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HinweisBei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmendes Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besserenDurchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter daseingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, dieTexterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichenDateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seitehttp://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.htmleingesehen und heruntergeladen werden.Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel undStaatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Übungen im Experimentalvortrag
Sommersemester 1998
Leitung: Dr. J. Butenuth
Dr. E. Gerstner
Prof. Dr. H. Perst
Thema
20.05.1998
/:
Altautorecycling
Silke Börner
10. Sem. LA
Chemie, Biologie
Wehrdaer Weg 16
35037 MarburgI
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 153
2. Gesetzliche Grundlagen 154
a) Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz
b) Altautoverordnung
c) Freiwillige Selbstverpflichtung
~
3. Recycling 156
Definition und Gründe
4. Aufbau und Verschrottung
5. Umweltproblematik
a) Tockenlegen des Autos V1, V2, 01
b) Bleirecycling V3
6. Rund um die Altreifen V4
7. Kunststoffe - Vielfach verwertbar V5, V6a, V6b
5. Literaturverzeichnis
158
160
172
178
186
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1. Einleitung
Mit Beginn der neunziger Jahre ist das Abfallproblem in den Vordergrund der
ökoloqischen Sachdiskussion in Politik und Öffentlichkeit gerückt. Sie führte zu dem
Ergebnis, daß die Vermeidung und Verwertung von Abfällen vorangetrieben und im
Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung umweltverträgliche Produkt- und
Stoffkreisläufe geschaffen werden müssen.
Im Zuge der umweltschützenden Maßnahmen und des immer noch steigenden
Kraftfahrzeugbestandes in Deutschland - 1995 waren über 40 millionen
Kraftfahrzeuge in der Bundesrepublik zugelassen - stellt sich die Frage nach der
Entsorgung der unbrauchbar gewordenen Kraftfahrzeuge.
In Kapitel zwei beschäftigt sich der Vortrag mit den gesetzlichen Grundlagen des
Altautorecyclings. Nach einer allgemeinen Definition des Recyclings in Kapitel drei
und dem Aufbau sowie der Verschrottung der Autos in Kapitel vier folgen in
Abschnitt fünf die ersten Experimente unter Einbeziehung der Umweltproblematik.
Anschließend werden weitere Möglichkeiten des Altautorecyclings im Experiment
vorgestellt, die sich auch in den Chemieunterricht der Schule übertragen lassen. Bei
den verschiedenen Recyclingverfahren liegt der Schwerpunkt nicht auf der
Wiederverwertung des Eisens, des Stahls und der Nichteisenmetalle, die schon seit
langen fast zu 100% recycelt werden, sondern die Verfahren zum Gummi- und
Kunststoffrecycling stehen im Vordergrund. Diese "wertvollen Abfälle" werden auch
heute noch größtenteils als Shreddermüll deponiert oder der energetischen
Verwertung zugeführt.
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2. Gesetzliche Grundlagen
!l Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (7. Oktober 1996}.;.
Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz verfolgt den Zweck die Kreislaufwirtschaft
zu fördern, um natürliche Ressourcen zu schonen und eine umweltverträgliche
Beseitigung von Abfällen sicherzustellen.
Kurz gefaßt wird der neue Abfallbegriff als Gegenstück zum Produktbegriff
gestattet:
"Abfall ist alles das, was nicht (oder nicht mehr) Produkt ist"
Das Gesetz strebt eine grundsätzliche Zielhierarchie an:
VERMEIDUNG vor VERWERTUNG vor BESEITIGUNG
Als konkrete Vermeidungsmaßnahme nennt der Gesetzgeber unter anderem die
anlageninterne Kreislaufführung von Stoffen und die abfallarme
Produktgestaltung.
Die stoffliche und energetische Verwertung werden vom Gesetzgeber
gleichgestellt, die jeweils umweltverträglichere Verwertungsart genießt den
Vorzug.
Die Pflicht zur Verwertung ist einzuhalten, soweit das technisch möglich und
wirtschaftlich zumutbar ist. Die wirtschaftliche Zumutbarkeit ist gegeben, wenn die
mit der Verwertung verbundenen Kosten nicht außer Verhältnis zu den Kosten für
die Abfallbeseitigung stehen.
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3. Recycling
Definition:Aufbereitung und Weiterverwendung von Altstoffen
Gründe:
1. Rohstoffe sparen
2. Abfälle verringern
Die Komplexität heutiger Produkte - ein Automobil besteht aus bis zu 10.000 Teilen
und aus 40 verschiedenen Werkstoffen - erfordert den Auf- und Ausbau
verschiedener Stoff- und Produktkreisläufe in allen Lebensphasen eines Automobils,
damit die zu deponierende Menge auf ein Minimum reduziert werden kann.
Abbildung 1:
BleiakkumulatorenStahl- und Eisenteile
Motorenöle
r.
Reifen
NE - Metallez. B. Aluminium
Kunststoffe
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Q) Altautoverordnung (1.4.1998}
Definition:
Altautos sind Automobile, die bei der Zulassungsstelle endgültig stillgelegt
wurden.
