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Diese
Erfindung betrifft Verbesserungen bei der elektrostatischen Materialtrennung,
insbesondere von vermischtem Abfallmaterial aus Kunststoff. Eine
solche Trennung ist insbesondere wünschenswert zum Zweck des Recyclings
und der Wiederbenutzung der Materialien. Die Erfindung kann ebenso verwendet
werden, um andere elektrische Isolierstoffe entweder voneinander
oder von leitenden Materialien wie Metallen zu trennen.
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Kunststoffabfall
stammt üblicherweise
entweder aus Müll
oder aus Produktionsabfall bei der Herstellung von Konsumgütern aus
Kunststoff, und es besteht ein Bedürfnis, unterschiedliche Arten
von Kunststoff voneinander zu trennen. Elektrostatische Trennung,
wie beispielsweise die Trennung von Kunststoffen nach ihren elektrostatischen
Ladungen, ist bekannt als ein Mittel zur Erfüllung dieser gewünschten
Trennung. Der Kunststoffabfall wird zuerst in verhältnismäßig kleine
Partikel zerhackt oder zerschnitzelt und nach Aufladung mittels
geeigneter Einrichtungen anschließend elektrostatisch getrennt.
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Elektrostatische
Ladungen entstehen bei elektrischen Isolierstoffen (die meisten
Kunststoffe eingeschlossen), wenn unterschiedliche solcher Materialien,
welche unterschiedliche Austrittsarbeiten besitzen, miteinander
in Kontakt gebracht werden. Angenommen, die Austrittsarbeit eines
Materials A ist kleiner als die eines Materials B, dann resultiert aus
dem direkten physikalischen Kontakt des Materials A mit Material
B ein Elektronentransfer von A nach B. Die Materialen werden triboelektrisch
aufgeladen. Material A wird positiv geladen und Material B, welches
Elektronen erhält,
wird negativ geladen.
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Triboelektrische
Aufladung entsteht nur, wenn sich die Austrittsarbeiten der beiden
Materialien, welche miteinander in Kontakt sind, unterscheiden.
In einigen seltenen Fällen,
abhängig
von der Kristallstruktur der Materialien, könnte man einen geringen Unterschied
in der Austrittsarbeit an einem Punkt des Kristalls des Materials
verglichen mit einem anderen Punkt auf der Oberfläche des
gleichen Kristalls antreffen. In einem solchen Fall kann auch eine
sehr kleine triboelektrische Aufladung selbst zwischen zwei gleichen
Materialien auftreten.
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Die
verschiedenen Raten, mit denen Kunststoffe Ladungen aufnehmen, wenn
sie auf solche An miteinander in Kontakt gebracht werden, können als Basis
für die
Trennung des Materials A vom Material B mittels elektrischer Felder
verwendet werden, wenn die beiden Materialien in einem Gemisch vorliegen.
Die Erfindung zielt darauf ab, den Bereich, bis zu welchem die Stärke der
triboelektrischen Aufladung in den Materialien aufgebaut werden
kann, zu erweitern und somit die Effizienz der Trennung zu verbessern.
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Die
Tribo-Elektrifizierung kann nur zwischen elektrischen Isoliermaterialien
oder zwischen Metallen und elektrischen Isoliermaterialien angewendet werden.
Die Tribo-Elektrifizierung
kann nicht angewendet werden, um elektrisch leitende Materialien wie
zwei Metalle voneinander zu trennen. Wird beispielsweise Kupfer
mit Nickel kontaktiert, so tritt zwar ein Ladungstransfer auf, da
die Austrittsarbeit von Nickel deutlich höher ist als die von Kupfer.
Versucht man dann allerdings, diese Materialien voneinander zu trennen,
so würde
die Ladung sofort dorthin zurückfließen, woher
sie stammt, und in der Summe wären
beide Metallpartikel somit nach einer Trennung wieder neutral.
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Stand der
Technik
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Das
US-Patent 5,289,922 von Inculet und anderen offenbart die elektrostatische
Trennung von vermischtem Kunststoffabfall. Inculet und andere offenbaren
eine Vorichtung für
die triboelektrische Aufladung von Partikeln aus Isoliermaterialien.
Die Vorrichtung enthält
einen Behälter,
um Partikel aufzunehmen, und dieser Behälter besteht aus einem solchen
Material, dass die Austrittsarbeit des Behältermaterials sich von derjenigen
der Materialien von zumindest einigen Partikeln in dem Behälter unterscheidet.
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Der
Behälter
ist drehbar, und die Vorrichtung enthält eine Einrichtung, um den
Behälter
um eine Drehachse zu drehen. Die Orientierung der Drehachse ist
so geartet, dass im Betrieb der Vorrichtung die Partikel gegeneinander
und gegen die Wände
des Behälters
stoßen,
wobei sie triboelektrisch geladen werden.
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Das
Gemisch der zu trennenden Kunststoffmaterialien wird in den Behälter an
einer Eingangsstelle desselben eingespeist und tritt aus der Röhre an einer
Ausgangsstelle derselben aus. Die Vorrichtung enthält weiterhin
Einrichtungen, um das Material nach und nach und progressiv durch
den Behälter vom
Eingangspunkt zum Ausgangspunkt zu bewegen; und die Anordnung der
Vorrichtung ist ferner so geartet, dass das Material an jedem Punkt
des Durchlaufs das Material getrennt von dem Material an anderen
Punkten des Durchlaufs gehalten wird.
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Das
Fortschreiten der Partikel durch den Behälter ist so geartet, dass sich
die Partikel nicht generell vermischen, beispielsweise mit Partikeln
in unterschiedlichen Ladungszuständen,
sondern nur mit Partikeln im gleichen Ladungszustand. Deswegen kann
die Ladung der Partikel, ohne abgeleitet zu werden, progressiv erhöht werden,
wenn sich die Partikel durch den Behälter bewegen.
