Kunststof scheiden in een golfslagbad

Kunststof is een geliefd materiaal in de massafabricage. Het is goedkoop, laat zich in elke denkbare vorm boetseren en combineert moeiteloos eigenschappen als slagvastheid, een laag gewicht en elektrische isolatie.

Maar aan het eind van zijn levensloop wordt de oogappel van de ontwerper een milieukundig zorgenkind. De afgedankte zeepflacons, tandpastatubes en tuinstoelen laten zich alleen tegen hoge kosten scheiden van de rest van de afvalstroom. De productie van nieuwe kunststof is bovendien goedkoper dan terugwinning. In tegenstelling tot metaal, worden de meeste plastics daarom niet hergebruikt maar met de rest van het afval verstookt. Dat levert wel wat energie op, maar kan nauwelijks tot het hergebruik gerekend worden.

Als het materiaal al gescheiden is ingezameld, blijft het toch een allegaartje van plasticsoorten. Zo worden shampooflessen gemaakt van het buigzame low-density polyethyleen (PE), terwijl er vaak een stevige polypropyleen (PP) dop opzit. En dat is niet best voor de mechanische eigenschappen: teruggewonnen polyethyleen dat meer dan een fractie polypropyleen bevat, is eigenlijk al onbruikbaar. Het mengsel is hooguit geschikt voor laagwaardige toepassingen als vettige bermpaaltjes.

Om plastic te kunnen hergebruiken moet het het dus worden opgeschoond. Hierbij wordt dankbaar gebruik gemaakt van dichtheidsverschillen: een kuub PVC is bijvoorbeeld aanzienlijk zwaarder dan een gelijk volume PE. Als dergelijk kunststofgruis door een vloeistofbassin wordt geleid, dan bezinkt het PVC terwijl het lichte PE en PP naar het oppervlak stijgt.

Er is echter geen praktische manier om dit drijvende restant verder te zuiveren. Zowel PE als PP zijn lichter dan water en onderling verschilt de dichtheid maar vijf procent. Exit vloeistofscheiding. Dat is sowieso een probleem met kunststof, weet dr.ir. Norbert Fraunholcz van Technische Aardwetenschappen. ,,Negentig procent van de kunststoffen zit in de range van 900 tot 1400 kilo per kubieke meter. En dan zitten de meest gebruikte kunststoffen qua dichtheid ook nog eens dicht bij elkaar in de buurt. Die kun je met de gebruikelijke flotatietechnieken dus maar moeilijk van elkaar scheiden.”

Husselen

Afgelopen zomer kregen Fraunholcz en zijn collega’s dr. Peter Rem en ir. Arno de Bruijn echter een brainwave. Fraunholz had kort daarvoor op een congres iets gezien dat voor onmogelijk werd gehouden. Een spreker vertelde hoe hij een aantal zware kunststoffen van vrijwel gelijke dichtheid toch mechanisch had weten te scheiden. Als scheidingstechniek gebruikte hij jigging,een husselmethode die al eeuwen wordt gebruikt om goud uit rivierslib te halen.

De goudzoekers van weleer gebruikten bordjes waarin ze het slib bedachtzaam lieten rondklotsen. Tegenwoordig is dit proces gemechaniseerd, maar jigging blijft vrij ongecompliceerd. Het mengsel van zand, steengruis en eventuele gouddeeltjes wordt op een beweegbare zeef gelegd, die langzaam op en neer beweegt in een waterkolom. Door het voortdurende dalen en stijgen treedt er al snel een schifting op in het materiaal. Het steengruis concentreert zich in een bovenlaag, het goud in een laag daaronder.

Handig, maar hoe dit komt is onbekend. ,,Jigging is een ervaringsverschijnsel”, verontschuldigt Peter Rem zich grijnzend. ,,Ik begrijp dat het moeilijk te accepteren is aan een technische universiteit, maar eigenlijk weet niemand hier nog het fijne van.”

Zo stelt een prominent leerboek dat bij jigging de daalsnelheid van de deeltjes een doorslaggevende rol speelt. De praktijk bewijst helaas het tegendeel. Rem: ,,Dat is één van de bizarre dingen vanjigging. Het werkt ook als alle deeltjes een verschillende grootte hebben. Maar dan kan de daalsnelheid al geen rol meer spelen. De theorie gaat daar dus al akelig uit de bocht.” Fraunholcz vult aan: ,,Er is hier wel onderzoek naar jigging gedaan, en de conclusie was dat de boeken niet helemaal kloppen. Maar over hoe het wél zit hebben we alleen nog maar een vermoeden.” Rem weer: ,,We zullen het waarschijnlijk nooit helemaal begrijpen. Nee, het is echt heel triest.”