1997: 2,7 Millionen Altautos
Ziel:
-+ Steigerung von heute 75 auf 95 0A> (2015) bei der Verwertung von
Altautoabfällen
Inhalt:
• Vorlage eines Verwertungsnachweises bei endgültiger Stillegung
• Pflichten zur Überlassung von Altautos an umweltgerechte
Verwertungsbetriebe
• Mindestanforderungen an Lagerung, Behandlung und Vervvertung
g Freiwillige Selbstverpflichtung der Automobilindustrie
• Flächendeckendes Rücknahmesystem innerhalb von 2 Jahren
• Verpflichtung der Hersteller, Altautos ihrer Marke zurückzunehmen
• Kostenlose Rücknahme der ab dem 1.4.1998 zugelassenen Neuautos durch den
Hersteller (12 Jahre, unverändert)
• Umweltverträgliche Trockenlegung, Demontage und Verwertung von Altautos
• Ordnungsgemäße Beseitigung nicht verwertbarer Abfälle
• Einrichtung eines Koordinierungskreises zur Erfüllung der Selbstverpflichtung
• Unterrichtung der Bundesregierung über die getroffenen Maßnahmen (2jährig)
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I
4. Aufbau und Verschrottung
Entwicklung der stofflichen Zusammensetzung eines Kraftfahrzeuges:
Verwendete Materialien Gewichtsprozent
1993 1970
Eisen und Stahl 67 81,5
"Nichteisenmetalle" (AI, Pb, Cu, Zn) 10 5
NE-Metalle
Gummi 8 5
Glas, Lack 7,5 7
Kunststoff 7,5 2,5
Stand des Altautorecyclings:
Durch den jetzigen Entsorgungsweg werden ca. 75°k des Fahrzeuggewichtes
recycelt. Die in den sechziger Jahren entwickelte Technik ist jedoch nur auf die
Rückgewinnung metallischer Bestandteile aus dem komplexen Konsumgut
Automobil' ausgerichtet, so daß die Recyclingquote bei Eisen fast·100ok und die von
NE-Metallen bei über 900k liegt. Die nichtmetallischen Werkstoffe wie
Kunststoffe, Gummi, Glas, Textilien und Lack fallen nach dem Shredderprozeß als
Shreddermüll an und werden fast ausnahmslos deponiert.
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I
Verwendung
Die Verwendung ist durch die Beibehaltung der Produktgestalt gekennzeichnet;
deshalb wird die Recyclingstrategie, die sich auf die Verwendung von Bauteilen aus
Produkten erstreckt, als Produktrecycling bezeichnet. Erfolgt die erneute
Verwendung in der gleichen Funktion, wenn z.B. ein Pkw-Motor nach der
Aufarbeitung wieder in ein Kraftfahrzeug eingesetzt wird, so spricht man von
Wiederverwendung. Als Weiterverwendung wird die erneute Verwendung in einer
anderen Funktion, 2.8. Verwendung des Pkw-Motors als stationäres
Notstromaggregat, bezeichnet.
Verwertung
Die Verwertung dagegen löst die Produktgestalt auf, es kommt zum sogenannten
Material- bzw. Stoffrecycling. Je nachdem, ob bei der Verwertung eine
gleichartige oder geänderte Produktion durchlaufen wird, unterscheidet man
zwischen Wiederverwertung und Weiterverwertung. Wird der Stahl der Altautos
erneut in der Automobilindustrie eingesetzt, so wird diese Recyclingform als
Wiederverwertung bezeichnet; wird der Schrott dagegen zu Baustahl verarbeitet,
spricht man von 'Weiterverwertung.
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/---....
Problematik
Früher:
• hoher Metallanteil
• geringer Kunststoffanteil
~gut verschrottbar
Heute:
• steigender Kunststoffanteil
• gestiegene Deponiekosten
~finanziell unattraktiv
Geforderte Konsequenz:
• Leichte Demontage der einzelnen Werkstoffe (Separierung)
• Einheitliche Kunststoffsorten
Vorgehensweise bei der Verschrottung
1. ÖI-, Benzin- und Bremsflüssigkeitsreste ablassen
2. Reifen, Glasscheiben, Batterien und Ersatzteile aussortieren
3. Autokarosserien im Shredder zerkleinern
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5. Umweltproblematik
Bereits bei der Förderung und dem Transport von Erdöl wird unsere Umwelt
stellenweise stark geschädigt. Auf die Verschmutzung der Weltmeere und Küsten
soll nur kurz hingewiesen werden. Immer wieder erfahren wir heute in den Medien
von Verunreinigungen des Wassers, Erdreich .oder der Luft durch Erdölprodukte,
wodurch Pflanzen, Tiere und der Mensch gefährdet sind.
• Auslaufen von Altöl, Benzin, Bremsflüssigkeit und Batteriesäure
~ Trockenlegen des Autos (a)
• Schwermetall Blei aus dem Akkumulatorr>.
=> Bleirecycfing (b)
a) Trockenlegen des Autos
Gefahren
1. Bildung von explosiven Benzin-Luftgemischen
2. Grundwasser- und Bodenverseuchung durch Altöl
Benzin
Bei der Herstellung von Benzin sind 2 Herstellungsverfahren zu nennen:
I. Fraktionierte Destillation von Erdöl (15-20 0k Motorbenzin)
Fraktionen:
1. Petrolether
2. Leichtbenzin (Hexan, Heptan)
3. Mittelbenzin (Motorenbenzin)
4. Schwerbenzin
11. Cracken von Erdöl (40-60% Motorbenzin)
a) thermisch (Fragmentierung der hochsiedenden Anteile)
b) katalytisch (Katalysatoren: Zeolithe)
In H2-Atmosphäre: C24HSO+ 2H2 ~ 3CSH18
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Zusammensetzung
Hauptbestandtei le:
• aliphatisch gesättigte Kohlenwasserstoffe mit 5-12 C-Atomen
Weitere Bestandteile:
• Alkene, Cycloalkane, Cycloalkene und Aromaten
Durch die vielen verschiedenen Bestandteile lassen sich die uneinheitlichen
Eigenschaften des Benzins erklären.