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Der
Behälter
hat vorzugsweise die Form einer Röhre, welche an beiden Enden
offen ist, wobei die triboelektrisch geladenen Teilchen an dem einen Ende
eintreten und an dem anderen Ende der Röhre wieder austreten. Die Röhre ist
drehbar gelagert, und die Drehachse der Röhre ist vom Einlass zum Auslass
unter einem geringfügigen
Winkel gegenüber der
Horizontalen nach unten geneigt. Die Drehgeschwindigkeit der Röhre und
der genannte geringe Winkel sind vorzugsweise einstellbar.
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Die
Röhre kann
zumindest eine Rippe aus dem gleichen Material wie die Röhre selbst
aufweisen, wobei sich die Rippe von der inneren Oberfläche der
Röhrenwand
radial nach innen gerichtet erstreckt. Die Rippe ist entlang der
axialen Länge
der Röhre
angeordnet, so dass die Rippe während
der Röhrendrehung
dazu dient, das Gemisch der Partikel, welche sich in der Röhre befinden,
durcheinander zu wirbeln.
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Die
Trennvorrichtung kann ferner einen Kanal aufweisen, welcher auf
gleicher Linie mit dem Ende der Röhre liegt, wobei der Kanal
wenigstens eine Öffnung
(beispielsweise ein länglicher,
sich vorzugsweise verjüngender
Schlitz, oder eine Vielzahl kleiner Löcher) entlang des Bodens des
Kanals aufweist, damit die dann dort durchfallenden Partikel einen
Vorhang aus Partikeln bilden, wobei Hochspannungselektroden vertikal
auf beiden Seiten des Kanals angeordnet sind und sich der Länge nach
und abwärts
gerichtet erstrecken, um die Partikel zu trennen.
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Das
Ziel dieser Konstruktion ist es, eine Einrichtung für die triboelektrische
Aufladung zu schaffen, welche hoch effektiv und mit weniger Investitionskosten
und mit geringerem Energieaufwand arbeitet als in üblichen
Fließbettvorrichtungen.
Obwohl die von Inculet und anderen beschriebene Vorrichtung dieses
Ziel erreicht, hat die beschriebene Vorrichtung einige Nachteile,
welche diese Erfindung zu überwinden
versucht.
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Weil
bei dem elektrostatischen Trennungsprozess die Trennung auf dem
Verhältnis
Ladung zu Masse basiert und dieses Verhältnis linear ansteigt, wenn
die Partikelgröße abnimmt,
ist eine einheitliche Partikelgröße ein wichtiger
Parameter für
die Bestimmung der Reinheit und der Ausbeute bei der Trennung von
gemischtem Kunststoff. Ferner können
sich Feinstoffe, welche sich sehr stark aufladen, unerwünscht an
den Elektroden ansammeln und dort, wenn sich eine Ablagerung aufbaut,
die elektrische Feldstärke
reduzieren, wodurch mit der Zeit die Effizienz der Trennung herabgesetzt
wird.
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An
einem Punkt des Trennungsprozesses ist, wie von Inculet und anderen
beschrieben, ein Kanal auf gleicher Linie mit dem Ende der Röhre positioniert,
wobei der Kanal eine Vielzahl von Öffnungen oder einen sich verjüngenden
Schlitz entlang des Bodens aufweist, wodurch die Partikel als „Vorhang" hindurchfallen.
Hochspannungselektroden sind vertikal in Form eines Turmes auf beiden
Seiten des Kanals angeordnet und erstrecken sich dort der Länge nach
und nach unten gerichtet, um die Partikel zu trennen. Der Nachteil
in diesem System ist es, dass der Bedienungsperson keine unmittelbare
oder kontinuierliche Rückmeldung über die
Quantität
der getrennten Materialverteilung erhält.
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Um
eine gute Trennung und hohe Partikeldurchsatzraten zu erhalten,
ist ein kontinuierlicher Partikelstrom auf einer Linie parallel
zu den Elektroden von dem oben beschrieben Punkt an erforderlich,
weil das Trennfeld nur in einer Richtung senkrecht zu den Elektroden
wirksam ist. Auch die Eingangsgeschwindigkeit der Partikel, welche
in den Turm eingespeist werden, sollte so einheitlich und so langsam
wie möglich
erfolgen. Diese beiden erwünschten
Eigenschaften werden allerdings in dem Stand der Technik nicht ausreichend
erreicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein
Ziel der Erfindung liegt in der Verbesserung von Partikelverteilungs-Systeme
für die
elektrostatische Trennung von gemischtem Kunststoffabfall.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Vorrichtung zu schaffen,
welche vielseitig und einfach zu bedienen ist, welche kompatibel
mit anderen Phasen von Kunststoff-Recyclingsystemen ist, und welche
einfach angepasst werden kann, um einer Vielfalt von Betriebserfordernissen
zu genügen.
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Wie
oben in Bezug zu
US 5,289,922 diskutiert,
weisen Vorrichtungen für
das triboelektrische Aufladen von Partikeln aus elektrischen Isoliermaterialien
eine drehbare Trommel aus Metall auf, um die Partikel aufzunehmen.
