Abtrennung von Ziegelpartikeln aus der Sandfraktion
von Bau- und Abbruchabfällen auf der Grundlage
ihrer magnetischen Suszeptibilität

1 Sortierverfahren für die Aufbereitung von Bau- und Abbruchabfällen

Bei der Aufbereitung von Bau- und Abbruchabfällen ist die Sortierung der angelieferten Gemische einer der entscheidenden Prozessschritte, um Rezyklate mit definierten Eigenschaften zu erzeugen. Zum einen werden bekannte Verfahren wie die Windsichtung oder die Trennung mittels Setzmaschinen eingesetzt. Diese Verfahren beruhen im Wesentlichen auf Dichteunterschieden. Zum anderen kommt nach wie vor die manuelle Sortierung zur Anwendung. In einigen Fällen werden anstelle dieser Techniken bereits sensorbasierte Verfahren eingesetzt. Die Sortierung mittels “intelligenter Greifer” in Kombination mit einem durch künstliche Intelligenz unterstützten Erkennungsalgorithmus ist bisher einzigartig [1]. Mit den genannten Techniken können mineralische Partikel mit Größen im Zentimeterbereich sortiert werden. Verfahren zur Sortierung von Sanden sind weit weniger verfügbar. Spezielle Sandsetzmaschinen, Aquamatoren und Spiralabscheider sind mögliche Nassverfahren, die für Partikelgrößen im Sandbereich geeignet sind. Das Trennmerkmal ist die Dichte. Verschiedene Materialtypen, deren Dichte sich nur geringfügig unterscheidet, können nicht getrennt werden. Die Sortierung nach magnetischen Eigenschaften ist dagegen Stand der Technik für ferromagnetische Bestandteile im Bauschutt. Armierungseisen und Kleineisenteile werden mit Überbandmagneten und/oder Trommelmagnetscheidern getrennt.

Die Defizite in den verfügbaren Sortiertechniken wirken sich auf das Niveau des Recyclings aus. Für unsortierten Mauerwerkbruch gibt es bisher kaum Verwertungsmöglichkeiten, so dass er häufig deponiert oder für Verfüllung eingesetzt wird. Ausnahme ist der Einsatz als Rohstoff für die Herstellung von leichten Gesteinskörnungen ähnlich den Blähtonen wie in [2] beschrieben. Die aus dem Mauerwerksschutt aussortierten Ziegelsande können dagegen in der Vegetationstechnik eingesetzt werden. Sie können aber auch im Sinne eines rohstofflichen Recyclings als anteiliger Rohstoffersatz für die erneute Produktion von Ziegeln verwendet werden. Zwei unterschiedliche Verfahren sind bereits realisiert bzw. stehen am Anfang der Realisierung [3]:

Die Herstellung von zementgebundenen Ziegeln aus recycelten Materialien ohne weiteren thermischen Prozess

Die Herstellung von thermisch gebundenen Ziegeln, bei denen die Formgebung durch uniaxiales Pressen wie bei der technischen Keramik erfolgt.

Bei der Zementherstellung können reine Ziegelsande nach dem Mahlen als “additional cementitious materials” eingesetzt werden und so zur Reduzierung des Zementklinkerverbrauchs und der CO₂-Emissionen beitragen [4], [5], [6].

2 „Hochintensive“ magnetische Trennung von Primär- und Sekundärrohstoffen

Wenn Stoffe einem Magnetfeld ausgesetzt werden, werden sie magnetisiert. Je nach der Reaktion des Materials auf das Magnetfeld können drei Arten von Magnetismus unterschieden werden:

Ferromagnetismus: Bei ferromagnetischen Materialien richtet sich die Magnetisierung nach dem äußeren Magnetfeld und ist aufgrund der besonderen Wechselwirkung besonders stark. Dadurch wird ein ferromagnetisches Material stark von einem Magneten angezogen.

Paramagnetismus: Bei paramagnetischen Körpern ist die Magnetisierung in der gleichen Richtung wie das äußere Magnetfeld ausgerichtet, jedoch ohne die oben erwähnte verstärkende Wechselwirkung. Ein paramagnetisches Material wird daher nur sehr schwach angezogen.