Hauptverwendungszweck: Motorkraftstoff
Zusammensetzung:
Reformat (Toluol, Xylolen und andere Alkylaromaten)
Crackbenzin
Leichtbenzin
Versuch 1:~Iosion eines Benzin-Luftgemisches
Chemikalien:
Benzin (möglichst niedrig siedend)
Geräte:
Papprohr mit Verschlüssen, ca. 80 cm lang (Versandrohr von Postern und
Kalendern), Holzstäbchen, Feuerzeug, Stück Stoff, Stativplatte,
Gewindestange , Stativring
Versuchsdurchführung:
Das Papprohr wird auf der unteren Seite fest verschlossen (Deckel mit
Klebeband befestigen). Am oberen Ende des Papprohres wird seitlich ca. 10
cm unterhalb des Deckels ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 1 cm
gebohrt. Man gibt einen dünnes Stofftuch in das Rohr und betröpfelt das Tuch
mit ca. 5 ml Benzin. Danach verschließt man das Papprohr mit dem Deckel
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und schüttelt sehr kräftig und intensiv, um die Dämpfe gleichmäßig zu
verteilen. Anschließend stellt man das Rohr schräg in das Stativ. Mit dem nur
lose aufgelegten Deckel den Zuschauern abgewandt, da das Stofftuch bei der
Explosion brennend herausgeschleudert werden kann. Man entzündet das
Holzstäbchen und hält es in die Bohrung.
Versuchsauswertung:
Der Rohrinhalt explodiert und der Deckel wird infolge der Explosion
hochgeschleudert. Der Versuch demonstriert die Unfallgefahr von Brennstoff
Luftgemischen
2 CaH18(g) + 25 02(g) ~ 16 C02(g) + 18 H20(g) ..lH < 0
Explosion:
Eine Umsetzung von potentieller Energie in Ausdehnungsarbeit mit einer
Geschwindigkeit von ca. 1-1000 mls, unter Auftreten von Stoßwellen.
Das Auftreten von Stoßwellen wird in der Regel durch große Mengen heißer Gase
bewirkt, die während der Explosion entstehen und durch schnell erfolgende
chemische Reaktion explosionsfähiger Stoffe bzw. Stoffgemische gebildet werden.
Prinzip eines Motors:
In den Zylindern von Motoren läuft eine kontrollierte Explosion von Gemischen aus
Benzinkraftstoffen und Luft mit Hilfe eines Zündfunkens ab. Die sich daraufhin
ausdehnenden Explosionsgase drücken auf den Kolben und leisten dadurch
mechanische Arbeit.
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I
Versuch 2:Einfluß von Altöl auf die Bodenatmung
,Bodenatmung:
Der zwischen dem Boden und der Atmosphäre vor allem durch
Diffusionsvorgänge stattfindende Gasaustausch.
~ l1ikroorganismen im Boden, Bakterien und Pilze gewinnen ihre Lebensenergie
'"Jurch Abbau organischer Substanzen. Hierzu benötigen sie Sauerstoff und scheiden
Kohlenstoffdioxid aus. Um eine Vorstellung über die Aktivität der Mikroorganismen in
Böden zu gewinnen, bestimmt man die Menge des unter standardisierten
Bedingungen von ihnen abgeschiedenen Kohlenstoffdioxids. Hierzu wird
Kohlenstoffdioxid in einer Vorlage mit überschüssiger Natronlauge absorbiert.
~hemikalien:
Natronlauge c(NaOH) = 0,1 molll, Salzsäure c(HCI) = 0,1 moili; t = 0,895,
Phenolphthalein-Lösung, Altöl, Bodenprobe
Geräte:
6 x 250 ml Weithalserlenmeyerkolben, Bürette, 6 x 1,5 Liter Einweckgläser
mit Gummi und Klammer, Magnetrührer und Rührfisch,
r- Versuchsdurchführung:
In die Weithalserlenmeyerkolben gibt man jeweils 15 ml der Natronlauge.
Man wiegt 4 x 100 g der vorbereiteten Boderiprobe ab und setzt zu zwei
Proben jeweils 1 ml Altöl hinzu, verrührt intensiv zur Homogenisierung und
stellt schließlich die 4 Erlenmeyerkolben mit der Natronlauge offen in die
Weckgläser. Die Weckgläser werden mit Gummi und Klammer dicht
verschlossen und an einen Platz mit konstanter Temperatur gestellt. Mit den
letzten beiden Ansätzen wird ebenso verfahren, ohne jedoch eine
Bodenprobe einzututlen, sie dienen als Blindprobe. Nach 72 Stunden wird der
Bebrütungsansatz geöffnet, der Erlenmeyerkolben mit der Natronlauge
entnommen und mit Wasser auf 100 ml aufgefüllt. Anschließend wird mit der
Salzsäure und wenigen Tropfen des Säure-Base-Indikators Phenolphthalein
bis zum Umschlagspunkt von Rot nach farblos titriert und der Verbrauch der
Salzsäure notiert.
