Projekt 34241/01

Entwicklung eines mikrowellenbasierten Aufschlussverfahrens für die Trennung von Verbundbaustoffen

Projektdurchführung

Fritz Kohler Ecomicrowaves
Breslauer Str. 6
35789 Weilmünster

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Vorhabens bestand in der Entwicklung eines mikrowellenbasierten Aufschlussverfahrens für die Trennung von Verbundbaustoffen. Das Abtragen von auf Mauerwerk oder Beton stoffschlüssig aufgetragenen Ausbaustoffen, wie Putzen und Fliesen mittels Mikrowellenbehandlung, war als praxistaugliches In-Place-Verfahren zu entwickeln. Der Anlass dafür ist das bestehende Hemmnis beim Recyceln von Verbundbaustoffen. Diese sind nach dem Abriss von Mauerwerk häufig noch stoffschlüssig miteinander verbunden und erschweren deshalb die sortenreine Trennung der Baustoffe, was aber für ein stoffspezifisches, hochwertiges Recycling unbedingte Voraussetzung ist. Neben der Entwicklung eines Gerätesystems, geeignet für horizontale und vertikale Flächen, sollte eine Schaltschicht entwickelt und erprobt werden, die zwischen den Baustoffen und Ausbaustoffen platziert werden kann und auf Mikrowellen anspricht. Die Schaltschicht soll die Rezyklierbarkeit der Ausbaumaterialien nicht negativ beeinflussen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Forschungsvorhaben ist in zwei Teilvorhaben gegliedert, wobei die Firma Fritz Kohler Ecomicrowaves für die Entwicklung der Gerätetechnik und die IAB Weimar gGmbH für die Entwicklung einer mikrowellensensiblen Schaltschicht zuständig war und auch die Erprobung des Gerätesystems vorgenommen hat.

Die dafür erforderlichen und abgearbeiteten Arbeitsschritte sind in den folgenden Arbeitspaketen dokumentiert:

Teilvorhaben1: Entwicklung Schaltschicht

Arbeitspaket 1
Für die Erprobung der Demonstratoren wurden horizontale und vertikale Musterflächen hergestellt. Diese bestanden aus kleinformatigen Gipskartonelementen, auf die Fliesen aufgebracht wurden. Bei den großformatigen Varianten wurden Musterwände aus Ziegelmauerwerk errichtet und mit Fliesen versehen.


Arbeitspaket 2
Weiterentwicklung der Schaltschicht mit drei Zielrichtungen:
- Integration in handelsübliche Grundierungen und Primer
- Minimierung der Auswirkungen auf den Verbund
- Möglichst rückstandslose Schaltschicht

Arbeitspaket 3
Die Auswirkungen der modifizierten Schaltschicht auf die Haftzugfestigkeit der Verbünde wurden untersucht.

Arbeitspaket 4
Die Schaltschicht sollte so weiterentwickelt werden, dass nach der Trennung möglichst wenig Rückstände zurückbleiben. Dafür mussten Additive, die sich von ihrem Verhalten bei einer thermischen Behandlung eignen könnten, ausgewählt und charakterisiert werden. Anschließend wurden mit diesen Additiven ausgerüstete Verbundprobekörper mit dem IAB-Standardverfahren auf die Trennbarkeit hin untersucht. Neben der Art der Additive wurde auch die eingesetzte Menge untersucht.

Arbeitspaket 5
Der Einfluss der Schaltschicht wurde in Bezug auf die Auswirkungen auf die Rezyklierbarkeit der Wandbaustoffe als Trägermaterial untersucht. Dazu wurden Probekörper hergestellt und nach dem IAB-Standardverfahren in einer Labormikrowelle behandelt. Die wasserwirtschaftlichen Zuordnungswerte des Trägermaterials wurden mit und ohne Beschichtung ermittelt. Daraus konnte geschlussfolgert werden, ob sich die Verwertbarkeit durch die aufgetragene Schaltschicht verändert.

Arbeitspaket 6
Die Prüfung der Rezyklierbarkeit wurde auf die abgetragenen Oberflächenkomponenten ausgedehnt.

Teilvorhaben 2: Geräteentwicklung

Arbeitspaket 1
Zunächst wurden die Anforderungen, die an die Anlage gestellt werden, in einem Pflichtenheft nachfolgenden Kriterien zusammengestellt.
- Es wurden Recherchen und Befragungen bei mit dem Rückbau oder der Sanierung befassten Firmen zu den gegenwärtig verwendeten Werkzeugen, dem Aufwand an Arbeitskräften und Energie sowie zu der erreichten Trenngüte durchgeführt.
- Der erforderliche Energieeintrag und die Größe der Fläche, die zu beaufschlagen ist, wurden anhand der Ergebnisse der Versuche in der Labormikrowelle festgelegt.
- Ein Sicherheitskonzept für das Betreiben der Anlage war in Anlehnung an die Anwendung von offenen Mikrowellenanlagen in anderen Sektoren zu entwickeln.

