Wussten Sie, dass weltweit jährlich etwa drei Milliarden Reifen hergestellt werden? Diese Zahl ist nur ein Indikator für die immense Menge an elastischen Materialien, die entsorgt oder wiederverwendet werden müssen. Hier kommt die Kaltzerkleinerung ins Spiel, eine revolutionäre Zerkleinerungstechnik, die auf Tieftemperatur-Zerkleinerung basiert. Diese Methode nutzt Flüssigstickstoff oder andere Kältemittel, um Materialien auf besonders niedrige Temperaturen zu kühlen. Dadurch werden Materialien, die bei Raumtemperatur elastisch oder thermoplastisch sind, spröde und leichter zerkleinerbar.
Die EU-Richtlinie 1999/31/EG schreibt beispielsweise vor, dass ganze Reifen vier Jahre nach Inkrafttreten der Richtlinie nicht mehr auf Deponien gelagert werden dürfen. Diese Vorgabe erhöht den Druck, innovative Techniken wie die Kaltzerkleinerung zur Anwendung zu bringen. Ebenfalls ist in vielen Ländern, wie in Österreich, die Deponierung von Abfällen mit mehr als 5% organischem Kohlenstoffgehalt gesetzlich verboten.
Wesentliche Erkenntnisse
- Jährlich entstehen weltweit etwa drei Milliarden Reifen.
- Die EU-Richtlinie 1999/31/EG untersagt die Lagerung ganzer Reifen auf Deponien.
- Österreich verbietet die Deponierung von Abfällen mit über 5% organischem Kohlenstoffgehalt.
- Kaltzerkleinerung nutzt tiefe Temperaturen zur einfacheren Zerkleinerung elastischer Materialien.
- Kaltzerkleinerung ist besonders effektiv für Materialien, die bei Raumtemperatur schwer zerkleinerbar sind.
- Recycling von Gummi und elastischen Materialien wird durch Kaltzerkleinerung erleichtert.
- Zerkleinerungstechnik trägt zur nachhaltigen Wiederverwertung bei.
Was ist Kaltzerkleinerung?
Kaltzerkleinerung ist ein spezieller Prozess, bei dem Materialien unter extrem niedrigen Temperaturen zerkleinert werden. Dies wird oft durch den Einsatz von Flüssigstickstoff erreicht. Bei dieser Methode werden Materialien so gekühlt, dass sie spröde werden und somit leichter zu mahlen sind. Dieses Verfahren führt zu einer feineren und gleichmäßigeren Partikelgröße.
Die Kryomahlung ist besonders nützlich bei Materialien, die unter normalen Bedingungen elastisch oder weich sind, wie Gummi und Kunststoffe. Durch die Kältebrechung werden diese Materialien zerkleinert, ohne dass ihre chemischen Eigenschaften verändert werden. Das ist wichtig für das werkstoffliche Recycling, bei dem die stofflichen Eigenschaften gewahrt bleiben müssen.
Ein gängiges Beispiel für die Anwendung der Kaltzerkleinerung ist das Recycling von Gummi. Hierbei wird der Gummi mit flüssigem Stickstoff tiefgekühlt, um ihn spröde zu machen. Anschließend kann er fein zermahlen werden. Diese Methode wird nicht nur für die Reifenrunderneuerung verwendet, sondern auch für das chemische und energetische Recycling, wie die Gewinnung von Prozesswärme durch Verbrennen oder das Zerlegen von Makromolekülen in kleinere Moleküle.
Ein solches Verfahren ist besonders in der Reifenindustrie von Bedeutung, da die feine Zerkleinerung von Altreifen die Wiederverwendung und den Recyclingprozess effizienter gestaltet. Durch die Kaltzerkleinerung kann hoher Qualitätsstandard aufrechterhalten werden, was den ökologischen Fußabdruck reduziert und nachhaltige Praktiken fördert.