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Versuchsbedingungen:
Dauer:
Temperatur:
Menge des eingesetzten Boden:
Volumen NaOH c = 0,1 mol/I:
Verwendete HCI:
72 h
20°C
100 9
15 ml
c =0,1 mol/l : t =0~895
!~ •
Versuchsansatz 1: Blindwert (ohne Boden)
Versuchsansatz 2: 100 9 Boden
Versuchsansatz 3: 100 9 Boden + 1 ml Altöl
Versuchsauswertung:
1.) Lösen des CO~ in Wasser
(Gashydrat)
2.) Reaktion mit Natronlauge
3.) Rücktitration mit HCI
'>
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Berechnung des entstandenen C02
1. V(NaOH)vorgelegt =15 ml
2. V(NaOH)unverbraucht =VHCI * 0.895= 10,83 ml
3. V(NaOH)vorgelegt - V(NaOH)unverbraucht =V(NaOH)verbraucht)
15 ml =4,17 ml
4. V(NaOH)verbraucht * c(NaOH) =n(NaOH)verbraucht
,~,I
4.17 ml
5. 1 mol NaOH
* 0,1 mmollml =
0,5 mol C02
0,417 mmol
V1(Blindwertr vernachlässigbar
V2(Sodenr 0,42 mmol
V3(Boden + Altöl)' 0,22 mmol
Bestimmung der Aktivität: Menge des abgeschiedenen CO2
Wie man anhand des Versuchs sehen kann führen geringe Mengen an Altöl zur
Respirationshemmung. Höhere Dosierungen führen jedoch wieder zu einem Anstieg
der C02-Ausscheidung (in Vorversuchen durchgeführt). Möglicherweise werden
Bestandteile des Altöls von einem Teil der Bodenorganismen als Energiequelle
genutzt. Streßbedingte Erhöhung der Atmung könnte ein weiterer Grund für die
Erhöhung sein.
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Demo 1: Grundwasserverseuchung durch Altöl
Erdöl, Benzin, Altöl und Diesel können bereit in sehr geringen Konzentrationen
Wasser ungenießbar machen. Dieselöl ist noch in einer Konzentration von 1ppm
durch Geruch wahrnehmbar. Diese Konzentration entspricht 1 Liter Dieselkraftstoff
in 106 Liter Wasser.
Zur Anschauung:
Wenn ein Schwimmbecken von 50 m Länge und 20 m Breite 1 m hoch mit
Wasser gefüllt ist, enthält es eine Million Liter Wasser.
Chemikalien:
Feiner Kies, Wasser, Altöl/Benzingemisch, Glaswolle
Geräte:
Säule ca. 30 cm lang, Becherglas, Tropftrichter
Durchführung:Auf eine dünne Glaswotleschicht in der Säule wird mit Wasser gereinigter
Kies gefüllt. Anschließend werden ca. 2 ml AltöllBenzingemisches auf die
Säule gegeben. Wenn die hydrophobe Schicht in die Säule eingelaufen ist,
wird mit dem Tropftrichter Regen simuliert und man kann beobachten wie das
Gemisch durch die Säule wandert. Die durchgelaufene Flüssigkeit wird in
einem Becherglas aufgefangen.
,~ Auswertung:
Das Altölgemisch wird durch die Kiesschicht nicht aufgefangen, das Wasser
im Becherglas weist Öltropfen auf. Des weiteren kann man am Geruch die
Wasserverunreinigung feststellen.
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b) Bleirecycling
Blei und seine Verbindungen sind sowohl gelöst als auch als Stäube starke
Umweltgifte. Blei sammelt sich im menschlichen Körper an, es wirkt als Enzymgift.
Auch die ständige Aufnahme geringer Bleimengen führt zu chronischen
Vergiftungen. Die Belastungsgrenze für den Menschen, über der gesundheitliche
Schäden zu befürchten sind liegt bei 30 -35 p,g Blei auf 100 ml Blut angegeben. Das
sind etwa 2 mg Blei auf 7 Liter Blut (Erwachsener).
Trotz intensiver Forschungsarbeiten ist es bisher nicht gelungen, ein
Akkumulatorensystem zu entwickeln, das bei vergleichbaren Kosten eine
Leistungsfähigkeit besitzt, die der des Bleiakkumulators gleichkommt. So ist dieser
als Starterbatterie für Kraftfahrzeuge auch heute noch dominierend und 45-50°,1, der
Weltbleiproduktion werden zur Herstellung von Bleiakkumulatoren benötigt. Da die
Lebensdauer von Akkumulatoren beschränkt ist, fallen große Mengen
Akkumulatorenschrott an.
Aufbau der Elektroden des Bleiakkumulators:
Die Pole und die meist gitterförmigen tragenden Gerüste bestehen aus Hartblei.
Dieses enthält etwa 4-10% Antimon. Die Elektrodenoberflächen an denen sich die
elektrochemischen Vorgänge abspielen, werden aus Rein- oder Weichblei
hergestellt.
Um möglichst große Elektrodenoberflächen zu erzielen, wird folgendes Verfahren
angewendet:
Das Reinblei wird im geschmolzenen Zustand in speziellen Mühlen mit
Luftsauerstoff partiell oxidiert, so daß eine Mischung aus Bleistaub und
Blei(lI)oxidstaub erhalten wird. Dieser sogenannte "Bleistaub" wird mit Wasser
und Schwefelsäure angezeigt (hierbei bildet sich teilweise basisches Beisulfat)
und auf die Elektrodengitter gestrichen. Nachdem die Bleistaubpaste getrocknet ist
(der Trockenprozeß heißt Curing) werden durch elektrochemische Umwandlung
(sogenannte Formation) die Kathoden und Anoden hergestellt. Hierbei wird auf
einem Teil der Platten das Blei(lI)oxid zu Blei reduziert, auf dem anderen Teil Blei
und Blei(lI)oxid zu Blei(IV)oxid oxidiert.
Ab.bildung 2 zeigt den Materialfluß des gesamten Herstellungsprozesses.
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Abb. 2: Materialfluß bei der Reinbleiherstellung:
Rohstoffe frisch ~stellte Elektr~@r
getrockneteElektroden gitter
geltlienePlotten rochder Ftrrrotioo
Zwischen die Elektroden werden sogenannte Separatoren aus porösem nicht
leitendem Material (gesintertes PVC) eingebaut. Das Akkumulatorengehäuse
besteht meist aus Polypropylen.
