Het sluiten van de keten van slimme materialen Matthijs Bloemen – Berlijn (25 05 2012) Vanaf 1 juni 2012 is er een wet in Duitsland actief, die de producent of houder van afvalstoffen verplicht stelt deze te verwerken. Het is een grote stap richting een echte 'kringloopeconomie'. In 2020 zal 65 procent van al het huishoudelijk afval en 70 procent van al het bouw- en sloopafval gerecycled worden. Het sluiten van ketens is een drijfkracht binnen de afvalverwerkingsindustrie. Het levert energiebesparing op door materiaalhergebruik, waardoor er geen aanspraak hoeft te worden gemaakt op bodemschatten of fossiele bronnen. Daarnaast is het door een groeiende materiaalschaarste en daardoor oplopende prijs steeds vaker economisch interessant om materialen opnieuw te gebruiken of te recyclen. Dit artikel focust specifiek op het sluiten van de keten van slimme materialen. Deze sterk ontwikkelende chemietak waarin veel nieuwe materialen ontstaan, wordt door de Duitse wetgeving gestimuleerd om meer onderzoek hiernaar te doen. In Duitsland is het idee dat afval een waarde vertegenwoordigt vanaf midden jaren negentig meer en meer gaan groeien. Dat had niet alleen met de economische waarde van afval te maken (dat was eigenlijk een bijproduct), maar meer met milieubesparende aspecten. Het scheiden van afval en de noodzakelijke wetgeving hiertoe hebben een extra stimulans gegeven aan het ontstaan van de 'afvaleconomie'. In de loop der jaren is een steeds restrictiever beleid ontstaan en in 2005 trad een wet in werking die het verbiedt om ongescheiden afval te storten. Het gevolg van deze ontwikkeling is dat Duitsland tot de best presterende landen hoort in het recyclen van afval. Het opvallende is dat wanneer we zoeken naar echte innovaties binnen de afvaleconomie, die er amper zijn: de overheid neemt het voortouw met weten regelgeving, stimuleert nieuwe ontwikkelingen via (gesubsidieerde) proefprojecten en afvalbedrijven volgen deze trend. Desalniettemin is de Duitse afvaleconomie een branche met een economische waarde van 50 miljard euro, die werk biedt aan 240.000 mensen (2007). In 2012 heeft Duitsland een wereldwijd marktaandeel van 24 procent in faciliteiten voor afvalverwerking en recycling. Een volledig gesloten keten betekent dat de processen van inwinnen, demonteren en herwinnen zo zijn ingericht, dat er basismateriaal van zodanige kwaliteit ontstaat, dat er nieuwe (gelijkwaardige) materialen van gemaakt kunnen worden. Dit impliceert dat er op een bepaald moment geen input van nieuwe materialen meer nodig is. Wat tegenwoordig (te) vaak voorkomt, is dat de keten niet geheel gesloten wordt. In plaats van recycling vindt er 'down-cycling' plaats: materialen wordt hergebruikt op een lager kwaliteitsniveau, waardoor de kans toeneemt dat het (in de volgende levensfasen) eindigt als afval. Er zijn twee soorten kringlopen van materialen: een technische en een biologische kringloop. De biologische kringloop wordt overgelaten aan de natuur. De technische kringloop wordt door mechanische en chemische
recycling weer geïntegreerd. Op deze chemische tak gaat dit artikel verder in. De laatste ontwikkelingen in de topsector Chemie en specifiek het sluiten van de keten van Smart Polymeric Materials liggen op drie vlakken binnen Duitsland: : materiaaltechniek, logistiek en scheidingstechniek. Materiaaltechnieken Depolymerisatie Het produceren van polymeren heet polymerisatie. Het omgekeerde proces, depolymerisatie, verloopt helaas moeizaam en kent veel complicaties. Thermoharders kennen bijvoorbeeld maar één richting, wat betekent dat ze in de toekomst zullen eindigen als afval. De universiteit van Bayreuth, het onderzoeksinstituut Invertec e.V. en het bedrijf Dyneon GmbH zijn erin geslaagd om fluorpolymeren te recyclen: depolymerisatie door flash-pyrolyse. Gefluorideerde polymeren, zoals het bekende polytetrafluorethyleen PTFE (handelsnaam: Teflon), zijn niet-klevend en bestand tegen hitte en chemicaliën bestand. Daarom zijn zij niet alleen essentieel voor de voedingsmiddelenindustrie, maar ook in de halfgeleiderindustrie als bekleding voor afdichtingen en als kabelisolatie in de elektrotechniek. Doordat fluorpolymeren tot de meest stabiele organische verbindingen behoren, worden ze als afval gestort of verbrand. Fluorpolymeren kunnen gedepolymeriseerd worden door flash-pyrolyse; een proces waarin ze worden gesplitst in (her)bruikbare monomeren. Met onder andere een magnetron als energiebron wordt in geoptimaliseerde procesomstandigheden tot 93 procent van het gewicht van de PTFE, de gasvormige monomeren tetrafluorethyleen en hexafluorpropeen teruggewonnen. De deels gefluoreerde polymeren, etheenpropeencopolymeer (FEP) en ethyleen-copolymeer PPVE (PFA) worden verder gerecycled tot een gewichtspercentage van respectievelijk 86 en 77 procent. Dyneon plant momenteel de bouw van een fabriek die de recycling van 500 ton per jaar mogelijk maakt. Self-healing Het voorkomen van afval stimuleert ook het sluiten van de keten. Zo hebben onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Milieu, Veiligheid en Energietechnologie UMSICHT in Oberhausen (het BMBF project Osiris), een kunststof ontwikkelt die zichzelf kan herstellen. Elke kunststof die hoge mechanische belastingen moet dragen, heeft de kans micro-scheuren te bevatten. Dit kan lijden tot onverwachte functie-uitval van het materiaal. Om de groei van scheuren in een vroeg stadium te stoppen, is er een elastisch polymeer ontwikkeld, die zichzelf kan genezen. Inspiratiebronnen waren de rubberboom Hevea brasiliensis latex en ficusplanten die zichzelf kunnen genezen van scheurvormige wonden. Figuur 1 toont hoe een scheur weer bij elkaar gebonden wordt.