Die Trommel hat einen Einlass, um Material einzuspeisen, und einen
Auslass, um Material auszulassen. Ferner hat die Vorrichtung eine
Einrichtung, um die Trommel um eine Drehachse zu drehen, wobei die
Orientierung der Drehachse so geartet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung
die Partikel gegeneinander und gegen die Wände des Behälters stoßen, wobei sie triboelektrisch
geladen werden. Ein elektrostatischen Trennturm, welcher sich verjüngende Wände aufweist
und an gegenüberliegenden
Wänden
mindestens ein Paar von Elektroden hat, ist benachbart zum Auslass
angeordnet. Die ausgelassenen Partikel fallen in den Turm und werden
in einem elektrischen Feld, welches zwischen zumindest einem Elektrodenpaar
erzeugt wird, getrennt.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung enthält eine solche Vorrichtung
ferner eine Überwachungseinrichtung,
um der Bedienungsperson eine Rückmeldung über die
Menge der in dem Turm voneinander getrennten Partikel zu liefern.
Die Überwachungs einheit
enthält
eine Anordnung von Lasern, die an einer Wand des Furmes angebracht sind,
wobei das von diesen Lasern emittierte Licht durch einen unteren
Teil dieses Turmes im wesentlichen senkrecht zu den Elektroden gerichtet
ist, und eine Anordnung von Fotodioden, die ähnlich zu dieser Anordnung
von Lasern, jedoch an der gegenüberliegenden
Seite dieses Turmes, angebracht sind. Die Anordnung von Fotodioden
dient dazu, die Intensität
des Lichtes zu messen, das die Anordnung von Fotodioden von der
Anordnung von Lasern erreicht.
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Die Überwachungseinheit
enthält
vorzugsweise weiterhin eine Verstärker-, Inverter- und Konvertereinrichtung,
um den Ausgang von dieser Anordnung von Fotodioden zu verstärken, zu
invertieren und zu konvertieren, eine Multiplexeinrichtung zum Abrufen
der gesammelten Daten, und einen Rechner, in den die abgerufenen
Daten eingespeist werden und von dem die Daten auf einem Display
angezeigt werden.
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Ein
Feinstoffabscheidemaschensieb kann an einer äußeren Oberfläche der
Trommel angeordnet werden, um es Feinstoffen zu ermöglichen,
das Innere der Trommel zu verlassen.
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Die
Trommel enthält
vorzugsweise zumindest zwei getrennte Abschnitte, welche über eine Vielzahl
von Mischstäben,
welche an einer inneren Oberfläche
der Abschnitte angeordnet sind, miteinander verbunden sind. Die
Mischstäbe
sind radial im Abstand voneinander verteilt und in Längsrichtung entlang
einer Innenwand der Trommel angeordnet.
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Das
Feinstoffabscheidemaschensieb kann des weiteren teilweise mit einem
Metallband überzogen
sein, um mechanische Festigkeit für das Maschensieb zu liefern.
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Die
Trommel kann ferner eine Luftstrom-Strömungsausrichteinrichtung enthalten,
welche in der Nähe
des Feinstoffabscheidemaschensiebs angeordnet ist, um einen Luftstrom
gegen dieses Maschensieb zu richten, um dadurch zu verhindern, dass
dieses Maschensieb mit in dieser Trommel fließendem, losem Material verstopft
wird.
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Die
Vorrichtung enthält
ferner eine Vielzahl von Schaufeln, welche an dem Auslass der Trommel angeordnet
sind und entlang einer Innenwand der Trommel angebracht sind, um
das Ausströmen
der Partikel durch den Auslass zu vergleichmäßigen.
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Die
Vorrichtung enthält
weiterhin vorzugsweise einen Trichter, welcher unter dem Auslass
und zwischen den Auslass und dem elektrostatischen Grobmaterial-Trennturm
angebracht ist, um Partikel von dem Zentrum dieses Trichters wegzuleiten.
Der Trichter hat vorzugsweise einen im Inneren des Trichters angeordneten
dachartigen Aufbau. Vorzugsweise hat der dachartige Aufbau feststehende Schaufeln,
um Partikel weiter von dem Zentrum des Trichters wegzuleiten. Der
Trichter hat weiterhin vorzugsweise einen Auslasska nal, welcher
eine Stange hat, die darin angeordnet ist, um die Partikelgeschwindigkeit
der diesen Ausgangskanal verlassende Partikel zu reduzieren.
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Im
Verlauf der folgenden detaillierten Beschreibung werden weitere
Merkmale der Erfindung beschrieben oder deutlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung, wird nun die bevorzugte Ausführungsart in beispielhafter
Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert
beschrieben, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des gesamten Partikelverteilungssystems
für die
elektrostatische Trennung von vermischtem Kunststoffabfall ist;
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2 eine
Seitenansicht des Systems ist;
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2a eine
teilweise Schnittdarstellung des Bereiches ist, an dem die Röhre Partikel
in den Verteilungstrichter abgibt;
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2b eine
obere Frontansicht des Systems ist;
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3 eine
Frontansicht des Systems ist;
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4a eine
frontale Schnittansicht der Trommel ist, betrachtet gemäß der Linie
A-A in 2;
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Fig.
4b eine frontale Schnittansicht der Trommel ist, betrachtet gemäß der Linie
B-B in 2;
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5 eine
teilweise Schnittansicht des Siebbereiches der Trommel ist;
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5a eine
vergrößerte Darstellung
von 5 ist, welche die Luftdüsen und das Sieb zeigt;
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6 ein
schematisches Diagramm des Überwachungssystems
des Trennsystems ist und;
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7 ein
Histogramm der Partikelmenge zu einem veranschaulichendem Augenblick
ist.
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Beste Art zur Anwendung
der Erfindung
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Gemäß den 1 – 7 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung in den 1 – 7 gezeigt.
Eine Vorrichtung für
die elektrostatische Trennung von vermischten Kunststoffabfall-Partikeln
ist allgemein mit 50 bezeichnet. Die Vorrichtung enthält eine
Trommel 1, welche einen Einlass 11 und einen Auslass 13 hat.