Lebensdauer eines Bleiakkumulators: 3 Jahre
=> Große Mengen Akkumulatorenschrott
Zusammensetzung von Akkumulatorenschrott:
GewichtsOk
Metallisches Blei 20-30
Bleidioxid 15-20 .
Bleioxid 10-15
Bleisulfat 25-30
Kunststoffe 10-15
(Separator, Gehäuseplatten)
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r>
Versuch 3:Lösen des Akkumulatorenschrotts in NaOH
Problem:
Geringe Löslichkeit der Bleiverbindungen in Laugen.
Die Bleioxide sind nur wenig löslich, lediglich das Bleisulfat löst sich unter
Bildung von Alkalihydroxoplumbaten.
Die Löslichkeit in Laugen steigt jedoch sprunghaft an, wenn man
Polyhydroxyverbindungen wie Polyglykole oder Zucker zusetzt. Die gelöste
Menge der Bleiverbindungen ist dabei nicht nur von dem mengenmäßigen
Zusatz an Polyoien, sondern auch von deren Aufbau abhängig.
Ausschlaggebend ist hierbei die Anzahl der Alkoholfunktionen in den Molekülen.
Je mehr Hxdroxylgruppen das Polyol enthält, um so besser ist die Löslichkeit der
Bleiverbindungen.
Geräte:
500 ml Becherglas, Magnetrührer mit Heizplatte, Rührfisch
Chemikalien:
10 9 feingemörsertes Elektrodenmaterial, Natronlauge, Haushaltszucker
I./,- Ansatz des Lösungsmittels:
100 9 Zucker in 400 ml Wasser lösen (20%ige Lösung). In dieser Lösung
werden 100 g NaOH-Plätzchen gelöst.
Veruchsdurchführung:
In die NaOH-Zuckerlösung werden 10 g der feingemörserten
Bleiverbindungen gegeben und unter Rühren und Erhitzen in Lösung
gebracht.
Versuchsauswertung:
Im Falle des Blei(lJ)oxids läuft der Lösungsvorgang über die Bildung von
Komplexen ab. Ein genau untersuchtes Beispiel für eine solche
Komplexbildung ist die Reaktion des Oxids mit Gluconsäure/NaOH. Die
folgende Struktur wird vorgeschlagen.
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3 Pb2+ + 16 OH- + 2 C6H1207
lli 1lr
0
IIC -0-
~O--C
I ----- Pb2+ IHC -0- ---- ~O--CH
I IHC -0- O--CH + 8 (H20)I ~ Pb2+
~
Pb2+ 1HC-O-/ ----O--CH
('-
I 1He-OH HO-CH
j ICH20H CH20H
Während die Blei(lI)vebindungen an keinerlei Redoxreaktionen mit dem
Reaktionsmedium beteiligt sind, oxidiert das Bleidioxid die Polyale, wobei es selbst
in die Stufe des zweiwertigen Bleis übergeht und komplex gelöst wird.
Pb4+ + C6H1206 + 2 OH- ~ Pb2+ + C6H1207 + H20
(Glucose) (Glucansäure)
Die dabei aus den Polyoien gebildeten Reaktionsprodukte sind sehr
unterschiedlicher Natur. So können Zucker als typische Polyhydroxyverbindungen
zu Onsäuen oder Zuckersäuren oxidiert werden. Schärfere Reaktionsbedingungen
führen zur Spaltung des Kohlenstoffgerüsts
Die gebildeten Komplexe sind in der wäßrig-alkalischen Lösung allerdings so wenig
stabil, daß sie zum Teil in Ionen und Zucker zerfallen. Es ist für die anschließende
Elektrolyse wichtig, daß sich das Gleichgewicht zwischen komplexgebundenen und
freien Ionen schnell einstellt, so daß eine schnelle Metallabscheidung möglich ist.
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r:
Elektrolyse
Geräte:Becherglas und Magnetrührer aus Versuch 3a, Stativmaterial,
GleichstromquelJe, Elektroden (Eisenblech, Kohleelektrode), 5 Kabel, 2
Krokodilklemmen, Voltmeter, Amperemeter
Chemikalien:
Gelöste Bleiverbindungen aus Versuch 3a
Versuchsdurchführung:Die Elektroden werden in die heiße Lösung eingesetzt und mit der
Gleichstromquelle, dem Voltmeter und dem Amperemeter verbunden. Die
Kohleelektrode am positiven Pot, das Eisenblech als Kathode geschaltet. Es
wird ca. 5 min. bei 6-8 Volt elektrolysiert.
Versuchsauswertung:Nach Einschalten der Gleichstromquelle kommt es an der Anode zu einer
Gasentwicklung. An der Kathode scheidet sich das graue, metallisch
glänzende schwammige Blei ab.
Vorgänge an den Elektroden:
Anode: 02t
Kathode: Pb ~
-1 0Anodenreaktion: 40H- ~ 02 + 2 H20 +4e- (Oxidation)
'"1. 0Kathodenreaktion: 2 Pb2+ + 4e- ~ 2 Pb (Reduktion)
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6. Rund um die Altreifen
In der Bundesrepublik fallen pro Jahr mehr als 400.000 Tonnen Altreifen an.
Innerhalb der Gesamtgummiindustrie hat die Reifenproduktion einen Anteil von 40%.
Durch die Entwicklung der Autoindustrie ist der Bedarf an Kautschuk stetig
gestiegen, so daß 1937 die erstmalige Herstellung von Synthesekautschuk
gelungen ist. Ausgangsprodukt für die Gummiherstellung ist das Butadien.