Arbeitspaket 2
Auf der Grundlage des Pflichtenheftes erfolgte der Entwurf der Anlage. Sie besteht aus einer offenen Mikrowellenquelle, die mobil positioniert werden kann. Die Art des Strahlers wurde modifiziert und deren Wirksamkeit erprobt. Für vertikale Flächen waren Lösungen mit Fahreinheiten oder ebenfalls Roboterlösungen recherchiert.

Arbeitspaket 3
Es erfolgte der Bau eines Demonstrators, der das erarbeitete Sicherheitskonzept erfüllt. Die Leistungsdaten – Energieeintrag und Bearbeitungsdauer – sowie die erreichten Oberflächentemperaturen wurden ermittelt. Da die Leistungsfähigkeit zunächst unbefriedigend war, wurden weitere Entwicklungsschritte erforderlich, die zu einem leistungsstärkeren Mikrowellengerät führten. Mit diesem wurden Demonstratorversuche an verschiedenen Wandaufbauten durchgeführt.

Arbeitspaket 4
Es wurde untersucht, ob die Erkenntnisse aus der Bearbeitung der vertikalen und horizontalen Musterflächen miteinander vergleichbar sind. Unter Nutzung der Erkenntnisse aus der Bearbeitung der Musterflächen wurde ein Demonstrator für vertikale Flächen gebaut und an den Musterwänden erprobt.

Arbeitspaket 5
Auf der Grundlage der bei den Erprobungen gesammelten Erfahrungen wurde ein Demonstrator diskutiert. Zur Realisierung wurden die erforderlichen technischen Randbedingungen unter Betrachtung der Sicherheitsaspekte erörtert.

Arbeitspaket 6
In einer technischen Dokumentation wurden die Parameter der entwickelten In-place-Anlagen und die erreichbaren Abtragsleistungen für verschiedene Verbundsysteme zusammengefasst. Die Handhabung und das Sicherheitskonzept wurden beschrieben


Ergebnisse und Diskussion

Das Forschungsvorhaben beinhaltete folgende Untersuchungen:
- Variation Zusammensetzung Schaltschicht zur Anpassung an Mikrowellensystem
- Variation der Lage der Schaltschicht im Schichtenaufbau
- Erprobung weiterer Additive
- Erprobung verschiedener Probekörpergeometrien (Fliesengröße)
- Erfassung der Trennerfolge und der dazugehörigen Temperatur und Art des Versagens
- Einfluss der Modifizierung auf Applikation, Haftzugfestigkeit und Rezyklierbarkeit
- Ermittlung und Charakterisierung der Hotspot-Ausbildung offener Mikrowellensysteme
- Variation verschiedener offener Mikrowellen und Strahlertypen
- Zusammenführung aller gewonnenen stofflichen und verfahrenstechnischen Erkenntnisse in einem Demonstrator-Versuch
- Ermittlung der Aufschluss-Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von stofflichen und verfahrenstechnischen Randbedingungen

Folgende Effekte wurden dabei festgestellt
- Erhöhung des Wirkstoffgehalts in Schaltschicht im geringere Leistung der eingesetzten Mikrowellensysteme zu kompensieren
- Bereits bekannte Wirkstoffe (Graphit, Blähgraphit) besser geeignet als zusätzlich geprüfte Alternativen dazu
- Trennerfolge unter bestimmten Bedingungen bei moderaten Temperaturen und unter 20 s möglich
- Eingesetzte Wirkstoffe beeinflussen alle weiteren Eigenschaften des Schichtaufbaus nur unwesentlich
- Mikrowellensysteme unterscheiden sich in Leistung untereinander
- Demonstrator-Versuch ergaben geringere Aufschluss-Geschwindigkeiten als Versuche an einzelnen, kleinformatigen Probekörpern, trotz gleichem Mikrowellengerät.

Erreicht wurden damit folgende Ziele:
- Ermittlung der maximalen Dosierung
- Bestimmung der optimalen Lage der Schaltschicht
- Ermittlung Aufschluss-Geschwindigkeiten
- Erstellung konzeptionelle Entwürfe, die nach Auffassung der Autoren jedoch wenig praxistauglich erscheinen, da einerseits ein Up-Scaling praktisch nicht möglich ist und die benötigte Messtechnik für ein autonomes Gerät sehr anspruchsvoll ist


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Forschungsvorhabens fand keine Öffentlichkeitsarbeit statt. Die Präsentation der Ergebnisse erfolgte im Rahmen mehrerer Projekttreffen.


Fazit

Es ist prinzipiell möglich, Verbundbaustoffe mittels einer darin integrierten Schaltschicht mikrowellenbasiert „in-place“ zu trennen. Die Praxistauglichkeit eines solchen Verfahrens stellt jedoch eine Herausforderung dar, da die in diesen Forschungsvorhaben erzielten Aufschluss-Geschwindigkeiten sehr gering sind und der technische Aufwand sehr hoch ist.