Diamagnetismus: Die Magnetisierung ist dem äußeren Feld entgegengesetzt, so dass ein diamagnetischer Stoff schwach abgestoßen wird.

Der Ferromagnetismus ist die am längsten bekannte und genutzte Form des Magnetismus. Mit der Entwicklung von Seltenerdenmagneten ist der Paramagnetismus ebenfalls nutzbar. Die Stärke der Magnetisierung M ist mit der magnetischen Feldstärke H über die relative Permeabilitätszahl µ_R oder die Suszeptibilität χ gekoppelt:

M = (µ_R-1)*H = χ*H

Informationen über die Suszeptibilität von Elementen und anorganischen Verbindungen finden sich u. a. in [7] bis [10]. Die Angaben unterscheiden sich zum Teil erheblich. »Tabelle 1 fasst einige Suszeptibilitäten aus [7] für Verbindungen zusammen, die für den Baustoffsektor relevant sind.

Bei der Aufbereitung von Primärrohstoffen eröffnete die Entwicklung von “Seltenerdmagneten” mit hohen Feldstärken etwa ab den 1980er Jahren neue Möglichkeiten der Sortierung. Damit ist eine Sortierung auf der Basis paramagnetischer Eigenschaften durchführbar. Aufgrund ihrer guten Leistung und der geringen Betriebskosten haben RER-Separatoren eine breite Akzeptanz bei der Aufbereitung von Kohle und Industriemineralien gefunden. Folgende Anwendungen sind in [7] und [11] aufgeführt: Aufbereitung von bituminöser oder subbituminöser Kohle, Braunkohle, Braunkohlenflugasche, Feldspat, Ilmenit, Mangan, Bauxit, Perlit, Colemanit, Nephelinsyenit, Quarzsand, Wollastonit und Diamant.

Bei der Aufbereitung von Sanden für die Glasherstellung kann die Sortierung mittels RER-Separatoren zur Abtrennung von Fe₂O₃-haltigen Mineralien eingesetzt werden [12], [13]. Mit einer dreistufigen Sortieranlage mit einer maximalen Feldstärke von 0,73 Tesla konnte der Fe₂O₃-Gehalt von 5,2 Massen-% im Aufgabegut auf 0,23 Massen-% im Produkt reduziert werden.

Der Einsatz von RER-Abscheidern kann auch bei der Herstellung von Brechsanden für die Mörtel- und Betonproduktion Vorteile bieten. Der Gehalt an Glimmer, der sich ungünstig auf die Betoneigenschaften auswirkt und der nach der Aufbereitung von Gneis in der Fraktion < 2,36 mm frei vorlag, konnte deutlich reduziert werden [14].

Bei der Sortierung von Brechsanden, die bei der Aufbereitung von Altbeton anfallen, konnten Partikel mit hohem Gehalt an Zementpaste von solchen, die aus Quarz und Feldspat bestanden, getrennt werden [15]. Die Abtrennung von Betonfeinteilen mit einem Hochintensitäts-Permanentmagnetsortierer mit 1 Tesla Magnetfeldstärke wurde für die Fraktionen 125-250 µm, 250-500 µm und 500-1000 µm untersucht [16].  Die Ausbeute der nicht-magnetischen Fraktion, d.h. der Sandfraktion, nahm von 62,5 Masse-% für die feinste Fraktion auf 89,3 Masse-% für die gröbste Fraktion zu. Die nichtmagnetischen Fraktionen aller Größenklassen enthielten einen geringeren Anteil an Zementpaste von 3 - 11 Masse-%.

Bei der Aufbereitung von Bau- und Abbruchabfällen als Gemisch aus Beton und Ziegeln wurden RER-Separatoren bisher nicht eingesetzt. Erste Informationen aus der Literatur über die Unterscheidbarkeit von Ziegel- und Betonsanden auf der Grundlage der magnetischen Eigenschaften lagen bereits 2004 vor [17], [18]. Mit einem isodynamischen Frantz-Separator wurden Ziegelpartikel von Zementmörtelpartikeln auf der Grundlage ihres Fe₂O₃-Gehalts getrennt, der im Mörtel < 1,25 Massen-% und in den Ziegeln 3 bis 4 Massen-% betrug. Trotz dieser positiven Ergebnisse wurde diese Möglichkeit später nicht mehr aufgegriffen bzw. es wurde nicht mehr darüber berichtet.

