KÖRNYEZETTECHNOLÓGIA

Átírás

1 - 1 - KÖRNYEZETTECHNOLÓGIA (A 2000/2001. tanév II. félévében elhangzott előadássorozat szerkesztett változata) Előadó: Dr. Varga Enikő

2 - 2 - Az előadások szerkesztője: Angyal Zsuzsanna (földrajz környezettan szakos hallgató): 5., 11., 12. előadások Kardos Levente (kémia környezettanszakos hallgató): 1. 2., 3., 4., 6., 7., 8., 9., 10.előadások Az ábrákat Kardos Levente szerkesztette. Az előadások leírását a Kémiai Technológiai és Környezetkémiai Tanszéken lektorálta: Horváthné Dr. Otta Klára Orgoványi Judit

3 előadás Bevezetés a környezettechnológia tárgya, célja A környezeti problémák okozója főként a szennyezőanyagok kiáramlása, kikerülése a környezetbe. A szennyezőanyagok lehetnek a halmazállapotukat tekintve: szilárdak, folyékonyak, gáz halmazállapotúak. Lehetnek szervesek, szervetlenek, illetve ezek keverékei. Nagyon fontos kérdés a környezetbe kikerült szennyezőanyag mennyisége. A szennyezőanyag kis mennyisége nem jelent környezeti problémát. A környezeti probléma lokálisan, regionálisan, globálisan jelentkezhet, ennek megoldása ezért érthetően eltérő nehézségi fokú. Ha a környezeti problémát okozó szennyezőanyag-kijutás hosszú ideig tart, akkor szennyezőanyag-áramokról beszélünk, amelyek tartós környezeti problémát okoznak. A szennyezőanyag-áramokat négy nagy csoportra oszthatjuk: 1. Szennyvizek (kommunális-, ipari-, mezőgazdasági szennyvizek): Pl.: a Duna budapesti szakaszán nagymennyiségű tisztítatlan szennyvíz jut be a Dunába. Budán csak Budakeszin van szennyvíztisztítás, Pesten Észak-Pesten, illetve Dél-Pesten van szennyvíztisztító telep. A csepeli szennyvíztisztító telep még nem épült meg. Az ipar egy része megoldja a szennyvíz kérdését, illetve büntetést fizetve folytatja a környezetszennyezést. A mezőgazdasági szennyvizeket a nagy állattartó telepek produkálják. 2. Szennyezett levegő és hulladék gázok (füstgázok, ipari hulladék gázok): Pl.: a gépkocsik kipufogójából kikerülő szennyezett levegő. A gyárak kéményeiből kikerülő füstgáz (ha a gyárban égetés történik, akkor beszélünk füstgázról - pl. százhalombattai erőmű) illetve véggáz (ha a gyárban olyan kémiai folyamatok történnek, hogy gázhalmazállapotú komponensek keletkeznek pl. százhalombattai kőolaj-finomító, ahol a szénhidrogén tartalmú véggázt elégetik, vagy Péti Nitrogén Művek NO x kibocsátása). 3. Szilárd hulladékok (háztartási hulladékok, kémiai eredetű hulladékok): sokáig nem foglalkoztak a kommunális hulladékkal. Pl.: New Yorkban a kukások sztrájkja. Az Európai Unióhoz történő csatlakozásunk egyik fontos elvárása a hulladék kezelés megoldása. ennek fontos részei: a szelektív hulladékgyűjtés kialakítása, a helyes környezeti nevelés szerepe, hulladéklerakók létesítése lásd később. 4. Szennyezett talajok (beleértve a szennyezett üledéket, iszapot): A szennyezőanyag beszivárog a talajba a viszkozitástól, a talaj áteresztőképességétől függően gyorsabban, illetve lassabban. Pl.: a volt szovjet laktanyáknál, üzemanyag vezetékek megcsapolásánál (pontszerű szennyezés) vagy a csővezetékből közvetlenül a talajra jut a szennyezés. A környezetbe kijutott szennyezés lehet: 1. Pontszerű: a szennyezés időben, térben jól definiált (független attól, hogy a szennyezés több kilométeren keresztül elhúzódik), a szennyezés könnyebben elhárítható. Pl.: a folyóba bekerült olajszennyezés. 2. Diffúz: a szennyezés nem definiálható pontosan időben és térben, sokkal nehezebben távolítható el. Pl.: közlekedés autók kipufogógáz kibocsátása, mezőgazdaságban a műtrágyázás A szennyezőanyag-áramok olyan komponenseket tartalmaznak, amelyek veszélyeztetik a környezetet, az ember egészségére ártalmasak. Ezek nem feltétlenül toxikus vegyületek. Ha egy erőmű sótalanító üzeméből kikerülő nagy sótartalmú (Ca 2+, Mg 2+, Na +, Cl - ionokat tartalmazó) szennyvíz a befogadóba jut, ezzel hatást gyakorol az ott élő élőlényekre, amelyek