Op het congres dat Fraunholcz bijwoonde viel dus ook een ander axioma door de mand. ,,Tot nu toe ging men ervan uit dat je jigging alleen kon toepassen als je materialen met sterk verschillende dichtheden wilde scheiden. Logisch natuurlijk. De methode wordt het meest gebruikt bij de goudwinning en goud is bijna tien keer zo dicht als gesteente. Het idee om kunststof te jiggen bestaat ook al lang, maar dat was bedoeld om plastic van andere, zwaardere materialen te scheiden.”

Omgedraaid

Tot een spreker op een conferentie doodleuk liet zien dat een jig ook plastics van elkáár kan scheiden. Zware plasticsoorten weliswaar, maar bij veel congresgangers vielen de schellen van de ogen. Toen Fraunholcz de ontdekking aan zijn collega’s vertelde, kregen ze vrijwel direct een ingeving. Als je met een jig zware plastics van elkaar kan scheiden, waarom zou het dan niet met lichte kunststoffen lukken? Waarna hun idee snel gestalte kreeg. Fraunholcz, Rem en De Bruijn draaiden de jig gewoon om, voerden een reeks proeven uit, en zagen dat het werkte. De inverse jig was geboren.

De onderzoekers demonstreren de proefopstelling van de inverse jig nu al meerdere keren per week aan verbaasde kunststofrecyclers. ,,De belangstelling uit de industrie is overweldigend, we worden zowat elke dag gebeld”, glundert Rem. ,,De helft van de mensen gelooft ons op ons woord, maar de rest wil hier toch met eigen ogen komen kijken.”

Het hart van hun opstelling is een watergevulde plexiglas buis, waarin een kleurige mix van drie kunststofsoorten zweeft. Een zeefin het midden voorkomt dat de plastickorrels naar de oppervlakte van de waterkolom drijven. Door een zuiger aan te sturen wordt de waterkolom in beweging gebracht.

,,Het mengsel bestaat uit kunststoffen met een dichtheid van 945, 917 en 894 kilo per kuub”, somt De Bruijn op, waarna hij de waterkolom rustig op- en neer laat bewegen. In het mini-golfslagbad voltrekt zich een klein wonder. De wanordelijke mix van plastickorrels ontmengt zich, en na een aantal cycli bevat de kolom drie afzonderlijke lagen die vrijwel helemaal zuiver zijn.

Hoewel het onderliggende mechanisme onduidelijk is, zijn er wel een aantal belangrijke procesparameters bekend. ,,Je kunt spelen met de amplitude van de slag, de frequentie van de golfbeweging, en de daal- en stijgsnelheid. De daalsnelheid van de waterkolom is bijvoorbeeld lager dan de stijgsnelheid. Snel genoeg om de korrels te fluïdiseren, maar wel zodanig dat er geen werveling ontstaat. En als je dat allemaal voor elkaar hebt, kost het vrij weinig moeite om de boel te scheiden. Dat is in een slag of vijf wel gebeurd.”

De onderzoekers denken dat de inverse jig per meter doorsnee, pakweg een ton plastic in het uur kan verwerken. Dat is mooi, want de Europese commissie wil dat volgend jaar twintig procent van de plastics uit huisvuil wordt hergebruikt. En dat kunststofafval bestaat voor 80 procent uit lichtgewicht PE en PP. Gouden tijden voor de inverse jig. De patentaanvraag is inmiddels al in een vergevorderd stadium, dus de recycle-deskundigen willen niet al te veel kwijt over de rest van hun ontwerp.

,,Er zitten nog veel technologische handigheidjes in waar we nog even over na willen denken”, verklaart Rem. ,,Het principe mag dan eenvoudig zijn, deep down is het best complex. Maar het zou jammer zijn als dit idee in de academische fase blijft hangen, dus er wordt nu hard gewerkt aan de vermarkting.”

En zo zet een nog grotendeels onbegrepen proces straks wellicht de kunststofrecycling op zijn kop.