Erste eigene Versuche mit Hilfe eines RER-Separators bestätigten dieses Ergebnis. Ein Aufgabematerial, das aus Ziegel-, Beton- und Mörtelpartikeln mit Größen < 4 mm bestand, konnte in eine “rote” ziegelreiche und eine “graue” mörtelreiche Fraktion getrennt werden (»Abbildung 1). Dieses Ergebnis war der Ausgangspunkt für die weitere Verfolgung des Potenzials dieser Sortiermethode.

3 Messungen der Suszeptibilität von Beton- und Mörtelproben

Für die hier durchgeführten Untersuchungen wurden verschiedene Betone und Ziegel sowie Beton- und Ziegelrezyklate verwendet. Die Korngrößen der untersuchten Proben reichten von 0,063 bis 2,8 mm. Zur Charakterisierung der Ausgangsmaterialien wurde deren chemische Zusammensetzung mittels Röntgenfluoreszenzanalysen an Schmelztabletten gemessen (»Tabelle 2).

Die magnetische Suszeptibilität als entscheidender Parameter für die RER-Sortierung wurde mit zwei verschiedenen Methoden bestimmt. Die Messung der massenspezifischen magnetischen Suszeptibilität wurde mit der in »Abb. 2 dargestellten Kombination aus Messgerät und Sensor bestimmt. Die pulverförmigen Proben wurden in 12,5-ml-Dosen aus transparentem Polystyrol mit einem Polyethylendeckel gefüllt und anschließend gemessen.

Für die Messung der volumenspezifischen Suszeptibilität mit dem Bartington E-Sensor wurden die Proben in den Original-Plastikbeuteln belassen und der Sensor daraufgelegt. Das Pulver wurde mit der Unterseite des Sensors leicht angedrückt, um eine ebene Oberfläche zu erhalten.

Die Zusammenfassung der Messwerte in »Tabelle 3 zeigt, dass signifikante Unterschiede zwischen den Suszeptibilitäten in Abhängigkeit von der Art des Materials bestehen. Die niedrigsten massenspezifischen Suszeptibilitäten < 100 x 10^-9m³/kg haben der Zementstein und der mit Kalksteinzuschlägen hergestellte Beton. Die Suszeptibilitäten der Betone mit quarzreichen Gesteinskörnungen bleiben deutlich unter 1250 x 10^-9m³/kg. Nur bei einem Beton wurde ein höherer Wert gemessen, was auf die Einfärbung dieses Betons zurückgeführt werden kann. Im Gegensatz dazu liegen die Suszeptibilitäten der keramisch gebundenen Baustoffe durchweg über 1000 x 10^-9m³/kg und meist sogar über 2000 x 10^-9m³/kg. Damit ist, von wenigen Ausnahmen abgesehen, eine Unterscheidbarkeit gegeben.

Der Vergleich der mit den verschiedenen Sensoren gemessenen Suszeptibilitäten zeigt, dass beide Messwerte gut miteinander korrelieren (»Abb. 3). Abweichungen treten nur bei 2 der insgesamt 23 Wertepaare auf.

Die Abhängigkeit zwischen dem Fe₂O₃-Gehalt und der massenspezifischen Suszeptibilität zeigt deutliche Unterschiede für die beiden betrachteten Materialgruppen Beton und Ziegel (»Abb. 4).  Bei den Betonen gibt es eine klare Korrelation zwischen dem Fe₂O₃-Gehalt und der Suszeptibilität. Bei Ziegeln werden, von wenigen Ausnahmen abgesehen, immer höhere Werte als bei den Betonen gemessen. Eine so deutliche Abhängigkeit vom Fe₂O₃-Gehalt gibt es jedoch nicht. Der Grund für diese Unterschiede ist, dass das im Ziegel enthaltene Eisenoxid in verschiedenen Oxidationsstufen vorliegen kann, die sich in ihren magnetischen Eigenschaften unterscheiden.

