Műanyaghulladék menedzsment Pölöskei Kornél, adjunktus

Átírás

1 Műanyaghulladék menedzsment Pölöskei Kornél, adjunktus október 19.

2 Az előadás vázlata A gumi gyártása Gumi hulladékok és újrahasznosításuk Járműipari gumi hulladékok újrahasznosítása Regenerát és TDV készítés Energetikai újrahasznosítás Műanyaghulladék menedzsment 2

3 Milyen anyag a gumi? Gyengén térhálós polimer Nem olvasztható meg A bomlási hőmérséklet alacsonyabb az olvadásinál Nagy deformációs képesség Jó csillapító képesség (torziós rugó) Jó tölthetőség, ezzel kiváló időjárás és kopás állóság érhető el. Jól beállítható karakterisztika Műanyaghulladék menedzsment 3

4 1000 tonna Statisztikák Világ összes kaucsuktermelése (* a 2015-ös adatok január-márciusra vonatkoznak) Forrás: International Rubber Study Group (IRSG) Gumik és gumicsövek Dr. Halász István

5 Hogyan gyártják a gumit? Alapanyagok: Kaucsukok (természetes vagy szintetikus) Vulkanizáló szerek Töltőanyagok Lágyítók Egyéb Keverés Formázás Strukturálás Erősítés Gumikeverék Termék Vulkanizálás Strukturált szerkezet Műanyaghulladék menedzsment 5

6 A gumikeverés eszközei Keverők (Banbury) Hengerszék Nagy nyíró erők, nagyon komplex ömledékáramlások Szakaszos üzemű, könnyen automatizálható Nagyon népszerű Nagy nyíró erők, változtatható frikció (hengerek kerületi sebességének az aránya) Szakaszos üzemű Nehézkes, ezért egyre kevésbé népszerű Műanyaghulladék menedzsment 6

7 A gumikeverés eszközei Extrúzió Kalander hengersor Pontos, precíz technológia, de drága Jól homogenizál Nem mindig a legtermelékenyebb Jellemzően alacsony L/d viszony Bonyolult csigaszerkezet Viszonylag egyszerű, termelékeny technológia Főleg sík termékek gyártására alkalmas Könnyen felvihető a segítségével a gumikeverék az erősítő szerkezetre Műanyaghulladék menedzsment 7

8 A gumiszerkezetek kialakítása / vulkanizálás Gumi szerkezet kialakítása: Rendkívül sokféle szerkezet létezik. Ebben a fázisban kapja meg a végső formát a szerkezet, teljes mértékben a felhasználási igényekhez lehet igazítani: abroncs, tömítés, szállítószalagok stb. Akár többféle gumikeverék is társítható (pl. gépjármű hűtővíz csövek). Erősítő struktúra alakítható ki, (pl. csövek, abroncsok, szállítószalagok). Általában a gumi termékgyártás legösszetettebb lépése. Vulkanizálás: Emelt kőmérsékleten. Kénes vagy peroxidos. Műanyaghulladék menedzsment 8

9 Újrahasznosítás Hulladékká vált gumi A hulladékká vált gumik 70-80%-át teszik ki a gumi abroncsok. Az újrahasznosítás még ma sem teljesen megoldott (Jakab Gusztáv). A hulladék gumik két fő csoportja: 1. 1 Gyártásközi hulladék 2 Használt gumiabroncs A hulladék abroncsok újrahasznosításának lépései: Begyűjtés ez több módon is történhet Egy kiválasztott/elérhető hulladék kezelés Futózás Részben anyagában Energetikai történő újrahasznosítás újrahasznosítás Műanyaghulladék menedzsment 10

10 Gumiabroncsok Magyarországon Becslések alapján az évente piacon értékesített gumiabroncs mennyisége mintegy tonnára tehető. Hazánk jelenlegi használt gumiabroncs hasznosító kapacitását tonnára becsülik. Eladott mennyiség Műanyaghulladék menedzsment 11