Ausgangsprodukt: Butadien
Grundbausteine des Kautschuks
künstl icher
H H H
~ I /C=C-C===C
/ I '"H H H
1,3 Butadien
natürlicher
H CH3 H
'" I /c =C-C==C
/ I '"H H H
2 Methyl-1,3-butadien
Man gewinnt das 1,3-Butadien durch das Cracken von Leichtbenzinen.
Zusammensetzung des Gummis:
Früher: BUNA-Kautschuk; Katalysator Natrium
Heute: Mischpolymerisate aus Butadien, Styrol, Acrylnitril
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Bestandteile eines Reifens
Styrolbutadienkautschuk
Ruß
Polybutadien
Zinkoxid
Schwefel
Lichtschutzmittel
45 %
33°k
11%
9%
10/0
1%
Die Haupteigenschaft des Gummis ist die Elastizität. Die Gründe dafür liegen in der
Vulkanisation. Rohkautschuk ist eine sehr spröde und unelastische Verbindung.
r>. Durch Zusatz von Schwefel zum Rohkautschuk (Vulkanisation) werden die
kettenförmigen Makromoleküle durch Schwefelbrücken vernetzt.
IS
I-CH2-CH-CH - CH2-···
I(S)x
I-CH2-CH-CH-CH2~'
IS\
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Formen der Wiederverwertung:
I
• Artgerechte Verwendung:
Runderneuerung (300k)
• Artfremde Verwendung:
Schaukeln, Kletteranlagen
Beschweren von Futterabdeckungen
• VerbrennungVorteil:
Nachteil:
Guter Heizwert
Hohe Umweltbelastung (Ruß, S02)
Heizwerte verschiedener Materialien:
Polyethylen
Heizöl
Gummi
Holz
46000 kJ/kg
43900 kJ/kg
34300 kJ/kg
16700 kJ/kg
• Pyrolyse:
Produkte:
Gasfraktion:
Thermische Zersetzung von Polymerprodukten
unter Sauerstoffabschluß
(Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propen,
Butan und Butadien)
Flüssigfraktion:
Feststoffe:
Pyrolyseöl: 400,- DM/t
(Pyrolyseöl):
900k aromatische Kohlenwasserstoffe
Benzol, Toluol, Styrol, Naphthalin
(Zinkoxid, Ruß und Stahl)
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Versuch 4:Altreifenpyrolyse
Geräte:
Reagenzgläser, 2 durchbohrte Gummistopfen, ein Saugrohr, 600 ml
Becherglas (hohe Form), Stativmaterial, Verbindungsschlauchstücke ,
Kolbenprober mit Hahn, Sand-Löschbad, Eisbad
Chemikalien:
Quarzsand, Altreifenstücke, Glaswolle, Verdünnte KMn04-Lösung
Versuchsdurchführung:
In ein Reagenzglas werden 2-4 g zerkleinerte mit Quarzsand vermengte
Altreifenstücke gebracht. Nachdem die Öffnung locker mit Glaswolle
verschlossen wurde, baut man die Apparatur zusammen (siehe Abbildung).
Anschließend erhitzt man das Reagenzglas kräftig bis zur Rotglut. Unter dem
Reagenzglas steht ein Sandbad, falls das Reagenzglas den hohen
Temperaturen nicht standhält, da Gummi brennbar ist. Bei der einsetzenden
Reaktion dient die Glaswolle der Reinigung der entstehenden flüchtigen
Produkte. Kondensierbare Produkte werden im gekühlten Saugrohr,
gasförmige Produkte im Kolbenprober aufgefangen. Der ungesättigte
Charakter der Pyrolyseprodukte wird durch Einleiten der Gasfraktion in eine
schwach rosagefärbte KMn04-Lösung, die sich daraufhin entfärbt bzw. braun
färbt nachgewiesen.
Versuchsaufbau:
Sand mitAltreifenstücken
GlaSWOlle
FlüssigeCrackprodukte
GasförmigeCrackprodukte
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Versuchsauswertung:
Als Ergebnis der Pyrolyse erhält man bei der Verwendung zweier einfacher
Bunsenbrenner als Heizquelle einige Milliliter flüssige Produkte und ca. 100
ml Gas. Bei Verwendung einer stärkeren Heizqueue. z.B. eines
Gebläsebrenners verschiebt sich die Produktpalette zugunsten der
Gasfraktion.
Nachweisreaktion der ungesättigten Verbindungen in der Gasfraktion am
. Beispiel des Ethens:.
cyclischerMangan(V)säureester
+ H20 H2C-OH.. I- Mn03- H2C- OH
Oiol
Bei der Reaktion entsteht im ersten Schritt als Zwischenprodukt ein cyclischer
Mangansäureester in dem Mangan mit der Oxidationsstufe +5 vorliegt. Im
nächsten Schritt entsteht unter Wasserzugabe das Diol und Manganoxid mit
der Oxidationsstufe +5. Dieses Oxid zerfällt unter Disproportionierung in das
stabile Braunsteinmolekül (Mn02) und ein Mangan(VI)oxid, das wiederum mit
einer weiteren ungesättigten Verbindung über den Ester zum Braunstein als
stabiles Endprodukt reagiert.
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Stofftrennung bei der Aufarbeitung von Autoschrott
IShreddergut I Stahl, Eisen,
NE-Metalle,
Gummi,
Kunststoffe,
Textilien, Staub
Gebläse im Shredder
Windsichten
(Staub, Textilien, etc.)