4 Untersuchungen zur Trennung von Ziegel- und Betonsanden mit einem Seltenerden-Magnetabscheider

4.1 Verwendeter Magnetscheider

Die Versuche wurden mit einem Seltenerden-Bandmagnetabscheider durchgeführt, dessen Feldstärke nach den Angaben des Herstellers 2,1 Tesla betrug. Die »Abb. 5 zeigt das Schema des Separators und das für die Versuche verwendete Modell. Die wichtigsten Komponenten des Geräts sind das Förderband, der in der Kopfrolle installierte Magnet und der „Splitter“.

Das Material wird mittels einer Vibrationsrinne auf das Förderband mit einer Breite von 300 mm aufgegeben. Darüber befindet sich ein Überbandmagnet, der die im Aufgabematerial enthaltenen ferromagnetischen Bestandteile abscheidet. Die Feldstärke des in der Kopfrolle installierten Magneten von 2,1 Tesla wird in Abhängigkeit von der Dicke des Förderbandes reduziert, so dass die effektive Feldstärke bei der hier verwendeten Bandstärke etwa 1,4 Tesla beträgt. Dadurch bleiben die paramagnetischen Partikel an der Kopfrolle haften, während die nichtmagnetischen ausgeworfen werden. Der „Splitter“ unterstützt die Trennung. Bei dem verwendeten Seltenerden-Magnetabscheider konnte die Geschwindigkeit der Vibrationsrinne, die Bandgeschwindigkeit sowie die Position und Neigung des Splitters variiert werden.

4.2 Verwendete Proben

Die folgenden Proben wurden für die Sortierversuche ausgewählt:

C 2 (Beton mit Kalksteinzuschlägen), C 3 (Betonplatte) C 8 (Pflasterstein)

B 3 (alter Ziegel), B 6 (Hohlziegel), B 9 (Klinker, schwarz), B 10 (Spaltklinker, gelb), B 12 (Kanalklinker), B 14 Ziegelrecyclingmaterial.

Alle Ausgangsmaterialien wurden auf eine Korngröße < 2,8 mm zerkleinert und mittels Siebung in die Fraktionen 0,063/0,5 mm, 0,5/1,0 mm und 1,0/2,8 mm getrennt. Die Beton- bzw. Ziegelproben wurden im Masseverhältnis 1:1 gemischt. Für jeden Trennversuch wurde eine Menge von 800 g der getrockneten, fraktionierten, gemischten Proben verwendet und in den Aufgabetrichter des Sortierers gegeben. Von dort wurde das Material über die Vibrationsrinne auf das Zuführband zur Magnettrommel transportiert. Beim Passieren der Magnettrommel erfolgte die Trennung in “magnetisch” und “nicht-magnetisch”. Die entstandenen Produkte wurden gesammelt und gewogen. Insgesamt wurden 193 Sortierversuche durchgeführt.

4.3 Methoden zur Auswertung der Sortierergebnisse

Die Gesamtbilanz des Sortiervorgangs in »Abb. 6 zeigt beispielhaft die Aufteilung des Eingangsmassenstroms aus gleichen Anteilen von Beton und Ziegeln in den überwiegend an dem am Magneten haftenden Massenstrom und den angeworfenen Massenstrom. Ersterer besteht hauptsächlich aus Ziegeln und enthält noch Reste von Beton als Verunreinigungen. Der abgeworfene Massenstrom besteht fast ausschließlich aus Beton. Es gilt die folgende Gesamtmassenbilanz:

m_{concret in} + m_{brick in} = m_{non mag out} + m_{mag out}

Der Verlust bei der Sortierung hängt von der behandelten Fraktion ab. Er beträgt 0,73 Masse-% für die Fraktion 0,063/0,5 mm, 0,18 Masse-% für die Fraktion 0,5/1 mm und 0,33 Masse-% für die Fraktion 1,0/2,8 mm.

Die Gesamtmassenbilanz wird durch Wägung ermittelt. Sie zeigt an, wie viel des zugeführten Materials in das magnetische Produkt übergeht. Sie gibt jedoch keine Auskunft über die Qualität dieses Produktes. Um darüber Aussagen machen zu können, muss der Ziegelanteil in der magnetischen Fraktion bestimmt werden. Dies kann anhand der Farbe erfolgen (»Abb. 7).