Die Trommel ist schräg
gestellt, wobei der Einlass höher
liegt als der Auslass, damit der geladene Kunststoffabfall vom Einlass
zum Auslass transportiert wird, wenn die Trommel gedreht wird. Die
Trommel hat des Weiteren vorzugsweise längslaufende, räumlich getrennte
Trommelhalterungsrippen 4, welche an einer Außenseite
der Trommel angeordnet sind. Die Halterungsrippen greifen in mindestens
ein Antriebsrad 7 ein, welches vorzugsweise aus Gummi besteht
oder mit Gummi überzogen
ist, um die Reibung zu verbessern. Vorzugsweise und um den Kraftschluss
zwischen der Trommel 1 und den Antriebsrädern 7 zu
erhöhen,
ist ein Paar von Antriebsrädern
vorgesehen, wobei die Rotationsachse der Räder parallel zu der Rotationsachse
der Trommel liegt und die Räder
des Paares auf gegenüberliegenden
Seiten einer durch das Zentrum der Trommel gelegten, vertikalen
Ebene liegen. Das zumindest eine Antriebsrad wird von einer Antriebseinheit 8,
beispielsweise einem Elektromotor, angetrieben. Die Trommel ist
vorzugsweise in Abschnitte unterteilt, beispielsweise einen ersten
Abschnitt 3 und einen zweiten Abschnitt 5. Die
Verbindung zwischen zwei Abschnitten hat interne Mischstäbe 16', welche sowohl
die verschiedenen Abschnitte ausrichten und stützen, als auch eine zusätzliche
Vermischung des Abfalls bewirken. Die Mischstäbe sind radial räumlich getrennt
und liegen in Längsrichtung
entlang der Innenseite der Trommel, wie in den 4 und 5 gezeigt.
Es gibt zumindest drei von diesen Mischstäben, um die Trommelabschnitte
genau auszurichten und zu stützen,
um eine durchgehende längliche Trommel
bilden. Die Trommel 1 liegt vorzugsweise oben auf einem
Rahmen 9, um die Trommel ausreichen über den Boden zu erheben.
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Zwischen
den und angrenzend an den äußeren Umfang
der beiden Abschnitte befindet sich ein Maschensieb 10,
wie es detailliert in den 5 und 5a dargestellt
ist. Das Sieb hat vorzugsweise eine Breite von ungefähr 5 bis
10 cm. Die Größe des Maschensiebes
wird in geeigneter Weise für
die gewünschte
Anwendung gewählt,
wie es unten in größerem Detail
noch beschrieben wird. Ein Metallband 12 ist mit geeigneten
Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben, Kleber oder Lötmittel,
an einer Außenseite
der Trommelabschnitte befestigt. Das Metallband liefert mechanische
Festigkeit und verhindert das Durchstechen des Siebes. Über der
Trommel und angrenzend an den Siebbereich ist eine Luftstrom-Strömungsausrichteinrichtung 14 positioniert, beispielsweise
Luftdüsen,
angeschlossen an eine Druckluftquelle (nicht dargestellt). Die Luftstromströmung ist
gegen das Sieb gerichtet, um zu verhindern, dass das Sieb mit in
der Trommel fließendem,
losen Material verstopft wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung scheidet
ein direkt unter dem Sieb befindlicher, elektrostatischer Feinstoff-Trennturm 20', dessen Parameter
für Feinstoffpartikel
optimiert sind, das feinere Material ab, welches durch das Sieb
fällt. Alternativ
kann der Feinstoff auch einfach gesammelt und weggeworfen werden,
wenn die Feinstoffmenge de ren Trennung unwirtschaftich gestaltet.
Dieses kann in irgendeinen Behälter,
wie Kunststoff-Container oder Säcke
etc., erfolgen.
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Ein
elektrostatischer Grobmaterial-Trennturm 20 liegt angrenzend
an den Auslass 13 der Trommel 1. Der elektrostatische
Grobmaterial-Trennturm hat mindestens ein Paar von Elektroden 24,
welche zwischen sich ein elektrisches Feld erzeugen. Partikel 6,
die in das elektrische Feld herabfallen, werden unterschiedliche
Flugbahnen nehmen, abhängig
von der individuellen elektrischen Ladung der Partikel. Auf diese
Weise werden die Partikel in unterschiedliche Fraktionen, bestehend
aus einer Materialgruppe je Fraktion, getrennt. Dies erleichtert
in großem
Maße die
Rückgewinnung
und die Wiederverwendung von Kunststoffabfall.
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Um
einen erwünschten „Vorhang" von Partikeln 6 zu
bilden, nachdem die Partikel die drehende Trommel 1 verlassen,
ist eine Reihe von Schaufeln 16, vorzugsweise zumindest
zehn Stück,
welche ungefähr
eine Länge
von 10 cm aufweisen, an der Innenseite der Trommel am Auslass 13 der
Trommel angebracht (2a und 2b). Die
Schaufeln dienen dazu, den Partikelfluss aus dem Auslass zu vergleichmäßigen und
die Partikel in einer Richtung entlang der Länge der Elektroden zu verteilen,
wie es in 2b gezeigt ist. Um die Geschwindigkeit
der Partikel, welche die Trommel verlassen, weiter zu minimieren,
und um die Partikel in einer Linie parallel zu den Elektroden zu
verteilen, ist ein Trichter 30 vorzugsweise direkt unter
dem Trommelauslass positioniert und zwischen dem Auslass und dem
elektrostatischen Grobmaterial-Trennturm 20 angeordnet.