IRestgemisch
00 0
IRestgemisch I
Magnetabscheiden
(Stahl, Eisen)
Schwimm-Sink-Verfahren
Dichteunterschiede
(Gummi, Kunststoffe)
q:, 0 00o
o
...... ~~ :.,-:: ~~.... -~ ..~ ..'
Wasser
konz. Salzlösung
IRestgemisch I
IRestgemisch I
Schwimm-Sink-Verfahren
Dichteunterschiede
(NE-Metalle)
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7. Kunststoffe- Vielfach verwertbar
Zu den großen Errungenschaften der industriellen organischen Chemie gehören
ohne Zweifel die Kunststoffe. Hierunter versteht man zunächst einmal
vollsynthetische Polymere wie etwa Polystyrol und Polyester. Weiterhin werden
auch abgewandelte Naturstoffe wie Acetylcellulose meist unter diesen Begriff
eingeordnet. Viele technische Entwicklungen sind erst auf Basis von Kunststoffen
möglich geworden. So hätte etwa der gesamte audiovisuelle Bereich ohne diese
Werkstoffe den heutigen Stand nicht erreichen können. Die Vorteile der Kunststoffe
liegen dabei auf der Hand: Ihre Eigenschaften lassen sich in weiten Grenzen gezielt
beeinflussen, weshalb man auch von "Werkstoffen nach Maß spricht". Im Auto
ersetzen sie herkömmliche Werkstoffe wie Metalle hauptsächlich wegen ihres
geringen Gewichtes. Sie haben im Moment einen Anteil von 7,5°k am Auto und man
geht davon aus, daß der Anteil auf bis zu 15°k in den nächsten Jahren steigen wird.
Einteilung von Kunststoffen
Eine grobe Einteilung von Kunststoffen kann nach ihren makroskopischen
Eigenschaften erfolgen. Man unterscheidet so Thermoplaste, Duroplaste und
Elastomere. Für Verarbeiter und Verbraucher ist diese Einteilung vorteilhaft, da sie
sowohl Hinweise auf die Art der Verarbeitung als auch auf die Eigenschaften der
verwendeten makromolekularen Verbindungen gibt.
Üblich ist weiterhin die Einteilung von Kunststoffen nach ihrem Syntheseweg, der
bei ihrer Herstellung beschritten wurde, in Polymerisate, Polykondensate und
r> Polyaddukte. Polymere Werkstoffe bestehen aus Makromolekülen, die aus kleinen
Einheiten (Monomeren) synthetisiert werden.
Rückgewinnungsmöglichkeiten von Kunststoffen:
1. Verbrennung
2. Umschmelzen
3. Pyrolyse
4. Hydrolyse
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Kunststoffe in Autos
Pol urethane 32%
27%
19%
9%
130/0
r:
Hauptbestandteil: Thermoplaste
Sie sind aus mehr oder weniger fadenförmigen Molekülen aufgebaut. Ist der
Kunststoff kristall in, ist die Anordnung der einzelnen Moleküle regelmäßig und
parallel. In nicht kristallinen Kunststoffen liegen überwiegend verknäulte
Makromoleküle vor. Beide sind jedoch durch Sekundärbindungen verknüpft. Beim
Erwärmen von Thermoplasten werden die Moleküle beweglich und können
aneinander vorbeigleiten. Thermoplastische Kunststoffe erweichen somit beim
Erwärmen und ergeben bei weitere Temperatursteigerung eine Schmelze. Bringt
man diese in eine Form und kühlt ab, behält der entstandene Kunststoffkörper die
ihm gegebene Gestalt. Sie sind beliebig oft verformbar durch Wärme und Druck. Die
meisten Polymere wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, sowie kettenförmige
Polyester, Polyamide und einige Polyurethane gehören zu dieser Gruppe von
Werkstoffen.
Thermoplaste werden vor allem durch Extrudieren, Spritzgießen, Hohlblasen und
Tiefziehen verarbeitet. In einigen Fällen werden direkt aus der Schmelze Fasern
aufgezogen.
Abb. 3: Thermoplaste
linearkettenfOrmig
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Versuch 5:Umschmelzen von ThermOlliasten
Umschmelzen:
Erneute Formgebung durch Zufuhr von Wärme und Druck
Geräte:
Bunsenbrenner, Dreifuß mit Metallplatte, Metallausstechform, Spatel
Chemikalien:
Feinkörnig zerkleinertes Polymethacrylsäuremethylester (PMMA), z.B.
Rücklichtabdeckung, Talkum
Versuchsdurchführung:
Die Metallplatte wird mit Talkum bestreut um, ein Ankleben des fertigen
Produktes zu verhindern. Dann wird die Ausstechform darauf gestellt und mit
dem zerkleinerten Kunststoff ausgefüllt und anschließend mit dem
Bunsenbrenner erhitzt. Nach einigen Minuten erweicht der Kunststoff und
sintert zusammen. Mit Hilfe des Spatels wird Druck auf die Oberfläche
ausgeübt, um zum einen eine gleichmäßige Oberfläche zu erhalten und zum
anderen die Formgebung zu beschleunigen. Den erschmolzenen Gegenstand
kann man nach dem Abkühlen aus der Form brechen. Bei diesem Verfahren
ist die äußere Form der Abfallstücke vielfach noch zu sehen.
Versuchsauswertung.