11 A gumiabroncsok sorsa c Műanyaghulladék menedzsment 12

12 A gumiabroncsok sorsa A begyűjtött abroncsoknak minimum 50%-át anyagában kell hasznosítani. Ezt az utóbbi években sikerült is tartani. Műanyaghulladék menedzsment 13

13 Újrahasználat Az újrahasználatnak két módja van: 1. Az egyik lehetőség, hogy az elhasznált gumiabroncsot más terepen, más előírásokkal alkalmazhatónak ítéli a szakember, vagy esetleg másik országban újra autóra szerelik. Ilyesmit tapasztalhattunk meg az 1990-es években, amikor nyugat-európai országokból használt gumiabroncsokat importáltunk, vagy mentek tovább pl. Ukrajnába, olcsón értékesítve azokat. Ez a módszer nem oldja meg a hulladékproblémát, és sok esetben károkat okoz a célország iparában, kereskedelmében. (Általános jelenség a Nyugat - Kelet irányú járműipari hulladék áramlás. Orosz László Horváth Miklós) 2. A másik lehetőség, ha az elkopott futófelületet újrafutózzuk. Műanyaghulladék menedzsment 14

14 Újrahasznosítás-futózás Újrafutózás: A gumiabroncs futófelületének jelentős kopását követően új futófelület kialakítása. Az, hogy hányszor lehet ezt elvégezni, függ az abroncs gyártásakor alkalmazott technológiától és a felhasználási körülményektől is: Repülőgép abroncsok: 5-7-szer Teherautó abroncsok 2-3-szor Közúton használt abroncsok 60-70%-a felel meg újrafutózásra. Személyautó abroncsok futózása nem jellemző. Miért? Műanyaghulladék menedzsment 15

15 Magas fokon szabályozott folyamat. Az elfogadott legkorszerűbb technológia rendkívül fejlett. Lépések: Újrahasznosítás-futózás A köpeny állapotának elsődleges vizsgálata Szabad szemmel és kézzel megvizsgálják a teljes abroncsot. Műanyaghulladék menedzsment 16

16 A láthatatlan biztonsági kockázatok műszeres szűrése Zárványok, hibák keresése. Lézeres, vagy röntgen berendezéssel. Műanyaghulladék menedzsment 17

17 Újrahasznosítás-futózás Gumiabroncs geometriai tökéletesítése A futófelület teljes felületén gépi csiszolás Műanyaghulladék menedzsment 18

18 Újrahasznosítás-futózás Kézi csiszolás és feltöltés Maradék hibák javítása. Megfelelő felületi előkészítés az új futófelület számára. Műanyaghulladék menedzsment 19

19 Újrahasznosítás-futózás Új futófelület felvitele Gépi eljárás. Viszonylagos pontosságot igényel. Műanyaghulladék menedzsment 20

20 Újrahasznosítás-futózás Vulkanizálás A felvitt réteg térhálósítása. Végeleges felület kialakítása. Műanyaghulladék menedzsment 21

21 Újrahasznosítás-Őrlés Lépései: 1. Peremkarika eltávolítása (tehergépjármű abroncsoknál) 2. Sredderelés 3. További őrlés (főleg kriogén) 4. Textil és fém erősítő szerkezet maradványainak eltávolítása A gumi őrlemény önmagában piacképes termék. Az ára szemcsemérettől függ (a néhány centiméteres tartománytól egészen a 100 mikronos szemcseméretig gyártják). Kettéválik a további felhasználás Anyagában történő hasznosítás Regenerát készítés Energetikai hasznosítás Pirolízis, égetés Műanyaghulladék menedzsment 22

22 Mechanikai őrlés Fő technológiák: Vízsugaras vágás Sredderelés Újrahasznosítás-Őrlés Műanyaghulladék menedzsment Dr. Pölöskei Kornél

23 Újrahasznosítás Kriogén őrlés: A gumi elasztikus tulajdonságai és a nagyon jó energiaelnyelő képessége miatt van szükség arra, hogy T g alatt őröljük. Műanyaghulladék menedzsment Dr. Pölöskei Kornél