Kunststof is een geliefd materiaal in de massafabricage. Het is goedkoop, laat zich in elke denkbare vorm boetseren en combineert moeiteloos eigenschappen als slagvastheid, een laag gewicht en elektrische isolatie.

Maar aan het eind van zijn levensloop wordt de oogappel van de ontwerper een milieukundig zorgenkind. De afgedankte zeepflacons, tandpastatubes en tuinstoelen laten zich alleen tegen hoge kosten scheiden van de rest van de afvalstroom. De productie van nieuwe kunststof is bovendien goedkoper dan terugwinning. In tegenstelling tot metaal, worden de meeste plastics daarom niet hergebruikt maar met de rest van het afval verstookt. Dat levert wel wat energie op, maar kan nauwelijks tot het hergebruik gerekend worden.

Als het materiaal al gescheiden is ingezameld, blijft het toch een allegaartje van plasticsoorten. Zo worden shampooflessen gemaakt van het buigzame low-density polyethyleen (PE), terwijl er vaak een stevige polypropyleen (PP) dop opzit. En dat is niet best voor de mechanische eigenschappen: teruggewonnen polyethyleen dat meer dan een fractie polypropyleen bevat, is eigenlijk al onbruikbaar. Het mengsel is hooguit geschikt voor laagwaardige toepassingen als vettige bermpaaltjes.

Om plastic te kunnen hergebruiken moet het het dus worden opgeschoond. Hierbij wordt dankbaar gebruik gemaakt van dichtheidsverschillen: een kuub PVC is bijvoorbeeld aanzienlijk zwaarder dan een gelijk volume PE. Als dergelijk kunststofgruis door een vloeistofbassin wordt geleid, dan bezinkt het PVC terwijl het lichte PE en PP naar het oppervlak stijgt.

Er is echter geen praktische manier om dit drijvende restant verder te zuiveren. Zowel PE als PP zijn lichter dan water en onderling verschilt de dichtheid maar vijf procent. Exit vloeistofscheiding. Dat is sowieso een probleem met kunststof, weet dr.ir. Norbert Fraunholcz van Technische Aardwetenschappen. ,,Negentig procent van de kunststoffen zit in de range van 900 tot 1400 kilo per kubieke meter. En dan zitten de meest gebruikte kunststoffen qua dichtheid ook nog eens dicht bij elkaar in de buurt. Die kun je met de gebruikelijke flotatietechnieken dus maar moeilijk van elkaar scheiden.”

Husselen

Afgelopen zomer kregen Fraunholcz en zijn collega’s dr. Peter Rem en ir. Arno de Bruijn echter een brainwave. Fraunholz had kort daarvoor op een congres iets gezien dat voor onmogelijk werd gehouden. Een spreker vertelde hoe hij een aantal zware kunststoffen van vrijwel gelijke dichtheid toch mechanisch had weten te scheiden. Als scheidingstechniek gebruikte hij jigging,een husselmethode die al eeuwen wordt gebruikt om goud uit rivierslib te halen.

De goudzoekers van weleer gebruikten bordjes waarin ze het slib bedachtzaam lieten rondklotsen. Tegenwoordig is dit proces gemechaniseerd, maar jigging blijft vrij ongecompliceerd. Het mengsel van zand, steengruis en eventuele gouddeeltjes wordt op een beweegbare zeef gelegd, die langzaam op en neer beweegt in een waterkolom. Door het voortdurende dalen en stijgen treedt er al snel een schifting op in het materiaal. Het steengruis concentreert zich in een bovenlaag, het goud in een laag daaronder.

Handig, maar hoe dit komt is onbekend. ,,Jigging is een ervaringsverschijnsel”, verontschuldigt Peter Rem zich grijnzend. ,,Ik begrijp dat het moeilijk te accepteren is aan een technische universiteit, maar eigenlijk weet niemand hier nog het fijne van.”

Zo stelt een prominent leerboek dat bij jigging de daalsnelheid van de deeltjes een doorslaggevende rol speelt. De praktijk bewijst helaas het tegendeel. Rem: ,,Dat is één van de bizarre dingen vanjigging. Het werkt ook als alle deeltjes een verschillende grootte hebben. Maar dan kan de daalsnelheid al geen rol meer spelen. De theorie gaat daar dus al akelig uit de bocht.” Fraunholcz vult aan: ,,Er is hier wel onderzoek naar jigging gedaan, en de conclusie was dat de boeken niet helemaal kloppen. Maar over hoe het wél zit hebben we alleen nog maar een vermoeden.” Rem weer: ,,We zullen het waarschijnlijk nooit helemaal begrijpen. Nee, het is echt heel triest.”