Temperaturerhöhung
~ Zunahme der Molekularbewegung
~ Schwächung der Sekundärbindungen -
-+ Aneinander vorbeigleiten der einzelnen Ketten
Abkühlung:
~ Abnahme der Wärmebewegung
~ Neubildung der Sekundärbindungen
~ Neue Formgebung
Vorteil:
Nachteil:
geringer Energieaufwand (vgl. V6)
Optisch und mechanisch minderwertiger als Neuprodukte
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Versuch 6a:Q!molymerisation von Polymethacrylsäuremethylester
Nur wenige Polyolefine haben die Stoffeigenschaft, beim Erhitzen in Umkehrung
ihrer Bildungsreaktion wieder in Monomere zu zerfallen. Dies ist nachteilig, da die
Rückbildung von Monomeren mit anschließender Repolymerisation ein ideales
Recyclingverfahren darstellt, wenn verschmutzte, verschieden gefärbte und mit
unterschiedlichen Füllmaterialien vermischte Kunststoffabfälle anfallen, die sich
nicht mehr über die Schmelze zu hochwertigen Produkten verarbeiten lassen. Einer
der wenigen Kunststoffe, mit dieser besonderen Stoffeigenschaft ist
Polymethacrylsäuremethylester (PMMA, Acrylglas, Plexiglas@).
Geräte:
2 Reagenzgläser, passender durchbohrter Stopfen mit rechtwinklig
gebogenem Glasrohr, Becherglas mit Eis zur Kühlung, Bunsenbrenner,
Stativmaterial
Chemikalien:
PMMA-Abfälle (zerkleinerte Rücklichtabdeckung)
Versuchsdurchführung:
Das Reagenzglas wird zur Hälfte mit PMMA-Abfällen gefüllt und die
abgebildete Apparatur aufgebaut. Man erwärmt zunächst das den Kunststoff
enthaltende Reagenzglas vorsichtig am oberen Reagenzglasrand beginnend.
Nach kurzer Zeit bilden sich weiße Nebel und ein hellgelb bis rotes Destillat,
welches im zweiten Reagenzglas aufgefangen wird.
Versuchsaufbau:
L-o---~~Wasser
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Versuchsauswertung:PMMA zerfällt beim Erhitzen nahezu quantitativ durch Umkehr der
radikalischen Bildungsreaktion in die monomeren Ester. Dabei werden die
polymeren Ketten vom Ende her abgebaut, zerbrechen also nicht statistisch.
Die Rückbildung von Monomeren aus Polyolefinen verläuft wie im
vorliegenden Fall in hohen Ausbeuten! wenn bei der Pyrolyse der
Kettenabbau so stattfindet, daß aus quartären Kohlenstoffatomen tertiäre
Radikale entstehen. Diese sind reaktionsträger und stabiler als primäre und
sekundäre Radikale, so daß der weitere Kettenabbau unter Abspaltung eines
Monomeren stattfindet, und andere Reaktionen - wie etwa Rekombinationen
nicht ablaufen.
Mechanismus: Umkehr der radikalischen Polymerisation~ -,I \0' OCH31t \cJ OCH3
~ / ~ /C I CH3 C CH3I I I I
R CH2-9- -- CH2-9-CH2-9-CH2-9-R'
CH3 C CH3 C// -, ~ -,
n 10...... OCH3 /0...... OCH3
\cl OCH3 ~d' OCH3~ / "- /
C CH3 CI I 11
R CH2-9- -- CH2-y-CH2-9CH3 C CH3
// "-n 10,.. OCH3
1l (1)
CH3I
+ -CH -C-R'2 I
C// "-
'0,.. OCH3
c OCH3 ö' OCH3~ ~ / ~ ~ /
C CH3 CI I I
(1) • R CH -C--- CH2-C- + CH2 = C2 I I I
CH3 C CH3// -,
n 10,.. OCH3
(2)
cJ OCH3(J OCH3
~ ~ / ~ ~ /
C CI I
(2) • R-CH?-C· + n CH2=CChemie in der Schule: www.chids.de
Versuch 6b:Polymerisation von Methacrylsäuremethylester
Geräte:
Reagenzglas. Bunsenbrenner
Chemikalien:
Methacrylsäuremethylester, Dibenzoylperoxid
Versuchsdurchführung:
In einem Reagenzglas werden 10 ml Methacrylsäuremethylester (aus Versuch
6a) und 0,5 g Dibenzoylperoxid gemischt. Man erhitzt den Reagenzglasinhalt
vorsichtig zum Sieden (Vorsicht die Dämpfe sind entzündlich) und entfernt
den Brenner. Falls der Reagenzglasinhalt nicht weitersiedet erhitzt man
weniger vorsichtig solange bis die Polymerisationsreaktion startet. Der Start
der Polymerisationsreaktion ist daran zu erkennen, daß das Gemisch ohne
weiteres Erhitzen weitersiedet, wobei die Viskosität der Lösung zunimmt.
Nach einigen Minuten wird das Gemisch zähflüssig und erstarrt bald zu einem
festen, blasigen Polymerisat.
1. Zerfall des Dibenzoylperoxids in 2 Radikale
2. Angriff des Radikals an der Doppelbindung des Monomers
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3. Kettenwachsrum
4. KettenabbruchDimerisierung
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I.
r
Disproportionierung
Die Startreaktion der radikalischen Polymerisation läuft folgendermaßen ab: Aus
einem Molekül Dibenzoylperoxid entstehen zunächst zwei Benzoylradikale. Nach
Abspaltung von Kohlenstoffdioxid dient das entstehende Phenylradikal als
Kettenstarter. Im zweiten Schritt erfolgt der Angriff des Radikals an die
Doppelbindung des Monomers, wobei ein weiteres Radikal entsteht. Während des
Kettenwachstums erfolgt immer wieder der Angriff eines Radikals an die
Doppelbindung des Monomers. Zum Kettenabbruch kommt es zum einen durch
Rekombination von Radikalen oder aber durch Disproportionierung.
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8. Literaturverzeichnis
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