4 - 4 - nem biztos, hogy tolerálják a sós vizet. (Példaként említhetjük a kazántápvíz előállítása során kazánkő kiválásának elkerülésére céljából végrehajtott vízlágyítást.) Toxikusak: poliklórozott-benzolszármazékok (PCB-k), rovarölők, klór tartalmú oldószerek (garéi probléma), higany-, kadmium sók. Az egyik legtoxikusabb a metil-higany. Nagy mennyiségű Hg jutott ki például a tengerbe a higany katódos, alkáli-klorid elektrolízis során Japánban, Minamata halászfalu közelében (az elektrolízis termékei: nátrium-hidroxid, Cl 2, H 2 ). A Hg a tengerben baktériumok által metileződött, metil-higany képződött, majd feldúsult a halhúsban, aminek az elfogyasztásával az emberekben halmozódott fel. A betegséget először itt írták le, ezért nevezik Minamata-betegségnek. Más alkalommal egy japán rizsföldre nagy mennyiségben kadmiumot tartalmazó szennyvíz került ki, a nagy kadmium tartalmú rizs fogyasztása miatt kialakuló betegség az itai-itai. Egy anyagáram okozhat környezeti problémát: (néhány példa ezek közül) es évek fokozott mezőgazdasági tevékenységének köszönhetően nagy mennyiségű műtrágya (NH 4 NO 3 pétisó) került ki a termőföldekre feleslegesen, nem vették figyelembe a növények igényeit. Ez azt eredményezte, hogy megemelkedett a talaj nitrát (NO 3 - ) koncentrációja, a nitrát anion a környezetben előforduló kationokkal nem képez csapadékot a nitrát a környezetben oldott állapotban van jelen bejut a talajvízbe és áramlik. Foszfát anion (PO 4 3- ): Ca 3 (PO 4 ) 2 (kalcium-foszfát) vízoldhatatlan vegyület, a növény így nem tudja felvenni, míg a Ca(H 2 PO 4 ) 2 a legjobban oldódó foszfát vegyület. A két vegyület között az átmenet ph változásával történik. A szuperfoszfát (kalcium-foszfát) műtrágyaként kerül ki a talajra. Ha savas a talaj ph-ja, akkor a kalcium-foszfát oldódik kalcium-dihidrogén-foszfátként. A folyamat ezen túlmenően Balaton eutrofizációjában is szerepet játszhat: az üledékben található kalcium-foszfát vihar hatására megváltozott oldhatósági viszonyok miatt oldódódik. Az oldhatósági szorzat (L): L Ca3(PO4)2 = [Ca 2+ ] 3 [PO 4 3- ] 2. Az iszapban található kalcium-foszfát fölött egyensúlyt tartott a szilárd és a folyadék fázis, de a vihar felkeverő hatására megváltozik az ionok koncentrációja, az egyensúly bekövetkezhet oldódás illetve kiválás a környezet ionháztartásának függvényében. Ha a terület sok kalcium iont tartalmaz (pl. meszes) akkor a műtrágya Ca 3 (PO 4 ) 2 formában lesz jelen, nem jut tovább a talajvízzel, mert nem oldódó só, így nem okoz környezeti problémát, de ha terület kevés kalciumot tartalmaz (gránitos) a műtrágya savas eső hatására bemosódik a talajvízbe, nincs a talajnak pufferkapacitása megváltozik a ph, megváltozik az oldhatóság. A szennyező komponens koncentrációja egy anyagáramban állandóan változhat (percrőlpercre), megnehezítve a környezeti probléma megoldását. Napjaink környezeti problémái az utóbbi év termelő tevékenységeinek (ipar és mezőgazdaság) és a társadalmi fejlődésnek a következményei. Korábban a termelő tevékenység csak a termék előállításával foglalkozott elsősorban és alig, vagy egyáltalán nem volt tekintettel a termelőfolyamatból kikerülő anyagáramokra, a termék felhasználására, és annak véges voltára. Egyszerűen nem foglalkoztak a kérdéssel, vagy tabuként kezelve nem foglalkozhattak a környezetet károsító anyagáramokkal. Pl.: angliai bányászat, európai Ruhr-vidék ipari centrumainak környezetszennyezéseivel nem foglalkoztak kezdetben. A környezetvédelemi mozgalom 1963 körül indult el. A Néma tavasz című könyv megjelenése hívta fel a figyelmet, hogy az USA-ban nagy mennyiségű rovarölőszer alkalmazása miatt a rovarokat fogyasztó madarak is kipusztultak.