Zusätzlich wird die Gefrierzerkleinerung in der Kunststoffherstellung und -nutzung angewendet. Ein optimiertes Angebot von 10-12 verschiedenen Versuchen, die sich auf das Thema Eigenschaften, Herstellung und Recycling von Kunststoffen konzentrieren, eignet sich bestens für pädagogische Zwecke. Solche Experimente decken einen Zeitraum von 10-30 Minuten ab und sind ideal für Schüler der Jahrgänge 9/10 und Oberstufe.
Anwendungen der Kaltzerkleinerung
Die Kaltzerkleinerung, insbesondere die Kälteaufprallzerkleinerung und kryogene Pulverisierung, findet vielfältige Anwendungen in verschiedenen Branchen. Ein herausragendes Beispiel ist das Selektive Laser Sintern (SLS), das zu einer Standardfertigungsmethode für Kleinserien, Ersatzteile und Individualbauten geworden ist.
Für das SLS werden Pulver mit einer Größe von ungefähr 20-100 μm und einer rundlichen Kornform benötigt, wobei hauptsächlich teilkristalline Polymere zum Einsatz kommen. Aufgrund des hohen Bedarfs an neuen Materialien bietet die Kaltzerkleinerung eine effektive Lösung, da sie die Zerkleinerung von Kunststoffen bei tiefen Temperaturen ermöglicht. Diese Zerkleinerung kann dabei sowohl in Nass- als auch in Trockenverfahren erfolgen.
Ein konkretes Beispiel für die Anwendung dieser Technologie ist die Stiftmühle 100 UPZ von Hosokawa Alpine, die speziell zur Herstellung von SLS-Pulvern eingesetzt wird. Mithilfe von flüssigem Stickstoff in der Kryogenzerkleinerung werden Materialien auf diese Weise zerkleinert. Die daraus resultierenden Pulverpartikel weisen oft eine kantige Gestalt auf, was sich negativ auf den SLS-Prozess auswirken kann. Um die Verarbeitbarkeit der Kaltzerkleinerungspulver zu verbessern, können Fließhilfsmittel oder Konzepte zur Nachverrundung der Partikeln eingesetzt werden.
Neben der Kunststoffverarbeitung spielt die Kaltzerkleinerung auch eine bedeutende Rolle im Bereich der Umwelttechnik. Weltweit hängen etwa 20% der Arbeitsplätze direkt oder indirekt von der gesamten Fahrzeugbranche ab, inklusive der Produktion, des Vertriebs, der Nutzung und der Entsorgung von Fahrzeugen. Jährlich werden global 18 bis 24 Millionen Fahrzeuge aus dem Verkehr gezogen, was enorme Mengen an Altmaterial zur Folge hat, die effizient recycelt werden müssen.
Zusammengefasst bietet die Kaltzerkleinerung zahlreiche Vorteile und Anwendungen in verschiedenen Industrien, was ihre Bedeutung im modernen Produktionsumfeld unterstreicht. Sie stellt sicher, dass Prozesse ökonomisch und umweltfreundlich durchgeführt werden, was von immer größerer Relevanz ist.
Geschichte der Kaltzerkleinerung
Die Geschichte der Kaltzerkleinerung ist geprägt von kontinuierlichem Fortschritt und technischer Innovation. Ursprünglich entwickelt, um die Effizienz in der Materialverarbeitung zu steigern, insbesondere bei Materialien, deren Konsistenz bei höheren Temperaturen Problem verursacht haben, hat sich die Technologie enorm weiterentwickelt.
Von den frühen Anfängen bis heute hat die Kaltzerkleinerung eine beeindruckende Entwicklung durchlaufen. In den 1980er Jahren, zum Beispiel, wurden umfangreiche Studien durchgeführt, um die Effizienz dieser Technologie zu belegen. So wurde 1986 eine Untersuchung über den Import von weißem Pfeffer veröffentlicht, die einen Durchsatz von 150 kg/h und eine mittlere Partikelgröße von etwa 4 mm verzeichnete. Diese Forschung lieferte grundlegende Erkenntnisse für die Entwicklung moderner Zerkleinerungstechnologien.