[Figuur 1] Mevrouw Nellissen is als wetenschapper bij het project betrokken. Zij vermeldt in een Fraunhofer-bericht dat er al thermoharders met een zelfherstellend vermogen bestaan, zoals de self-healing lakken binnen de automobielindustrie. Elastomeren, die scheuren kunnen sluiten zonder interventie van buitenaf, zijn nog niet eerder ontwikkeld. Een prototype is inmiddels klaar, namelijk een zelfherstellende uitlaatophangsysteem voor auto's (figuur 2).
[Figuur 2]
Logistieke technieken In het scheiden van afval hebben de Duitsers zich goed ontwikkeld, maar oude elektronische apparatuur mist nog een doel en ligt vaak weggestopt in de onderste laden. Het afvalsorteringsbedrijf Alba en Deutsche Post schatten dat er in Duitsland nog ongeveer 83 miljoen oude mobiele telefoons rondzwerven (figuur 3). Op 25 januari 2012 zijn deze twee bedrijven een samenwerking gestart. Iedere Duitser wordt gevraagd oude mobieltjes bij de Deutsche Post kosteloos te verzenden naar Alba, die de waardevolle grondstoffen kan extraheren en verhandelen.
[Figuur 3] Alba is met een omzet van 3,2 miljard en 9.000 werknemers de tweede grootste afvalverwerker in Duitsland, na Remondis (6 miljard omzet). Momenteel verwerken ze 40.000 elektronische apparaten per jaar. Scheidingstechnieken Seperatec Voor Duitsland is een betrouwbare grondstofvoorziening zeer belangrijk. Daarom stimuleert het Duitse ministerie van Economie en Technologie (BMWi) efficiënt gebruik van grondstoffen en materialen. In samenwerking met het Duitse agentschap voor grondstoffen (DERA) worden prijzen uitgereikt voor grondstof- en materiaalefficiënte producten, processen en diensten en het daarvoor benodigde toepassingsgerichte onderzoek. Eén van de zes winnaars van 2011 was het bedrijf Seperatec. Dat richt zich op het recyclen van dunne-film fotovoltaïsche modules via de stappen voorbehandelen, scheiden en sorteren. De voorbehandeling ondersteunt een betere scheiding van de afzonderlijke stoffen in de zonnepanelen. In deze eerste behandeling worden het frame en aansluitdozen gescheiden en vervolgens naar een recyclingspecialist gebracht. De specialiteit van het Seperatec-proces is de scheiding van de coatings met behulp van speciaal ontwikkelde vloeistoffen. Bij de fotovoltaïsche modules is het zaak om de glas-glas verbinding en de glashalfgeleidercoating te scheiden. Zo wordt er een hoge kwaliteit secundaire grondstoffen gecreëerd. Het sorteren van de verschillende onderdelen vindt al gedeeltelijk plaats tijdens het scheidingsproces. Bevrijd van de halfgeleider wordt het glas
doorgegeven aan de vlakglasproducent en de halfgeleidercoating vervolgens aan gespecialiseerde edelmetaalpartners. Unisensor: Aan de kunststofzijde van de afvalberg heeft een Duits bedrijf Unisensor een probleem uit de weg geholpen. Met de huidige sorteringsmethode van kunststoffen blijft een ongewenste mix van verschillende kunststoffen bestaan. Visuele, cameragebaseerde of andere traditionele methoden identificeren de materialen slechts gedeeltelijk, omdat ze vaak niet zijn te onderscheiden in kleur of over andere parameters. Kunststof komt hierdoor momenteel vooral terecht in een down-cycling proces; een PET-fles komt niet terug als PET-fles. Een zuivere scheiding van een gemengde kunststoffenstroom is mogelijk door gebruik te maken van laser-spectroscopie. Het systeem maakt op zeer hoge snelheid met een efficiënte en accurate detectiemethode een goede materiaalidentificatie van plastic vlokken en korrels. Elke soort kunststof reageert optisch anders en is daarmee herkenbaar. Zodra een soort wordt herkend, schieten luchtinjecties het in een bepaalde baan (figuur 4). Met de Deutscher Zukunftspreis 2010 op zak staat Unisensor klaar om jaarlijks 100.000 ton aan Duits kunststofafval te verwerken.
[figuur 4] [Streamer] “Om de groei van scheuren in een vroeg stadium te stoppen, is er een elastisch polymeer ontwikkeld, die zichzelf kan genezen”
Bronnen: http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2011/maerz/defektekunststoffe-reparieren-sich-selbst.html http://www.dbu.de/phpTemplates/publikationen/pdf/070512023329p3os.pdf http://www.saperatec.de/index.php/technologie/recyclingverfahren http://www.unisensor.de/produkte/productdetails/recyclingindustrie/powersort-200.html