5 - 5 - Az utóbbi 1-2 évtized óta vált világossá és gyorsult fel a környezeti problémák felismerése. Az emberi egészség és az ökoszisztémák megóvása, a környezet rekreációban játszott szerepe, a talaj termőképessége, valamint a meg nem újuló nyersanyagok és energia véges volta szintén komoly szerepet játszanak a kérdésben. Fontos, hogy a szennyezőanyag kibocsátó üzemek szennyezőanyag kibocsátását folyamatosan figyeljék a hiteles és megfelelő szakmai felkészültségű szakemberek, akik döntés hozhatnak a környezet megóvása érdekében, szükség esetén rendelkezhessenek akár a gyár bezárásáról is. A környezeti problémák 3 csoportba oszthatók: 1. Korábbi ipari tevékenységből származó szennyezőanyag-áramok következményei: talajszennyezés víz alatti üledékek szennyezettsége elszennyezett talaj- és rétegvizek hulladék deponiák, amelyeknél nem feledkezhetünk el a csurgalékvíz elvezetéséről (csurgalékvíz: a hulladéklerakóknál keletkező, illetve a lerakóra hulló csapadékvíz) 2. Jelenlegi tevékenységből származó szennyezőanyag-áramok: ipari szennyvíz kémiai hulladék (veszélyes hulladék) széntüzelésű berendezések (kemencék) égéstermékei (pernye, salak) szennyezett véggázok, füstgázok 3. Elhasznált termékek, anyagok elhelyezése (lerakása): autóroncsok (autótemetők) háztartási hulladékok építési és bontási hulladékok fáradt olajok (gépkocsik alkatrészeinek kenőolaja) kémiai hulladékok A rendszerváltás után javult hazánk környezeti állapota. A gyárbezárások következtében, csökkent a szennyezőanyag kibocsátás, de ez más problémák kialakulásához vezetett munkanélküliség társadalmi feszültség. Környezettechnológia A környezettechnológia a szennyezett anyagáramok elvi tisztítási/kezelési módszereivel foglalkozik. A szennyezőanyag-áramok kikerülésének mérséklése, megelőzése a környezettechnológia feladata. Lehetséges módjai: 1. a szennyező komponens elválasztása az anyagáramtól fizikai módszerrel 2. a szennyező komponensek átalakítása (kémiai, biológiai átalakítás) úgy, hogy ne okozzon kárt, vagy kevésbé legyen veszélyes a környezetre Ezek lehetnek in-situ, ex-situ eljárások. A technológia tantárgy keretében a gyártási folyamatokat ábrázolni, szimbolizálni kell, erre szolgál a technológiai folyamatábra, a környezettechnológiában is ábrázoljuk a tisztítási, kezelési folyamatok egymásutániságát. A környezeti probléma ábrája a következő: A befogadó lehet tó, folyó, légkör. szennyezett anyagáram befogadó