Ein bemerkenswerter Film, der zwischen 1985 und 1987 produziert und 1988 veröffentlicht wurde, dauerte nur sieben Minuten und nutzte das 16-mm-Format, um die Fähigkeiten der kryogenen Zerkleinerung zu demonstrieren. Die Partikelgrößenbereiche reichten von 1000 bis 10 Mikrometern, was die Präzision und Anwendungsbreite dieser Zerkleinerungstechnologien verdeutlichte.
Technische Errungenschaften wie die Einführung des Rotorprallmühlen-Verfahrens spielten eine wesentliche Rolle. Hier wurde eine lineare Beziehung zwischen Bruchfrequenz und Beanspruchungsgeschwindigkeit entdeckt. Die Bruchfrequenz beläuft sich auf 0 bei 11 m/s und 1 bei 32 m/s Beanspruchungsgeschwindigkeit. Diese Studie trug maßgeblich zur Verfeinerung der kryogenen Zerkleinerung bei.
Insgesamt umfasst die Dokumentation zur Kaltzerkleinerung 44 Seiten, die ein umfassendes Handbuchsystem für die Forschung bieten. Diese Dokumentation wurde zuletzt im Juni 2003 aktualisiert und dient noch immer als wertvolle Ressource für weiterführende Studien in diesem Bereich. Durch die zielgerichtete Verwendung von Suchbefehlen und Schlüsselkomponenten wie „FINDE“ und „isb“ können Forscher präzise auf frühere Ergebnisse und Entwicklungen in der Kaltzerkleinerung zugreifen.
Technologie der Kryogenen Zerkleinerung
Die Kryotechnik spielt eine wesentliche Rolle bei der modernen Technologie der kryogenen Zerkleinerung. Mit hochentwickelten Verfahren können Maschinen und Anlagen extrem niedrige Temperaturen erreichen und aufrechterhalten, um Materialien effizient zu zerkleinern. Die Anwendung der Kryotechnik ermöglicht es, verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Gummi und spezielle Polymere bei Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunkts zu zerkleinern.
- Die Tieftemperaturtechnologie wird in diversen Bereichen wie der chemischen Industrie genutzt, um VOC zurückzugewinnen, Gase zu reinigen, und Reaktoren zu kühlen.
- Im Bereich der Werkstofftechnik kommt die Tieftemperaturtechnologie bei Kaltdehnen, Werkstoffbehandlung und Recycling zum Einsatz.
- Flüssiger Stickstoff wird häufig in der Lebensmittelindustrie für Gefrierprozesse verwendet.
- Kryogene Zerkleinerung ermöglicht die Verarbeitung von Kunststoffen durch Verfahren wie Selektives Laser Sintern (SLS), bei denen Pulver von rund 20-100 μm verwendet werden.
Das SLS-Verfahren stellt dabei besonders hohe Anforderungen an das pulverförmige Ausgangsmaterial. Erwünschte Pulver mit spezifischen Fließeigenschaften und geeignetem Schmelz- und Erstarrungsverhalten müssen durch Kryomahlung hergestellt werden. Diese tiefen Temperaturen beugen einem unerwünschten Wärmeeintrag vor und sorgen für eine effiziente und präzise Materialverarbeitung.
Die Kryomahlung ermöglicht dabei die Zerkleinerung von Materialien, die bei höheren Temperaturen nicht effizient bearbeitet werden könnten, wie z.B. Polymere mit sehr tiefen Glasübergangstemperaturen. Durch diese Technologie können die Partikel in einem Zustand gehalten werden, der ihre Fließeigenschaften und Verarbeitung nach dem Mahlen optimiert.
Prozess der Kühle Zerkleinerung
Der Prozess der kühlen Zerkleinerung ist zentral für die kryogene Verfahren. Dieser Prozess umfasst mehrere präzise Schritte, die sicherstellen, dass das Material effizient und gleichmäßig zerkleinert wird. Zu Beginn wird das Material gründlich vorbereitet und auf die kühle Zerkleinerung vorbereitet. Dies bedeutet, dass das Material gesäubert und auf die richtige Größe gebracht werden muss, um sicherzustellen, dass es gleichmäßig gekühlt wird.