Der Trichter hat einen Ausgangskanal 33, welcher eine Öffnung an
seinem Boden aufweist, wobei die Öffnung vorzugsweise 8 bis 10
mm breit ist. Die Größe der Öffnung wird
durch die maximale, in den zugeführten
Abfallmaterialien vorkommende Partikelgröße bestimmt und wird als das
Doppelte der maximalen Partikelgröße spezifiziert. Im Inneren
des Trichters 30 befindet sich eine dachförmige Struktur 34, auf
welcher kleine befestigte Schaufeln 32 montiert sind, um
die Partikel vom Zentrum des Trichters wegzuleiten, wo die Partikel
entlang einer Linie parallel zu den Elektroden 24 aus der
Trommel herausfallen. Das Muster der Schaufeln ist nur beispielhaft,
da andere Anordnungen gefunden werden könnten, welche die Partikel
ebenso in der gewünschten
Art verteilen. Ein kleiner Stab 36, ungefähr auf halber
Strecke unterhalb des Ausgangskanal aus dem Trichter, stellt eine
minimale Partikelgeschwindigkeit sicher, da die Partikel keinen
geraden Fallweg haben, wenn sie den Trichter verlassen.
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Um
eine gewünschte
sofortige Rückmeldung des
Betriebes des elektrostatischen Grobmaterial-Trennturmes 20 herzustellen,
ist die allgemeine Struktur der Vorrichtung 50 für die elektrostatische Trennung
von vermischten Kunststoffabfall so, wie es in den Figu ren 1 und
2 illustriert ist. Um die Materialverteilung anzuzeigen, wenn die
Partikel 6 durch das elektrostatische Feld in dem elektrostatischen
Grobmaterial-Trennturm fallen, wurde eine Einheit gestaltet und
gebaut, wie sie diagrammatisch in 6 gezeigt
ist. Das elektrostatische Feld wird zwischen zumindest einem Paar
von Elektroden 24 erzeugt, die an gegenüberliegenden Seitenwänden des
Turmes angeordnet sind. Eine Überwachungseinrichtung enthält eine
Anordnung von Lasern 22, die an einer Seitenwand des Turmes
angebracht sind. Das von diesen Lasern emittierte Licht wird quer
durch einen unteren Teil des Turmes im wesentlichen senkrecht zu
den Elektroden 24 gerichtet. Es werden vorzugsweise sechzehn
einzelne Laser benutzt, obwohl die tatsächliche Anzahl unter anderem
von der Größe des Turmes
abhängt.
Die Intensität
des Lichtes, welches die andere Seitenwand des Turmes erreicht, wird
von einer Anordnung von Fotodioden 23 erfasst, welche ähnlich zu
der Anordnung der Laser ist, jedoch an der gegenüberliegenden Seitenwand des Turmes.
Der Ausgang der Fotodioden wird durch eine Kontrolleinheit verstärkt, invertiert
und zu einer digitalen 8-Bit-Zahl konvertiert. Unter Verwendung
eines Multiplexers werden die gesammelten Daten abgerufen und in
einen Computer eingespeist, wo die Daten auf einem Display angezeigt
werden, zum Beispiel als ein Histogramm, wie es in 7 illustriert
ist. Die Höhe
der Balken repräsentiert
die Menge des Materials, welches durch diesen Teil des elektrostatischen
Grobmaterial-Trennturmes fällt,
und das Histogramm-Muster kann auf einer kontinuierlichen Basis für die Bewertung
der Effektivität
der Trennung verwendet werden.
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Das
Feinstoffabscheidemaschensieb hat eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem
Stand der Technik. Da das Material der Größe nach in zwei Fraktionen
geteilt wird, welche dann elektrostatisch voneinander getrennt werden,
werden die Qualität und
die Ausbeute der Trennung verbessert. Da die beiden Fraktionen weiterhin
in unterschiedlichen elektrostatischen Türmen getrennt werden, kann
das Feld für
die kleinen und großen
Partikel optimiert werden, wodurch eine bessere Trennung erhalten
wird. Da Feinstoffe vor dem Eintritt in den elektrostatischen Grobmaterial-Trennturm 20 abgeschieden
werden können,
kann die Verschmutzung der Elektroden im Trennturm minimiert werden.
Das Vorhandensein der Schaufeln 16 am Trommelauslass 13 bewirkt
einen kontinuierlichen Ausfluss des Materials, welches die Trommel
verlässt,
ohne plötzliche
Ausbrüche
von großen
Materialmengen. Die innere Struktur des Trichters, in welchem das
dachförmige
innere Stück 34 die
Partikel davon abhält,
in einem geraden Weg vom Trommelausgang in den elektrostatischen
Grobmaterial-Trennturm hineinzufallen, vermindert die Geschwindigkeit
der Partikel, welche in den Turm eintreten. Die Schaufeln 32 an
der Innenseite des Trichters leiten das Material entlang einer parallelen Linie
zu den Elektroden des Turmes. Dadurch wird, ohne dass die Leistung
herabgesetzt wird, der Durchsatz verbessert, bewirkt durch eine
extreme Anzahl von Partikeln, welche durch einen begrenzten Raumbereich
fallen, mit dem Ergebnis, dass die Ladung an den Partikel benachbarte
Partikel von dem vollen Feld, welches für die ordnungsgemäße Trennung
erforderlich ist, abschirmt. Eine sofortige Anzeige der Effektivität der Trennung
wird der Bedienungsperson dargestellt, worauf er oder sie Entscheidungen
darüber
basieren kann, ob die Einheit ordnungsgemäß arbeitet. Für ein binäres 50:50-Gemisch
wird beispielsweise eine bimodale Verteilung erwartet, während bei
einem 95:5-Gemisch eine Gaußverteilung
mit einer Schulter auf einer Seite erwartet wird. Abweichungen von
erwarteten und angezeigten Mustern würden die Bedienungsperson veranlassen,
den Grund der Abweichung zu suchen. Die Speicherung der Verteilungsmuster
während
einer erfolgreichen Trennung von einer bestimmten gemischten Einspeisung
würde es
der Bedienungsperson als ein Mittel erlauben, solch ein Muster abzurufen
und mit dem aktuellen Muster zu vergleichen, um den ordnungsgemäßen Betrieb
der Einheit sicherzustellen. Dies ist besonders wichtig, wenn man
nach einer Zeitspanne, während
andere Einspeisungen getrennt wurden, zu einem bestimmten Einspeisungsmaterial
wieder zurückkehrt.