24 Újrahasznosítás Őrlés: A gumi aprításával előállított őrlemény. Őrlési módszerek: mechanikus, kriogén, vízsugaras. Műanyaghulladék menedzsment Dr. Pölöskei Kornél

25 Tanszéki kutatások Széleskörű kutatások folynak SBR és EPDM devulkanizációjára / ezekből való regenerát képzésére A főbb devulkanizációs eljárások: Termo-mechanikus bontás Kémia devulkanizálás devulkanizáló szerek alkalmazásával Mikrohullámú devulkanizáció Ultrahangos devulkanizáció Biológiai devulkanizáció Műanyaghulladék menedzsment 27

26 Újrahasznosítás-anyagában történő Regenerát készítése Az őrölt hulladékgumi általában hővel és mechanikai energiával történő lebontásával, esetenként vegyszerek alkalmazásával hozzák létre. A gumi regenerálása depolimerizációs folyamat, amely során a kaucsuk molekula láncok hasadása következik be, és a gumi kisebb térhálós egységekre esik szét. Teljes devulkanizálás nem játszódik le, mert a vulkanizátumban a kötött kén mennyisége változatlan marad. Az oxigén és a kémiai lebontószerek gyorsítják a folyamatot. Lágyító alkalmazásával a folyamat hatásosabb, mivel a lágyító feszíti a térháló szerkezetet a gumi duzzasztásával. Műanyaghulladék menedzsment 28

27 Újrahasznosítás-anyagában történő Regenerát jellemzői A folyamat során nem megy végbe teljes bomlás Gumiszerű a végtermék, de a minősége gyengébb Az alkalmazása korlátozott: Gumi aszfalt keverék készítése Kültéri burkolati elemek gyártása Felhasználásával olcsóbb keverékek állíthatók elő, könnyíti a keverési folyamatot, csökkenti az energia szükségletet. Alkalmazása 10 %-ig ajánlott, mert e fölött romlanak a fizikai tulajdonságok. Számos termékben alkalmazhatók, gépjármű abroncsban csak kisebb százalékban, elsősorban kis sebességű köpenyekben. Műanyaghulladék menedzsment 29

28 EPDM devulkanizálása Devulkanizálás / regenerát gyártás A devulkanizátum minőségének meghatározása (sol tartalom és molekulatömeg eloszlás) Jelenleg is folynak kísérletek cél: termoplasztikus dinamikus vulkanizátumok gyártása gumi regenerát és hőre lágyuló polimerek felhasználásával. Előkísérlet: ablaktörlő kompaundálása üzemanyag tartály anyagával. Fő kísérlet: ablaktörlők devulkanizálása és primer HDPE segítségével TDV készítése TDV gyártási kísérlet eredmények értékelése Műanyaghulladék menedzsment 30

29 HDPE EPDM TDV gyártása Cél: a hőre nem lágyuló térhálós szerkezet felbontása Hőbevitel és nyíró igénybevétel EPDM Regenerát Mechanikai tulajdonságok jelentős romlása Korlátozott felhasználási lehetőségek Teljes devulkanizáció jelenlegi technológiáinkkal nem valósítható meg Regenerát tulajdonságainak ellenőrzése Soxhlet extrakcióval és GPC elájárással TDV gyártása Műanyaghulladék menedzsment 31

30 Ablaktörlő üzemanyagtank kompaund készítése A járműipar 9%-át teszi ki az éves műanyagfelhasználásnak (2012) Műanyag és gumi alkatrészek újrahasznosítása nem megoldott Autóipar törekvése a tömegcsökkentésre Gazdasági érdekek a környezetvédelmi érdekek felett állnak EPDM alkatrészek: ablaktörlők ajtószegélyek hűtővíz csövek tömítések Ablaktörlő gumi EPDM Üzemanyagtartály HDPE Lökhárító PP-EPDM (itt csak társított anyag) A kiválasztott keverékek összetételei: HDPE HDPE-EPDM PP-EPDM PP-EPDM/EPDM HDPE-EPDM-PP-EPDM/EPDM Műanyaghulladék menedzsment 32

