Recycling of Euro Banknotes by means of the Ioncell® process

Abstract

Diese Masterarbeit zeigt eine Möglichkeit auf, zellulosebasierte, ausrangierte Euro-Banknoten mit Hilfe des innovativen und umweltschonenden Ioncell® Prozesses (Sixta et al., 2015) zu rezyklieren. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Sequenz von mechanischen und chemischen Behandlungsschritten entwickelt, um die nicht Zellulosen- Bestandteile auf ein Minimum zu reduzieren und im Weiteren die aufgereinigte Baumwolle wiederzugewinnen. Bei den Verunreinigungen handelt es sich vorrangig um Polymere, Metalle und metallische Komplexe. Der erschlossene Baumwollkern wurde mittels des Ioncell® Prozesses chemisch recycelt. Dabei wurde das auf Zellulose basierende Material in einer Ionischen Flüssigkeit, 1,5-diazabicyclo(4.3.0)non-5-enium acetate [DBNH][OAc], gelöst. Eine hoch viskose Spinnlösung wurde erhalten, welche mittels einer Spinndüse zu Zellulose Fasern verarbeitet wurde. Die Zellulose wurde in einem Spinnbad ausgefällt, im Anschluss gewaschen, getrocknet und zu einem Stück Stoff weiterverarbeitet. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften (Aschegehalt, elementare Zusammensetzung, intrinsische Viskosität, etc.) der Banknoten wurden im jeweiligen Behandlungsschritt ausführlich durch geeignete analytische Messmethoden bestimmt. Eine deutliche Reduktion der Verunreinigungen und damit eine einhergehende Erhöhung des Zellulosegehalts von 86,1% des Ausgangsmaterials auf 95,1% der vollständig aufgereinigten Banknoten war zu beobachten. Durch die Behandlung wurde die intrinsische Viskosität von etwa 600 ml/g auf knapp unter 400 ml/g reduziert. Zudem wurden die mechanischen und optischen Eigenschaften der regenerierten Fasern anhand von analytischen Messmethoden (Zugfestigkeitsmessung, Birefringenz, SEM, XRD, FTIR, STA, Elementaranalyse, GPC) ermittelt. Im Laufe der Arbeit wurden zwei unterschiedliche Fasern produziert, grüne Ioncell® Fasern nach 5, und weiße Ioncell® Fasern nach 7 aufeinander folgenden Behandlungsschritten. Die produzierten grünen Fasern wiesen eine Reißfestigkeit von rund 36 cN/tex bei einer Reißdehnung von etwa 8 % auf. Die weißen Fasern erzielten mit einer Reißfestigkeit von rund 32 cN/tex bei einer Reißdehnung von etwa 6 % etwas geringere Werte auf. Die Eigenschaften sämtlicher Fasern lagen zwar unter den Werten der Referenz - Ioncell® Fasern, welche aus Holzzellstoff (Enocell – 4) hergestellt wurden, allerdings liegen die Werte im Bereich von kommerziell verwendeten Fasern wie etwa Viskose und Lyocell Fasern. Die weißen Fasern zeichnen sich durch eine höhere Orientierung und einen größeren kristallinen Anteil im Vergleich zu den grünen Fasern aus. Die chemische Struktur der weißen und grünen Fasern erwies sich als ident.

This master thesis portrays a possibility to recycle cotton-based euro banknotes using the innovative and environmentally friendly Ioncell® process. By developing a sequence of mechanical and chemical treatment steps the amount of additives (polymers, metals, metallic complexes, and others) could be reduced to a minimum. Physical and chemical properties (particle size distribution, ash content, elemental composition, intrinsic viscosity, etc) of the banknotes after the respective treatment steps were determined in detail by suitable analytical methods. A significant reduction of impurities could be achieved resulting in an increased cellulose content from 86.1% of the milled starting material to 95.1% of the completely purified banknotes. Certain chemical treatment steps resulted in the reduction of the intrinsic viscosity from around 600 ml/g to just below 400 ml/g, which is close to the standard wood pulp material for the Ioncell® spinning process. The purified starting material was dissolved in the ionic liquid 1,5-diazabicyclo(4.3.0)non-5-enium acetate [DBNH][OAc]. A cellulose-IL solution was received. By the use of the Lyocell type dry- jet - wet spinning process Ioncell®, green and white cellulose fibers were produced, washed, and further processed to a piece of fabric. Mechanical and optical properties of the regenerated fibers were determined by analytical methods (tensile strength measurement, birefringence, SEM, XRD, FTIR, STA, elemental analysis, GPC). The green Ioncell® fibers exhibited a tensile strength of about 36 cN/tex with an elongation at break of about 8%. The white fibers showed lower values with a tensile strength of about 32 cN/tex at an elongation at break of about 6 %. Although all fibers were below the values of the reference - Ioncell® fibers made from wood pulp (Enocell – 4) - the values are in the range of commercially used fibers such as Viscose and Lyocell fibers. The white fibers showed a higher orientation and an increased crystallinity compared to the green fibers. No significant difference in chemical structure could be observed.