6 - 6 - Egy környezettechnológiai folyamatábra: "black box" szennyezett anyagáram (BE) befogadó (KI) Szennyezõ (KI) Technológiai folyamatábra: elvi ábra, ami működőképes, az adott gyártásban szereplő műveletek és folyamatok egymásutánját és egymáshoz való kapcsolódását szemlélteti meghatározott sorrendben. A folyamatábrában egyes műveleteket vagy folyamatokat négyzettel, téglalappal lehet jelezni, az anyag útját pedig az ezeket összekötő vonalakkal. Az ábrán a black box = fekete doboz azonos az alkalmazott környezettechnológiai folyamattal, művelettel, amelynek az alkalmazása során a szennyezett anyagáramtól elkülöníthetjük a szennyezőt. Régen nem kötelezték a gyárakat, hogy építsenek be fekete doboz -t a technológiai folyamatba, így nem is foglalkoztak a környezetbe kikerülő szennyezőanyag-áramokkal, ezért az előállítás költsége nem is tartalmazta a környezeti elhárítás magas költségét (környezettechnológiát). Miután kötelezték a gyárakat, beépítették a környezettechnológiát az előállítás folyamatába, de megemelkedett az előállítás költsége, amit a fogyasztónak kellett megfizetni. Mivel az előállított áru versenyképessége csökkent a versenyképesség biztosítása miatt technológiai-váltás következett be a gyárban új technológia kifejlesztése, szabadalom vásárlása, a gyár át- vagy felépítése, beüzemelése, a környezet szennyezőanyagok kibocsátásának ellenőrzése mind sok pénzt igényel, amit továbbra is a fogyasztó fizet meg. Magyarországon az ellenőrzés sajnos még mindig csak gyerekcipőben jár, amit a környezetvédelmi felügyelőségek végeznek. A szennyező üzemet kényszeríteni kell, hogy szennyezett anyagáramot ne juttasson ki a környezetbe, a kényszerítés jogszabályok mentén történik, aminek betartatása ellenőrzéssel lehetséges. Ha hiányzik az ellenőrzés, akkor a jogszabályok nem érnek semmit.

7 előadás Vegyipari műveletek Az anyag állapotában fizikai, illetve fizikai-kémiai változás előidézése ipari módszerekkel. A vegyipari műveletek (unit operation) segítségével lehet a technológiai folyamatokat megoldani. 1. Mechanikai műveletek: Szilárd anyagok szállítása: pl.: szennyezett talaj, hulladék Gépkocsi Végtelenített szalagok láncok, szállító csigák alkalmazása, pl.: komposztáló üzemben a komposztprizma átrakására Pneumatika por Elevátor Úsztatás szénport, fát Folyadékok és gázok szállítása: Csővezeték nyomás alatt továbbítják a gázokat, folyadékokat Csőkötések: külső toldalékkal a cső mindkét végére, belső-külső menettel különböző átmérőjű csövek összekapcsolhatók, T-, Y-, L-idomok, menetes dugó a csővég lezárására. oldható kötés: a peremes csőkötés oldhatatlan kötés: a szegecselés a csatlakozások szigetelését tömítésekkel kell megoldani, pl.: kóc, teflonszalag, gyűrűk a fémcsövet hegesztik, a műanyag vezetékeket ragasztják. Szerelvények Elzárók: különböző csapok, szelepek: Súlyszelep: a szelep súlya ellentart, lezárva tartja a csőszakaszt, míg a súlya és a csőben lévő nyomás kiegyenlíti egymást, a nyomásnövekedés hatására nyílik a szelep. Tűszelep gázáramoknál. Redukálószelepreduktor: gázpalackoknál található nyomáscsökkentő, az első manométer (a nagy nyomású ágban) segítségével mindig meg lehet állapítani mekkora nyomás uralkodik a gázpalackban, membránszelep a következő része, rugóval lehet a membrán feszítettségén változtatni, a rugó és membrán együttes