31 Ablaktörlő üzemanyagtank kompaund készítése Az egyes keverékek előállításhoz használt technológiák/berendezések: Berendezés/anyag HDPE PP- EPDM Festékeltávolítás Hengerszék Belső keverő Egycsigás extruder Daráló X X X EPDM Ikercsigás extruder X X X Granuláló berendezés X X X X X X Fröccsöntőgép x X x Műanyaghulladék menedzsment 33

32 Ablaktörlő üzemanyagtank kompaund készítése Cél: ablaktörlő gumik feldolgozható méretűvé aprítása hengerszékkel 6-szoros fordulatszám különbség, hűtött hengerekkel Fokozatos résméret csökkentés Műanyaghulladék menedzsment 34

33 Regenerát képzés belsőkeverőben Feldolgozás paramétereinek meghatározása Adott: Előfűtés hőmérséklete 180 C -1 Keverés fordulatszáma: 160 min Meghatározandó a folyamatos keverés időtartama: 5, 10, 15 min időtartamon végzett kísérletek Feldolgozás teljes időtartama 25 perc Műanyaghulladék menedzsment Folyamatos keverés kezdetekor már 180 C Folyamatos keverés végére inhomogén hőmérséklet eloszlás Külső rész környezetében ~200 C Belső rész környezetében ~ 280 C 35

34 Vizsgálati eredmények EPDM Műanyaghulladék menedzsment 36

35 Vizsgálati eredmények Soxhlet extrakció Minta Kezdeti tömeg [g] Szárítás utáni tömeg [g] Kioldott hányad [%] 1. 15,5 10,5 32, ,3 6,2 39,81 1. minta: repedezett EPDM regenerátból 2. minta: összefüggő felszínű, ragadósabb regenerátból Műanyaghulladék menedzsment 37

36 Horikx módszer Műanyaghulladék menedzsment 38

37 Előbbi egyenletek alapján: függvényábrázolás Kísérleti eredmények ábrázolása a diagramon Degradációs, vagy devulkanizációs viselkedés meghatározása 25 Horikx módszer Oldható fázis aránya (%) ,25 0,5 0,75 1 Térhálósűrűség relatív csökkenése Random scission Cross-link scission if γi=10 Cross-link scission if γi=20 Műanyaghulladék menedzsment 39

38 Gél permeációs kromatográfia (GPC) A degradáció mértékét a molekulatömeg változásával lehet jellemezni Felépítés: lásd ábra A mintát az oldószerbe injektáljuk Működési elv: a folyamatosan áramló oldószer sol tartalmát és annak molekulatömeg eloszlást mérjük Kolonna Adatrögzítés Elválasztott Oldószer tartály Szívattyú Érzékelő mintafrakciók Műanyaghulladék menedzsment 40

39 Gél permeációs kromatográfia (GPC) Kalibrációs görbe alapján kromatogram Műanyaghulladék menedzsment 41

40 Egycsigás extrúzió Cél: Ikercsigás extruderrel való feldolgozás megkönnyítése Pontosabb adagolás elérése Műanyaghulladék menedzsment 42

41 Ikercsigás extrúzió és fröccsöntés Ikercsigás extrúzió: A HDPE és az EPDM regenerát kompaundálása, Regranulátum készítése, Homogénebb szerkezet, kontrollált folyamat. Fröccsöntés: Végső alakadás, Próbatestek előállítása, Termelékeny, gyakorlatias. Műanyaghulladék menedzsment 43