Zum Zeitpunkt der Versuche war jedoch keine geeignete Hard- und Softwarelösung zur Versuchsauswertung anhand der Farbe verfügbar. Daher wurden die systematischen Unterschiede, die zwischen den Glühverlusten der Betone und der Ziegel bestehen (»Tabelle 1), zur Beurteilung des Trennerfolgs herangezogen. Zu diesem Zweck wurden die Massen der entstandenen magnetischen und nichtmagnetischen Fraktionen sowie die Glühverluste an den Ausgangsmaterialien bzw. an den sortierten Produkten gemessen. Aus der Gesamtmassenbilanz der magnetischen Partikel und der Glühverlust-Massenbilanz für diese Partikel ergibt sich die Masse der Ziegel in der magnetischen Fraktion:

m_mag = m_{brick mag} + m_{concrete mag} 

m_mag*LOI_mag = m_{brick mag}*LOI_brick + m_{concrete mag}*LOI_concrete

m_brickmag = m_mag*(LOI_concrete – LOI_mag)/ (LOI_concrete –  LOI _brick)

4.4 Ergebnisse der magnetischen Sortierung

Durch das Sortierverfahren wird das Einsatzmaterial in eine magnetische Fraktion mit einem höheren Ziegelgehalt als im Einsatzmaterial und eine nichtmagnetische Fraktion mit dem angereicherten “Rückstand”, d.h. Beton, aufgeteilt. Aus der Massenbilanz ­wurden die Ausbeute, die Rückgewinnung und die Reinheit der magnetischen Fraktion berechnet. Ziel der Sortierung ist es, eine möglichst reine Ziegelfraktion zu erzeugen. Daher ist der Reinheitsgrad die wichtigste Kennzahl.

Für alle untersuchten Ziegel-Beton-Kombinationen wurden die Einflüsse des Fe2O3-Verhältnisses Ziegel-Beton auf die Ausbeute der als magnetisch aussortierten Fraktion sowie auf den Ziegelgehalt dieser Fraktion ermittelt. Es wurde zwischen den Kornfraktionen 0,063/0,5 mm, 0,5/1,0 mm und 1,0/2,8 mm unterschieden. 

Die Ausbeute der magnetischen Fraktion liegt zwischen 0,7 für die feinste und 0,4 für die gröbste Fraktion (»Abb. 9). Die theoretische Ausbeute bei einer Trennung in die reinen Bestandteile müsste 0,5 betragen. Der höhere Wert in der Feinstfraktion ist auf die “fremden Betonbestandteile” zurückzuführen. Der niedrigere Wert in der gröbsten Fraktion ist auf den fehlerhaften Austrag von Ziegelpartikeln in der nichtmagnetischen Fraktion zurückzuführen. Das Verhältnis des Fe₂O₃-Quotienten von Ziegel zu Beton hat keinen eindeutigen Einfluss. Die Ausbeute nimmt mit steigendem Fe₂O₃-Verhältnis zwischen Ziegel und Beton deutlich zu (»Abb. 10). Für die gröbste Fraktion gibt es keine eindeutige Abhängigkeit. Der Ziegelanteil in der magnetischen Fraktion nimmt in allen drei untersuchten Fraktionen mit steigendem Fe₂O₃-Verhältnis zu (»Abb. 11). In der 0,5/1,0-mm-Fraktion führen Fe₂O₃-Verhältnisse über 8 zu Ziegelgehalten von über 80 Masse-% in der magnetischen Fraktion. Bei der Fraktion 1,0/2,8 mm wird diese Grenze bereits bei Fe₂O₃-Verhältnissen von 4 erreicht.

Ausbeute und Reinheit verhalten sich also gegenläufig. In der Feinfraktion wird eine Ausbeute > 0,5 auf Kosten einer geringen Produktreinheit erreicht. In der Grobfraktion ist die Ausbeute geringer, aber in der magnetischen Fraktion werden hohe Ziegelgehalte erreicht.

Bei dem verwendeten Separator war es möglich, folgende Maschinenparameter zu variieren 

Walzengeschwindigkeit

Position des Splitters

Stärke des Förderbandes.