Die Dämpfung
des Laserstrahls ist proportional zu der Materialmenge, welche zwischen
dem Laser und dem Detektor herunterfällt. Deswegen kann das Histogramm
nach Kalibrierungen dazu verwendet werden, die Materialmenge, welche
von der Trenneinheit verarbeitet wurde, zu bestimmen. Des Weiteren
kann die Ausbeute berechnet werden, basierend auf der Position der
Trenner, welche für
die Etablierung von Produkt-Strömen
verwendet werden.
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In
dem beschriebenen Trennungsprozess werden Partikel in eine geringfügig schräg liegende, sich
drehende Trommel eingespeist. Die Partikel stoßen gegeneinander, was einen
Ladungstransfer durch Kontaktelektrifizierung zur Folge hat. Auf Grund
der Schrägstellung
bewegen sich die Partikel fortlaufend zum Ausgangsende der Trommel,
wobei sie vollständig
geladen werden. Dann fallen sie vertikal durch den elektrostatischen
Grobmaterial-Trennturm,
in welchem das elektrische Feld, unterstützt durch Elektroden, auf Hochspannung
gehalten wird. Auf Grund des Feldes bewegen sich die Partikel entweder
zur positiven oder zur negativen Elektrode, abhängig von der Ladungspolarität an jedem
einzelnen Partikel, und es wird eine Trennung entsprechend der An
des Kunststoffes bewirkt.
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1. Partikelgröße, Partikelgrößenbereich
und Feinstoffe:
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Der
Prozess hängt
von der Fähigkeit
der geladenen Teilchen ab, durch die elektrostatischen Kräfte im Trennturm
eine signifikante Strecke horizontal angezogen zu werden. Messungen
zeigen, dass die Partikel umso weiter auf Grund des elektrischen
Feldes bewegt werden, je größer das
Verhältnis
Ladung zu Masse ist. Die Ladung, welche ein Partikel erlangen kann,
hängt von
dem Oberflächenbereich
ab, welcher als das Quadrat der Partikelgröße skaliert wird, während die
Masse von dem Volumen abhängt,
welches mit der Kubikzahl der Partikelgröße skaliert wird. Deswegen
erhöht
sich das Verhältnis Ladung
zu Masse, wenn die Partikelgröße abnimmt. Kleinere
Partikel können
leichter auf Grund der elektrischen Kräfte bewegt werden.
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Erfahrungsgemäß sind Spannungen über ungefähr 60 kV
schwierig aufrechtzuerhalten. Dies begrenzt das zweckmäßige elektrische
Feld auf ungefähr
400 kV/m bei einem Elektrodenabstand von ungefähr 300 mm. Weil Kunststoffe
Dichten aufweisen, welche gewöhnlich
nahe bei 1 Gramm/cm3 liegen, liegt die obere
Grenze der Partikel, welche signifikant in einem solchen elektrischen
Feld bewegt werden können,
ungefähr
bei 10 mm. Dies definiert die größten Partikel,
welche durch den Prozess abgeschieden werden können. Die Ausnahme davon sind
Kunststoffschaumpartikel, wie Polyurethan, deren Dichte um einen
Faktor von ungefähr
10 geringer ist. Für
solche Materialien liegt die obere Grenze der Partikelgröße bei ungefähr 20 mm.
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An
der unteren Grenze werden Partikel, welche sehr fein sind, unter
einer Größe von ungefähr 100 μm, auf Grund
der elektrostatischen Kräfte
zwischen den Partikeln aneinander haften, wenn sie mit unterschiedlicher
Polarität
geladen sind. Diese Bindung kann nicht einfach durch mechanischen
Mittel wie Stoßeinwirkung
auf eine Oberfläche
aufgebrochen werden. Die vereinigten Partikel werden sich dann in
einem elektrischen Feld so verhalten, als wenn sie ein einzelnes
Partikel wären
mit einer Ladung gleich der Summe der positiven und negativen Ladungen – ein Wert
nahe Null. Für
solche vereinigten Partikel ist die Trennung offensichtlich nicht
effektiv. Daher kann der Prozess für Partikel in dem Bereich von
ungefähr
100 Mikrometer bis 10 mm angewendet werden.
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Die
ideale Einspeisung für
den Prozess ist ein Material mit einem sehr engen Partikelgrößenbereich.
In diesem Fall wird jedes Partikel ungefähr bis zur gleichen Gesamtladung
aufgeladen und das Verhältnis
Ladung zu Masse von jedem Partikel wird ungefähr gleich sein. Dies führt für Partikel
des gleichen Kunststoffes zu einem sehr engen Bereich der horizontalen
Verschiebung in dem Trennturm. Partikel von verschiedener Größe des gleichen
Kunststoffes werden eine Spanne des Verhältnisses Ladung zu Masse aufweisen,
somit einen größeren Bereich
der horizontalen Verschiebung und damit schlechtere Trennergebnisse.
Erfahrungsgemäß wird eine
gute Trennung für
einen Bereich der Partikelgröße bei einem
Faktor 3 erreicht, beispielsweise von 2 – 6 mm.