8 - 8 - hatásának eredményeként a nagy nyomású gáz csökkentett nyomáson halad tovább, a csökkentett nyomást a második manométer mutatja, pl.: 100 bar 1 bar. tolózárak Szivattyú (dugattyús-, membrán-, centrifugálszivattyúk, pumpák): az energiát szolgáltatják a folyadékok áramoltatására. Kompresszorok: a gázok összenyomására alkalmazzák, mivel a továbbításuk mindig komprimált formában történik. Szilárd anyagok aprítása: Pofás törő Kalapácsos malom Golyós malom Elegyítés, keverés: Diszpergálás diszperz rendszer: különböző fázisú rendszereket keverek össze. Mit/miben diszpergálok: Szilárd/Folyadék szuszpenzió (a zagy egy tömény szuszpenzió) Folyadék 1 /Folyadék 2 emulzió, pl.: tej Szilárd/Gáz aeroszol (füst) Folyadék/Gáz köd Emulgeálás Homogenizálás: a diszperz rendszer megszüntetése, pl.: a legmagasabb fokozatú keverés mellett. Szilárd anyagok szétválasztása: Fajsúlykülönbség szerint ülepítés Méret, szemcsenagyság szűrés, szitálás Mágneses tulajdonság Nedvesíthetőség, flotálás Diszperz rendszerek szétválasztása: Ülepítés Szűrés Elektrosztatikus porleválasztás füstgáztisztítás folyamatos gázáram A füstgázban lévő részecskék a negatív elektródnál negatív töltést nyernek, majd a rendszeren tovább haladva a pozitív töltésű terelőlemezeknek (elektród) nekiütközve semlegesítődnek, kihullanak a gázáramból, leesnek a gyűjtőbe. Folyamatos gázáram szükséges, akár frakcionált részecskéket is lehet gyűjteni az áramlási sebesség és az

9 - 9 - elektrosztatikus porleválasztó konstrukciójától függően. Először a nagyobb részecskék válnak ki, majd a kisebbek. 2. Hő- és anyagátadási műveletek: Hőátadás: Hűtés hőelvonás Fűtés hőközlés Az anyagok hűtésére, fűtésére a hőcserélők alkalmasak. Rekuperatív hőcsere: a környezettechnológiai folyamatokban a rekuperatív hőcserét alkalmazzák. A kémiai technológiában regeneratív hőcseréről is beszélhetünk. A fal mentén érintkezik a hideg és a meleg fluidum, a melegből átadódik a hő a hidegnek, ami egyre inkább felmelegszik, míg a meleg lehűl. Egyenáramú hőcsere: Ellenáramú hőcsere: A két fluidum áramlási iránya megegyezik. A két fluidum áramlási iránya ellentétes. A leghidegebb találkozik a legmelegebbel. A leghidegebb találkozik a legkevésbé meleggel meleg hideg T T Τ 2 Τ 1 T T l (hõcserélõ hossza) l (hõcserélõ hossza) A hőcsere hajtóereje a T (hőmérsékletkülönbség). Az egyenáramú hőcserélőnél a hőmérsékletkülönbség (hajtóerő) csökken a hőcserélő végéhez közeledve. Az ellenáramú hőcserélő esetén a hőmérsékletkülönbség (hajtóerő) állandó. Q = k F T m Q = k F T Q átadott hő T = állandó k arányossági tényező F felület T 2 - T T m = T ln T logaritmikus középhőmérséklet

10 A hőcserélő falában valamilyen vezetés mentén változik a hőmérséklet. A vezetés milyensége a hőcserélő anyagától függ, ha hőszigetelő akkor nem jó a hőcsere, ezért fémből készítik, ami jó hővezető. hideg Csőköteges hőcserélő: ellenáramú meleg* meleg hideg* Hűtés vagy fűtés: - közvetett: falon keresztüli hőátadás (lásd előbb) - közvetlen hűtés: a hűtendő gázt beáramoltatjuk a toronyba. A hűtőfolyadékot bepermetezzük a torony tetején, amely cseppek formájában hullik le a toronyban, miközben a gáz ellenáramban áramlik fölfele. A hideg víz lehűti a meleg gázt, de a vízben oldható gázkomponensek is eltávoznak a gázból. Elsősorban hűtés akarunk, de mellette a gáz mosása is lejátszódik. Ha a gáz 700ºC-os, akkor a víz is elpárolog (távozik 200 ºC-osan), alul nem jön ki semmi, ha 200 ºC-nál magasabb forráspontú komponens nincs a rendszerben, de ha van, akkor az a vízzel kondenzál. o 700 C gáz o 200 C gáz