Der nächste Schritt besteht darin, das Material auf sehr niedrige Temperaturen zu kühlen, normalerweise unter Verwendung von Flüssigstickstoff. Dieser Kühlprozess ist entscheidend, um zu verhindern, dass das Material klebrig wird oder sich verformt. Durch die Anwendung von Flüssigstickstoff wird das Material spröde gemacht, was den eigentlichen Zerkleinerungsprozess erleichtert.
Der endgültige Schritt umfasst das eigentliche Zerkleinern des gekühlten Materials. Dies geschieht in spezialisierten Zerkleinerungsanlagen, die so konzipiert sind, dass sie das Material gleichmäßig und effizient zerkleinern. Die Präzision dieser Zerkleinerungseinrichtungen ist entscheidend für die Qualität des Endprodukts. Eine gleichmäßige Zerkleinerung sorgt dafür, dass das Material die gewünschten Eigenschaften beibehält.
Die Effizienz des Kühlsystems spielt eine wesentliche Rolle in diesem Prozess. Moderne Anlagen sind darauf ausgelegt, die Temperatur gleichbleibend niedrig zu halten, was für die kryogene Verfahren entscheidend ist. Dies stellt sicher, dass das Material ohne Wärmeverzug verarbeitet wird und so die besten Ergebnisse erzielt werden.
Vorteile der Kryomahlung
Die Vorteile der Kryotechnik sind in verschiedenen Industriebereichen unverkennbar. Ein bedeutender Aspekt der Kryomahlung ist die Erhaltung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien. Diese Methode reduziert die Wärmeentwicklung während des Mahlprozesses erheblich, was besonders vorteilhaft für temperaturempfindliche Stoffe ist.
Durch die niedrigen Temperaturen, die bei der Kryomahlung zum Einsatz kommen, wird eine beschädigungsfreie Verarbeitung ermöglicht. Dies ist besonders wichtig für die Verarbeitung von Materialien wie Kunststoffen, bei denen die Hitzeempfindlichkeit eine große Rolle spielt.
Zusätzlich ermöglicht die Kryomahlung die Herstellung sehr feiner Pulver, die durch herkömmliche Mahlverfahren nicht erreichbar wären. Diese Pulver sind in Anwendungen der Chemie- und Materialwissenschaften, Gesundheits- und Medizintechnik sowie in der Herstellung von Polymeren und Kunststoffen von großem Vorteil.
- Erhaltung chemischer und physikalischer Eigenschaften
- Reduzierung der Wärmeentwicklung
- Herstellung sehr feiner Pulver
Die Zementindustrie nutzt ebenfalls Vorteile der Kryotechnik. Zum Beispiel können Altreifen mit flüssigem Stickstoff versteift und in kleinere Moleküle zerlegt werden, bevor sie zur Zementgewinnung verbrannt werden. Somit kann umweltschädigender Ruß und Schwefeldioxid bei ausreichender Abgasreinigung reduziert werden.
Darüber hinaus führt die Vorteile der Kryotechnik zu einem effizienteren Recyclingprozess. Die Pyrolyse von Altreifen, bei der Ruß zurückgewonnen wird, kann zur Herstellung neuer Reifen oder als Druckerschwärze verwendet werden. Auch Gummimatten können durch Zerkleinerung von Recyclinggummi und deren Formung mit Klebern erzeugt werden.
- Weniger Wärmeentwicklung des Materials
- Schonende Verarbeitung temperaturempfindlicher Stoffe
- Verbesserung der Recyclingprozesse
In der Wissenschaft und Praxis wurden mehrere Studien durchgeführt, die die Vorteile der Kryotechnik untermauern. Drögemeier R. (1998) und Leschonski K. (1996) haben beispielsweise bahnbrechende Arbeiten zu Ultra Fine Grinding in zweistufigen Rotor-Prallmühlen präsentiert. Zudem hat Landwehr D. (1987) die Kaltzerkleinerung in Turbomühlen am Beispiel von Gewürzen untersucht. Diese Studien betonen, wie bedeutend Kryotechnik für verschiedene Branchen ist.
