In Österreich landen derzeit knapp 70.000 Tonnen an Kunststofffolien im Müll. Davon können nur 12.000 Tonnen recycelt werden. Der Rest muss der thermischen Verwertung zugeführt werden – und das verursacht Treibhausgase. „Derzeit kann die Folienfraktion nicht gewinnbringend recycelt werden. Eine Lösung für dieses Problem wird dringend benötigt, weil die Recyclingquote von derzeit 25 bis 30 Prozent bis zum Jahr 2025 auf 50 Prozent erhöht werden muss. Das schreibt der Aktionsplan für die Umsetzung der Kreislaufwirtschaft der Europäischen Kommission aus 2019 vor“, erklärt DI Gerald Koinig aus der Arbeitsgruppe Digitale Abfalltechnik vom Institut für Abfallverwertungstechnik & Abfallwirtschaft an der Montanuniversität in Leoben.
Komplexe Materialkompositionen
Hürde in der Steigerung der Recyclingquote ist die Sortierung von Kunststofffolien, die bisweilen noch an der Trennung von zwei häufigen Folienarten scheitert: Einschichtige Folien, die zum Beispiel als Verpackung für Spielzeug verwendet werden und mehrschichtige Folien, die als Verpackung für Nahrungsmittel zum Einsatz kommen. „Mehrschichtige oder Multilayer-Folien müssen viele Funktionen erfüllen“, erklärt Koinig. Sie müssen leicht sein, um beim Transport Treibhausgase zu sparen. Gleichzeitig müssen sie den Inhalt vor UV-Strahlen und vor mechanischer Einwirkung schützen, gasundurchlässig sein und – last but not least: lange frisch halten. Weil allein die Verpackung die Haltbarkeit von Lebensmitteln stark erhöhen kann (Quelle: Denkstatt Studie 2016).
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Um alle diese Eigenschaften in einer Folie zu vereinen, sind Multilayer-Folien aus hochtechnischen Materialkompositionen aufgebaut, die verschiedene erdölbasierte Materialien enthalten können: Beispiele dafür sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) und Ethylenvinylalkohol (EVOH).
Downcycling und thermische Verwerung
Eben diese Materialkompositionen sind es aber, welche das Aussortieren von mehrschichtigen Kunststofffolien erschweren. Denn die gängige Nahinfrarotspektroskopie liefert Spektren, deren Informationsgehalt zu gering ist für eine Klassifizierung der Folienfraktionen. Deshalb werden Mehr- und Einschichtfolien derzeit nicht voneinander getrennt und gemeinsam weiterverwertet – obwohl die Einschichtfolien grundsätzlich wiederverwertbar wären. Aber schon ein sehr geringer Anteil an Mehrschichtfolien würde zu einer Verminderung der mechanischen Eigenschaften führen. Daher können die Kunststofffolien bestenfalls dem Downcycling zugeführt werden – und schlechtestenfalls einer thermischen Verwertung.
Informationsgehalt der Spektren
Koinig forscht im Projekt Multilayer Detection an einer Lösung für die Trennung von Mono- und Multilayerfraktionen. Im Fokus steht die gängige Technologie der Nahinfrarot-Sortierung, die als solches großes Potenzial für beides bietet: Die Erhöhung der Recyclingquote und die Einsparung von Treibhaushasen. Die Forscher stehen vor der Herausforderung, den Informationsgehalt der Spektren zu erhöhen und eine Klassifizierung zu ermöglichen. Dabei sind zwei Probleme zu lösen:
- Durch die geringe Schichtdicke ist die Strahlungsinteraktion bei Folien generell sehr gering.
- Die Unterschiede der Strahlungsinteraktion zwischen Mono- und Multilayerfolien sind sehr gering.
Das Forschungsziel ist dann erreicht, wenn sowohl die Strahlungsinteraktion als auch die Klassifizierungsgüte verbessert werden kann.
