), an die eine Gleichspannung angelegt ist. Parallel zur Reduktionsreaktion an der einen Elektrode (Kathode) erfolgt eine äquivalente Oxidationsreaktion an der anderen Elektrode (Anode). Diese Reaktionen demonstrieren die folgenden Beispiele: Kathodische Reduktionen: Cu2+ + 2e → Cu0 Ag+ + e → Ag0

2H+ + 2e → H2

Anodische Oxidationen: 2Cl− → Cl2 + 2e 2H2 O → 4H+ + O2 + 4e 2SO2− 4 + 2H2 O → 2H2 SO4 + O2 + 4e

Die gebräuchlichste Form der Elektroden sind senkrecht angeordnete Plattenelektroden (. Abb. 4.6). Bei dieser Form scheidet sich das reduzierte Metall als Blech oder Pulver auf der Kathode ab und ist von dieser abnehmbar. In einer Grenzschicht an der Kathodenoberfläche kommt es aber dabei zu einer Verarmung an Metallionen, die so stark sein kann, dass schließlich H+-Ionen entladen werden und damit Wasserstoff entsteht. Diesen Bereich der Wasserstoffbildung, der parallel auch zum starken Absinken der Stromausbeute für die Metallabscheidung führt, sollte man aber weitgehend vermeiden. Von entscheidendem Einfluss auf diesen Verarmungseffekt sind hohe Stromdichten (A/m2) an der Plattenoberfläche, geringe Metallionenkonzentrationen in der Lösung und ungenügender Konzentrationsausgleich an der Plattenoberfläche (Grenzschicht). So wurde bei der Elektrolyse einer schwefelsauren Abfalllösung (40 g H2SO4/l; 6,8 g Cu/l) mit Plattenelektroden eine eindeutige

4

51

4.2 • Recyclingverfahren mit physikalischen und chemischen Methoden

a

Lösung Elektrolysewanne Anoden

Kathoden

b

Unlösliche Anode

Lösung

Gereinigte Lösung

Wirbelbett der Partikel Gereinigte Lösung

Granalienaustrag

Lösungszulauf (stark)

Anolyt

Siebboden

Membran

Wirbelbett-Elektrolysezelle mit leitenden Partikeln und starker Elektrolytströmung im Kathodenraum

Partikelkathode Antrieb für die Rotation der Zelle Rotierende Elektrolysezelle mit Schüttgutkathode aus leitenden Partikeln

. Abb. 4.6 Apparative Gestaltung von Elektrolysezellen für die Reduktion von Metallionen. a) Elektrolysezelle mit Plattenelektroden für konzentrierte Lösungen. b) Bauarten von Elektrolysezellen für verdünnte Lösungen mit Partikelkathoden und effektivem Konzentrationsausgleich [21] [26].

Abhängigkeit der Grenzstromdichte IGr von der Cu2+-Konzentration gefunden [26] (. Tab. 4.3).

Für das Recycling von Metallen aus häufig sehr gering konzentrierten Lösungen durch Elektrolyse muss man deshalb den Konzentrationsausgleich

52

Kapitel 4 • Physikalische und chemische Recyclingverfahren und Vorbehandlungsverfahren

. Tab. 4.3 Grenzstromdichte in Kupfersulfatlösungen [26]

4

Konzentration Cu2+ (g/l)

Grenzstromdichte IGr (A/m2)

8

180

4

95

1

22

0,5

15

0,15