Fallstudie: Recycling von Gummi
Die Kaltzerkleinerung bietet eine innovative Methode für das Recycling von Altreifen, indem sie das Gummi in einem kalten Zustand zermahlt, sodass es einfacher von anderen Materialien getrennt und in neue Produkte verwandelt werden kann. Heutzutage unterscheidet man zwischen energetischem, werkstofflichem und rohstofflichem Gummi-Recycling. Dabei beinhaltet das energetische Recycling das Verbrennen von Altreifen zur Gewinnung von Prozesswärme.
Werkstoffliches Recycling hingegen ermöglicht die Nutzung von Altkunststoffen unter weitgehender Wahrung der stofflichen Eigenschaften. Dies zeigt sich insbesondere in schulischen Projekten, bei denen die Kaltzerkleinerung als effektiv und umweltschonend angesehen wird. Rohstoffliches Recycling bezieht sich auf das chemische Recycling, bei dem Makromoleküle in kleinere Moleküle zerlegt werden, um neue Wertstoffe zu gewinnen.
Ein weiteres Beispiel für Gummi-Recycling ist die Pyrolyse, bei der Gummi zu Ruß verarbeitet wird. Dieser Ruß kann dann zur Herstellung neuer Reifen oder Druckerschwärze genutzt werden. Somit bietet das Recycling von Altreifen nicht nur eine nachhaltige Lösung zur Wiederverwendung von Abfällen, sondern auch zahlreiche wirtschaftliche Vorteile durch die Wiedergewinnung wertvoller Materialien.
Schlussendlich zeigen diese Recyclingverfahren, wie die Kaltzerkleinerung, dass innovative Methoden möglich und notwendig sind, um die Umweltbelastung durch Altreifen zu minimieren und gleichzeitig wertvolle Ressourcen wiederzuverwenden.
Umweltauswirkungen der Tieftemperatur-Zerkleinerung
Die Umweltauswirkungen der Tieftemperatur-Zerkleinerung sind überwiegend positiv, da diese Methode eine Reihe von Umweltvorteilen der Kaltzerkleinerung mit sich bringt. Durch die Nutzung extrem niedriger Temperaturen zur Zerkleinerung von Materialien wird die Energieeffizienz bedeutend gesteigert, verglichen mit traditionellen Zerkleinerungsverfahren. Die Methode ermöglicht es, härtere und weniger recyclebare Materialien auf eine Weise zu verarbeiten, die eine Wiederverwendung erleichtert und somit Deponieraum spart.
Ein herausragendes Beispiel dafür ist die Nutzung von Styroporverdichtern. Diese Maschinen komprimieren Styroporschaum mit einem Verdichtungsverhältnis von 1:30 bis 1:50, wodurch sich die Dichte des Materials von etwa 30 kg/m³ auf beeindruckende 350 kg/m³ erhöhen lässt. Durch diese Verdichtung wird nicht nur der Raum für Lagerung und Transport reduziert, sondern auch der Recyclingprozess erheblich vereinfacht. Diese Umweltvorteile der Kaltzerkleinerung zeigen sich besonders in der Logistik und im Transportwesen, da kompakte Materialblöcke effizienter und kostengünstiger bewegt werden können.
Die Styroporverdichter werden in vielfältigen Umgebungen wie Supermärkten, Schulen, Krankenhäusern, Lagern und Fischmärkten eingesetzt. Ihre Anwendung hilft nicht nur, Abfallvolumen zu minimieren, sondern trägt auch zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei, da weniger Transporte erforderlich sind. Dies unterstreicht die wichtigen Umweltvorteile der Kaltzerkleinerung und zeigt auf, wie technologischer Fortschritt positive ökologische Effekte haben kann.