42 Vizsgálati eredmények Húzó- és hajlító rugalmassági moduluszok Műanyaghulladék menedzsment 44

43 Vizsgálati eredmények Húzószilárdság Műanyaghulladék menedzsment 45

44 Vizsgálati eredmények Keménység Műanyaghulladék menedzsment 46

45 Charpy-féle ütőmunka Vizsgálati eredmények Műanyaghulladék menedzsment 47

46 Vizsgálati eredmények Szakadási nyúlás Műanyaghulladék menedzsment 48

47 Vizsgálati eredmények EPDM 25 töretfelületének SEM képe Műanyaghulladék menedzsment 49

48 Vizsgálati eredmények HDPE 75%EPDM töretfelületének SEM képe Műanyaghulladék menedzsment 50

49 Ablaktörlő üzemanyagtank kompaund HDPE-20%EPDM SEM felvétel: Nagyon jó az EPDM fázisok eloszlása, kicsi a szemcsék mérete. Érdemi határfelületi réteg kialakulása az EPDM és a HDPE házisok között (Ok: az üzemanyag tartály EVA tartalma kompatibilizálóként működött). A fentiek eredményeképp több mint 40%-kal nagyobb volt a HDPE-EPDM kompaund fajlagos ütőmunkája, mint a HDPE ütőmunkája. Műanyaghulladék menedzsment 51

50 Tanulságok Nehézkes és bonyolult a regenerát képzés Anyagok feldolgozása, összedolgozása nem egyszerű Hozzáadott adalékanyagok nélkül nem értük el a hulladékkal produkálható eredményeket EPDM jelenléte, eloszlása nem megfelelő adalékolás nélkül További vizsgálatok szükségesek Műanyaghulladék menedzsment 52

51 Energetikai újrahasznosítás Fő probléma az energia mérleg: 1 kg gumiabroncs előállításához 32 kwh energiát használnak fel. Ezzel szemben, ha ezt az 1 kg abroncsot elégetjük, mindössze 9 kwh energiát kapunk. Ez azt jelenti, hogy a gumiabroncs előállításához befektetett energia több mint kétharmada el fog veszni. Műanyaghulladék menedzsment 53

52 Energetikai újrahasznosítás Gumiabroncsok főbb energetikai jellemzői Energetikai hasznosítás előnyei:gumiabroncsok égetésekor kevesebb CO 2 keletkezik, mint ha fosszilis üzemanyagot égetnénk. A gumiabroncsok mellett szól alacsony kéntartamuk is (átlagosan 1,3-1,4%), ami megegyezik a szén kéntartalmával. Energetikai újrahasznosítás két jellemző formája: 1. Égetés (tipikusan cementgyárakban) 2. Pirolízis Műanyaghulladék menedzsment 54

53 Pirolízis problémái: Energetikai újrahasznosítás Nem kiforrott technológia A szakaszos üzemű technológia olcsóbb, de nehézkesebb A koromkezelés nincs megoldva A koromba gyűlik össze minden nem éghető szilárd anyag (fém, és szilikát alapú szennyeződések) Gazdaságilag nem életképes Társadalmilag nem elfogadott Lehet, hogy a jövő technológiája, de még fejlesztésre szorul Műanyaghulladék menedzsment 56

54 Újrahasznosítás Hulladékok egyéb felhasználása (újrahasználat): Műanyaghulladék menedzsment 57

55 Összegzés A keletkező hulladékok teljes mennyiségének hasznosítása lefedett Csak nagyon nagy állami támogatással életképes Az égetés és az őrlés kiforrott technológiák Vannak bíztató fejlesztési irányok: Pirolízis Gumi aszfalt Támogatással jól működik a rendszer, megoldott a keletkező gumihulladékok hasznosítása, de a hosszútávú fenntarthatóság fejlesztések nélkül kérdéses Műanyaghulladék menedzsment 58

56 Hirdetmény Hirdetni való: Jövő héten MOL-os vendégelőadó, jöjjenek Toldy tanárnő is itt lesz, és az előadás után lehet vele konzultálni, ha valakinek segítségre van még szüksége a prezentáció elkészítésében. Erről küld még Neptun-üzenetet. Műanyaghulladék menedzsment 60

57 Köszönöm a figyelmet! poloskei@pt.bme.hu