Nahinfrarot-Sortierung
Üblicherweise wird der Leichtverpackungsmüll in zwei Schritten getrennt. Im ersten Schritt durchläuft der Materialstrom den Ballistikseparator. Dieser hat den Vorteil, dass verschiedene Sortierverfahren in Kombination angewendet werden können. Das heißt, Einflussfaktoren wie Gewicht, Abmessung, Dichte und Form des zu sortierenden Materials werden gleichermaßen berücksichtigt. Ein- und mehrschichtige Kunststofffolien befinden sich typischerweise in einem Materialstrom aus PET Flaschen und anderen Kunststoffen und werden anhand ihrer Dichte sortiert. Wenn die Kunststofffolien den Ballistikseparator durchlaufen haben, werden sie im zweiten Schritt über eine Nahinfrarot-Sortierung geführt und getrennt.
Klassifizierung durch Spektralinformationen
Schon jetzt werden in der Abfallwirtschaft Machine Learning und multivariate Datenanalyse angewendet. Mit der derzeitigen Modellerstellung wäre die Trennung von Einschicht- und Mehrschichtfolien aber äußerst aufwändig. Denn sollte die Maschine Mehrschichtfolien in einem Materialstrom erkennen, müsste man ihr jede erdenkliche Komposition an Werkstoffen explizit anlernen.
Im Projekt Multilayer Detection will man diesen aufwändigen Lernprozess umgehen, indem man ein neuronales Netzwerk einsetzt. Dieses erkennt allgemein gültige Unterschiede von ein- und mehrschichtigen Kunststofffolien anhand von Spektralinformationen – und nimmt eine Klassifizierung vor.
Multivariate Datenanalyse
Das Verfahren basiert nicht zuletzt auf der Multivariaten Datenanalyse, die das Instrument der Hauptkomponentenzerlegung (PCA) bietet. Dieses ermöglicht es große Datenmengen mit einer Vielzahl von Einflussfaktoren zu überblicken – und relevante Faktoren für eine Klassifizierung der Daten zu ermitteln. Wenn es zum Beispiel bei den Folienspektren 220 Einflussfaktoren gibt, dann kann mittels PCA ermittelt werden, ob sich Unterschiede anhand von zwei oder drei Einflussfaktoren erklären lassen, erklärt Koinig, der aufgrund eines laufenden Patentverfahrens derzeit noch nicht näher auf die Innovation eingehen kann. Jedoch lasse sich diese kostensparend in bestehende Aggregate integrieren.
Recycling der Kunststofffolien
Mit dem neuen Verfahren können einschichtige Kunststofffolien in den Produktkreislauf zurückgeführt und stofflich wiederverwertet werden. Wobei diese theoretisch mehrfach recycelbar sein sollten. Die Wiederaufbereitung verursache jedoch häufig einen Abbau der Polymere, der mit einer Verschlechterung der Materialeigenschaften einhergehe, so Koinig. Zur Verbesserung der Polymereigenschaften müssen häufig Additive wie Stabilisatoren oder Füllstoffe eingearbeitet werden. Deshalb werden die Forscher auch die Eigenschaften der Rezyklate ermitteln, die mit dem neuartigen Sortieransatz herstellbar wären. Wie viele Zyklen ein Material ohne zusätzliche Stabilisierung überstehen könnte, werde sich in den kommenden Monaten weisen.
Die Materialkompositionen der Mehrschichtfolien können mit Hilfe von chemischen Prozessen in ihre Bestandteile aufgespalten und ebenso recycelt werden.
Reduktion der Treibhausgasemissionen
Durch das Recycling der Kunststofffolien kann der Ressourcenverbrauch in der Herstellung drastisch verringert werden. Das belegt eine Lebenzyklusanalyse (LCA), die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurde. Im Vergleich mit dem derzeitigen Status Quo zeige sich, dass die stoffliche Verwertung von ein- und mehrschichtigen Kunststofffolien das Treibhauspotenzial beider Fraktionen um 90 Prozent reduzieren könne. Das entspreche einer Einsparung von knapp drei Tonnen CO2 – Äquivalente pro Tonne Kunststofffolien.
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