Diese Parameter haben nur einen geringen Einfluss auf die Sortierergebnisse. Selbst eine zweimalige Sortierung des Materials führte nicht zu einer signifikanten Erhöhung des Ziegelanteils der magnetischen Fraktion.

Als Materialparameter wurden der Einfluss der Breite der zu sortierenden Fraktion und die Materialfeuchte untersucht. Ein positiver Einfluss der Trocknung des Materials auf den Sortiererfolg konnte nicht festgestellt werden.

5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Mineralische Bauabfälle sind oft Gemische aus verschiedenen Baustoffen. Soll eine “artgerechte” Verwertung erfolgen, muss eine Sortierung nach Baustoffarten vorgenommen werden. Im Grobkornbereich stehen sowohl traditionelle Lösungen wie Setzmaschinen als auch neue Verfahren zur Verfügung, die auf der Identifizierung bestimmter Baustoffe anhand ihrer spektralen Eigenschaften beruhen. Im Feinkornbereich sind diese Methoden nicht anwendbar. Der Schwerpunkt der hier beschriebenen Untersuchungen lag auf der Frage, ob sich Bauabfälle anhand ihrer magnetischen Suszeptibilität sortieren lassen.

Im ersten Schwerpunkt wurde die Suszeptibilität von Ziegel- und Betonkörnungen  gemessen, für die in der Literatur keine Werte gefunden werden konnten. Bei den 9 untersuchten Betonproben stieg die Suszeptibilität linear mit zunehmendem Fe₂O₃-Gehalt an. Mit einer Ausnahme - einem Beton aus einem farbigen Pflasterstein - blieb sie unter 1200*10^-9 m³/kg. Bei den 15 Ziegelproben wurden - ebenfalls mit einer Ausnahme - durchweg Werte über 1900 m³/kg gemessen. Infolge der unterschiedlichen Oxidationsstufen der Eisenoxide im Ziegel streuen die Werte über einen bestimmten Bereich.

Für die Sortierversuche wurde ein Bandsortierer mit einem Seltenerdmagneten in der Kopfrolle verwendet. Die Feldstärke des Magneten betrug 1,4 Tesla. Es wurden Beton- und Ziegelproben verwendet, die zunächst zerkleinert, dann fraktioniert und schließlich im Verhältnis 1:1 gemischt wurden. Die Gehalte von Beton bzw. Ziegel nach der Sortierung wurden anhand der Glühverluste bestimmt, die sich bei beiden Materialien deutlich unterscheiden.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Trennung zwischen den Ziegelpartikeln mit höherer Suszeptibilität und den Betonpartikeln, die eine deutlich geringere Suszeptibilität aufweisen, möglich ist. Die untersuchten Maschinenpara-meter, wie die Drehzahl der Kopfrolle oder die Splittereinstellung, haben nur einen geringen Einfluss auf das Sortierergebnis. Auch eine wiederholte Sortierung des magnetischen Materials führte zu keiner signifikanten Erhöhung des Ziegelanteils.

Die positiven Ergebnisse der hier beschriebenen Versuche sprechen für eine weitere Untersuchung der Leistungsfähigkeit dieser Sortiermethode. Dafür sprechen auch die geringen Gerätekosten dieser Methode und die Tatsache, dass damit erstmals ein praktikables Verfahren zur Sortierung von Bauschutt < 4 mm zur Verfügung stehen würde. Ein Schwerpunkt weiterer Untersuchungen muss darin bestehen, eine praktikable, aber gleichzeitig ausreichend genaue Methode zur Bestimmung des Ziegel- bzw. Betonanteils in den beiden gewonnenen Produkten zu finden. Darüber hinaus sollten auch andere Arten von Baustoffen in die Untersuchungen einbezogen werden.

Danksagung

Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Programms “FuE-Förderung für gemeinnützige externe Industrieforschungseinrichtungen - Innovationskompetenz” des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter der Projektträgerschaft der EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Innovationsmanagement mbH durchgeführt.

Die Suszeptibilitätsmessungen wurden von Privatdozent Dr. Bernd Michael Pirrung vom Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt, wofür wir uns herzlich bedanken möchten.