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Feinstoffe,
welche in einem Abfallmaterialgemisch vorkommen, müssen für Trennergebnisse
hoher Reinheit beseitigt werden. Feine Partikel von einem Kunststoff,
welche mit einer Polarität
geladen sind, hängen
sich an größere Partikel
von einem unterschiedlichen Kunststoff an, welche entgegengesetzt
geladen sind. Mechanische Kräfte
sind wiederum nicht fähig,
diese feinen Partikel zu entfernen, welche dann in den großen Partikelproduktstrom übertragen
werden, womit die erlangte Reinheit reduziert wird. Für Trennungen
hoher Reinheit müssen diese
kleinen Partikel vor dem Trennungsprozess entfernt werden, beispielsweise
durch Luftaufbereitung oder Absieben.
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2. Nässe:
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Der
Prozess hängt
von der Aufladung durch Kontakt oder der Triboelektrifizierung ab,
bei der während
des Kontaktes von zwei unähnlichen,
nichtleitenden Materialien Ladung übertragen wird. Die Materialien
müssen
trocken genug sein, so dass die Oberflächenleitfähigkeit niedrig ist. Obwohl
leitende Materialien ebenso durch Kontakt geladen werden, fließt ein Großteil der übertragenen
Ladung zurück, wenn
der Kontakt abbricht. Im allgemeinen laden sich leitende Materialien
schlechter auf als isolierende Materialien. Nässe in Form von hoher Feuchtigkeit oder
von hohe Nässe
enthaltenden Materialien, führen
zu einer reduzierten Oberflächenleitfähigkeit,
wodurch die Kontaktaufladung herabgesetzt oder vollständig zerstört wird.
Erfahrungsgemäß müssen die Materialien
einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % oder weniger ausgesetzt
sein, damit das Aufladen in der richtigen Weise geschieht. Testergebnisse
zeigen, wie sich die Trennung verschlechtert, wenn die relative
Luftfeuchtigkeit bis über
50 % ansteigt. Die Feuchtigkeit muss in dem Bereich um die Trommel herum
kontrolliert werden, und das Material, welches in die Trommel eintritt,
muss trocken sein. Hohe Feuchtigkeit in der Umgebung der Trommel
kann durch das Aufheizen der Materialien um ungefähr 10°C unmittelbar
vor der Trennung umgangen werden. In diesem Fall ist die kurze Zeit,
in welcher die Materialien sich in der Trommel aufhalten, nicht
ausreichend, damit deren Oberflächen
mit Nässe
gesättigt
werden, wodurch die Aufla dung zerstört werden würde.
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3. Aufladezeit:
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Der
Aufladeprozess hängt
von einer Vielzahl von Kontakten (viele tausende) ab, so dass die
Menge der Ladungsdichte auf der Oberfläche jedes Partikels sich nicht
erheblich von der durchschnittlichen Ladungsdichte unterscheidet.
Dies ist kritisch für
die Trennungsqualität.
Das Aufladen ist ein sich selbst begrenzender Prozess, in welchem
Partikel, welche vollkommen geladen sind, keinen weiteren Ladungstransfer
bei Kontaktierung aufweisen. Erfahrungsgemäß sind Verweilzeiten von 0,5
bis 2 Minuten in der Trommel, welche mit 10 – 20 U/min rotiert, ausreichend,
um eine einheitliche und ausreichende Aufladung zu erreichen.
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4. Trommelgeometrie und
Material:
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Wenn
sich zwei unähnliche
Materialien in der Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes
in Kontakt befinden, wird ein Aufladen der Partikel erfolgen. Wenn
ein elektrisches Feld vorliegt, welches entgegengesetzt zur Richtung
des Ladungstransfers ist, wird keine Ladung übertragen oder, falls das Feld stark
genug ist, wird ein Ladungstransfer in die entgegengesetzte Richtung
stattfinden. Deswegen muss für
einen erfolgreichen Vorgang das Aufladen in einer feldfreien Umgebung
erfolgen. In einer leitenden Trommel ist dies der Fall. Deswegen
ist die Trommel vorzugsweise aus einem metallischen Material gefertigt.
Falls die Trommel aus einem isolierenden Material gefertigt ist,
können
sich sehr große
Ladungen auf der Innenseite der Trommel aufbauen. Diese Ladungen
könnten
plötzlich
durch die Isolierung durchschlagen und in einer hohen Ladungsspitze
resultieren, was für
eine Person, welche sich in Kontakt mit der Trommel befindet, tödlich sein
könnte.
Aus demselben Grund muss jede leitende Trommel sorgfältig geerdet
werden. Gleichzeitig muss in einer isolierenden Trommel die Ladung,
welche positiv geladenen Partikel erhalten, exakt durch die Ladung,
welche negativ geladene Teilchen erhalten, ausgeglichen werden,
d.h. Ladungen können
weder erzeugt noch zerstört
werden. Andererseits braucht in einer geerdeten, leitenden Trommel
die Ladung nicht ausgeglichen werden, weil die Ladung zu den Partikeln
durch die Trommel geleitet werden kann. Dies ist wichtig, wenn kleine
Konzentrationen eines Materials von einem nahezu reinen Material
entfernt werden, wobei das Hauptmaterial dann signifikant geladen
werden kann, wodurch die Trennung verbessert wird.
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5. Überladen
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Für Materialien,
deren durchschnittliche Partikelgröße kleiner als ungefähr 2 mm
beträgt,
und für Materialien,
welche sich, wie z. B. Teflon, in Anwesenheit von Polyethylen oder
sogar Polyvinylchlorid sehr stark aufladen, kann die Aufladung so
stark sein, das die Partikel zusammklumpen werden, wodurch die Trennung
erfolglos wird. Die Lösung
ist die, die Verweilzeit in der Ladetrommel auf 15 – 30 Sekunden zu
reduzieren.