Op het congres dat Fraunholcz bijwoonde viel dus ook een ander axioma door de mand. ,,Tot nu toe ging men ervan uit dat je jigging alleen kon toepassen als je materialen met sterk verschillende dichtheden wilde scheiden. Logisch natuurlijk. De methode wordt het meest gebruikt bij de goudwinning en goud is bijna tien keer zo dicht als gesteente. Het idee om kunststof te jiggen bestaat ook al lang, maar dat was bedoeld om plastic van andere, zwaardere materialen te scheiden.”

Omgedraaid

Tot een spreker op een conferentie doodleuk liet zien dat een jig ook plastics van elkáár kan scheiden. Zware plasticsoorten weliswaar, maar bij veel congresgangers vielen de schellen van de ogen. Toen Fraunholcz de ontdekking aan zijn collega’s vertelde, kregen ze vrijwel direct een ingeving. Als je met een jig zware plastics van elkaar kan scheiden, waarom zou het dan niet met lichte kunststoffen lukken? Waarna hun idee snel gestalte kreeg. Fraunholcz, Rem en De Bruijn draaiden de jig gewoon om, voerden een reeks proeven uit, en zagen dat het werkte. De inverse jig was geboren.

De onderzoekers demonstreren de proefopstelling van de inverse jig nu al meerdere keren per week aan verbaasde kunststofrecyclers. ,,De belangstelling uit de industrie is overweldigend, we worden zowat elke dag gebeld”, glundert Rem. ,,De helft van de mensen gelooft ons op ons woord, maar de rest wil hier toch met eigen ogen komen kijken.”

Het hart van hun opstelling is een watergevulde plexiglas buis, waarin een kleurige mix van drie kunststofsoorten zweeft. Een zeefin het midden voorkomt dat de plastickorrels naar de oppervlakte van de waterkolom drijven. Door een zuiger aan te sturen wordt de waterkolom in beweging gebracht.

,,Het mengsel bestaat uit kunststoffen met een dichtheid van 945, 917 en 894 kilo per kuub”, somt De Bruijn op, waarna hij de waterkolom rustig op- en neer laat bewegen. In het mini-golfslagbad voltrekt zich een klein wonder. De wanordelijke mix van plastickorrels ontmengt zich, en na een aantal cycli bevat de kolom drie afzonderlijke lagen die vrijwel helemaal zuiver zijn.

Hoewel het onderliggende mechanisme onduidelijk is, zijn er wel een aantal belangrijke procesparameters bekend. ,,Je kunt spelen met de amplitude van de slag, de frequentie van de golfbeweging, en de daal- en stijgsnelheid. De daalsnelheid van de waterkolom is bijvoorbeeld lager dan de stijgsnelheid. Snel genoeg om de korrels te fluïdiseren, maar wel zodanig dat er geen werveling ontstaat. En als je dat allemaal voor elkaar hebt, kost het vrij weinig moeite om de boel te scheiden. Dat is in een slag of vijf wel gebeurd.”

De onderzoekers denken dat de inverse jig per meter doorsnee, pakweg een ton plastic in het uur kan verwerken. Dat is mooi, want de Europese commissie wil dat volgend jaar twintig procent van de plastics uit huisvuil wordt hergebruikt. En dat kunststofafval bestaat voor 80 procent uit lichtgewicht PE en PP. Gouden tijden voor de inverse jig. De patentaanvraag is inmiddels al in een vergevorderd stadium, dus de recycle-deskundigen willen niet al te veel kwijt over de rest van hun ontwerp.

,,Er zitten nog veel technologische handigheidjes in waar we nog even over na willen denken”, verklaart Rem. ,,Het principe mag dan eenvoudig zijn, deep down is het best complex. Maar het zou jammer zijn als dit idee in de academische fase blijft hangen, dus er wordt nu hard gewerkt aan de vermarkting.”

En zo zet een nog grotendeels onbegrepen proces straks wellicht de kunststofrecycling op zijn kop.