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6. Gemischzusammensetzung:
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Bei
50:50-Gemischen von zwei Komponenten wird jedes der Materialien
ungefähr
gleich aufgeladen. Die getrennten Materialien am Fuße des Trennturmes
werden eine bimodale Verteilung bilden, wobei die Majorität der positiv
geladenen Komponente in Richtung der negativen Elektrode und das negativ
geladene Material in Richtung der positiven Elektrode fällt. Wenn
die Konzentrationen einseitig werden, beispielsweise ein 95:5-Gemisch,
lädt sich die
kleinere Komponente stärker
auf, da jedes Partikel nun beinahe immer ein Partikel der Hauptkomponente
kontaktiert, während
die Hauptkomponente sich nur wenig auflädt, weil jedes Partikel hauptsächlich das
gleiche Material kontaktiert, woraus kein Ladungstransfer resultiert.
Deswegen wird die kleinere Komponente, falls diese positiv geladen
ist, zwar immer noch in Richtung der negativen Elektrode angezogen,
aber die Hauptkomponente wird näher
der Zentralachse des Turmes niederfallen.
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Bei
Mischungen aus mehr als zwei Komponenten wird stets ein dominantes,
negativ geladenes Material oder ein dominantes positiv geladenes
Material vorliegen. Wenn allerdings eines der dominanten, geladenen
Materialien aus dem Gemisch abgetrennt wird und das verbleibende
Material in der Trommel wiedergeladen wird, so wird das Aufladen unterschiedlich
ausfallen. Beispielsweise in einem Gemisch, welches Teflon (PTFE),
Polyethylen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) enthält, wird das PTFE negativ geladen
werden und in Richtung der positiven Elektrode angezogen werden,
während
sowohl das PE als auch das PVC positiv geladen werden und in Richtung
der negativen Elektrode angezogen werden. Nachdem allerdings das
PTFE abgetrennt worden ist, wird das PVC negativ geladen, während das
PE weiterhin positiv geladen wird. Somit können, weil das Aufladen sich
verändert,
wenn Komponenten entfernt werden, mehrere Durchgänge durch den Trennungspro zess
komplexe Mischungen auflösen.
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7. Feldeingangsparameter:
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Partikel,
welche in Luft aus der Ruhelage in dem Erdanziehungsfeld herunterfallen,
werden schnell zu immer höheren
Geschwindigkeiten beschleunigt. Um die Auswirkungen des horizontalen, eletrischen
Feldes auf die geladenen Partikel zu maximieren, sollte die Geschwindigkeit,
mit denen diese durch das Feld fallen, minimiert werden. Idealerweise sollten
diese aus ihrer Ruhelage starten, genau dann, wenn sie in das elektrostatische
Feld eintreten. Deswegen wurde ein Trichter so konzipiert, dass
die Partikel gezwungen werden, sich vor- und zurückzubewegen und nach dem Verlassen
der Trommel entlang von geneigten Ebenen zu gleiten, bevor sie in
das elektrische Feld eintreten. Dies dient dazu, die Partikel auf
eine minimale Geschwindigkeit zu verlangsamen, bevor diese in das
Feld eintreten. Gleichzeitig sollten alle Partikel in das Feld entlang
der Achse zwischen den Elektroden eintreten. Die Kapazität der Einheit
kann begrenzt werden, wenn an irgendeinem Punkt zwischen den Elektroden
zu viele Partikel gleichzeitig in das Feld eintreten. Diese geladenen Partikel
können
zu einer Raumladung führen,
welche das Feld reduzieren und die Trenneffizienz absenken wird.
Die gleichen Oberflächen,
welche dazu benutzt werden, die Partikel zu verlangsamen, werden
auch dazu verwendet, die Partikel so zu leiten, dass diese in das
Feld entlang einer zu den Elektroden parallelen Linie eintreten.
Auf diese Weise kann ein Trennturm von einem Meter Länge ohne
Umstände
einen Durchsatz von 1 Tonne/Stunde aufnehmen.
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Es
versteht sich, dass sich die obige Beschreibung nur exemplarisch
auf die bevorzugte Ausführungsform
bezieht. Viele Variationen der Erfindung werden für Fachmänner auf
diesem Gebiet offensichtlich sein, und solche offensichtlichen Variationen
liegen im Rahmen der Erfindung, so wie sie beschrieben und beansprucht
wird, ob ausdrücklich
beschrieben oder nicht.
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Beispielsweise
kann statt einer Metallband- und einer gesonderten Maschensieb-Komponentenkombination
ein integriertes Band ins Auge gefasst werden, welches entlang seinem
Umfang Maschensiebabschnitte aufweist. Weiterhin können, obwohl nur
zwei Abschnitte im Aufbau der Trommel beschrieben sind, ebenso drei
oder mehr Abschnitte verwendet werden. Entsprechend können zusätzliche
Maschensiebbereiche zwischen diesen zusätzlichen Abschnitten eingebracht
werden. Maschensiebbereiche, welche weiter unten in Richtung des
Materialflusses liegen, können
gröbere
Partikel entfernen als solche vor ihnen befindliche Siebbereiche.
Eine Vielzahl von kleinen Stäben,
welche in einem geeigneten Muster quer über der Trichteröffnung angeordnet
sind, können
dazu dienen, die Partikel entlang des Öffnungsquerschnittes weiter
zu verteilen. Die Lichtstrahlen könnten durch Lampen und Linsen
erzeugt werden, obwohl das parallele Licht eines Lasers bevorzugt
wird.
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Industrielle Anwendbarkeit:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die elektrostatische
Trennung von vermischtem Kunststoffabfall, deren Wiedergewinnung sowohl ökologisch
als auch ökonomisch
motiviert ist.