11 Anyagátadási műveletek: anyag-, komponens átmenet (transzport) a fázisok (szilárd, folyadék, gáz) között. Többkomponensű rendszerek anyagforgalmai: 1. Abszorpció: gáz molekulák bejutnak a folyadékba, illetve kijutnak. Mindig dinamikus egyensúly kíséri, a hajtóerő a kémiai potenciál vagy a koncentráció különbség, ami fennáll az adott komponensre nézve a gázfázisbeli és folyadék fázisbeli koncentráció között. Az adott komponens koncentrációja a c i, a gázfázisban általában az adott komponens parciális nyomása szerepel (p i ). A gázfázis össznyomása egyenlő a komponensek parciális nyomásainak összegével. Az abszorpcióra a Henry-törvény (c i ~ H p i ) érvényes, ahol a H a Henry-koefficiens. Abszorpció pl.: az oxigén oldódása a vízben, de a vízbe kerülő monomolekuláris (egy molekulasorból álló filmréteg) kőolajréteg képes az oxigén oldódását megakadályozni. A gázok oldhatósága hőmérsékletfüggő: növelve a hőmérsékletet csökken a gázok oldhatósága. G C i (p i ) F C i Folyadék recirkulációs, ellenáramú abszorber: folyadék gáz gáz folyadék A felület növelésére az abszorbert Raschig-gyűrűvel, henger alakú testekkel töltjük meg, amelyeknek a magassága megegyezik az átmérőjével (h=d), így a felület legnagyobb méretű: A gázokat mindig alul vezetik be, a folyadék felülről csörgedezik le, filmként borítva be a töltetet. A film felületén történik az abszorpció, azaz a gázból beoldódik a megfelelő komponens a folyadékba, amit el kívánunk nyeletni a folyadékban. Az alul kijövő oldatot visszavezetjük (recirkuláltatjuk) a gazdaságosság érdekében az abszorber tetejére. 2. Extrakció: egy komponens transzportja két, egymással nem reagáló, nem elegyedő folyadék között. Egyensúlyra vezető folyamat. Az adott komponens koncentrációja az egyik folyadékban: c i1, a másikban a c i2. A két koncentráció viszonyát a megoszlási hányados (K=c i1 /c i2 ) mutatja meg. Pl.: fenol került a vízbe toluollal extrahálható és utána a befogadóba vezethető a víz. F 2 F 1 C i2 Ci1

12 Desztilláció: a folyadékban lévő sokféle komponens szétválasztása a forráspontkülönbségek alapján. A frakcionált desztillációnál a szétválasztás során kondenzáció is lejátszódik, egyensúlyi desztilláció révén, az egyensúly beáll, de a környezeti helyzetben a frakcionált desztilláció ritkán fordul elő. A vegyiparban a kőolaj frakcionált desztillációja nélkül nem lehetne benzint, petróleumot, kenőolajat, stb. előállítani. Az elszennyezett oldószereket desztillációval regeneráljuk, az oldatból az oldószert ledesztilláljuk. Bepárlás: az oldószer forráspontja körül melegítve az oldatot, elpárologtatjuk az oldószert, ezáltal töményítjük az oldatot. A folyamat visszafelé nem játszódik le, mert állandóan melegítjük a rendszert. 4. Kristályosítás: folyadékból szilárd fázisra történő anyagtranszportot szorgalmazunk, az ellentétes irányú folyamat mindig lejátszódik. A szilárd felület piciny kis gócok formájában található az oldatban (ez a túltelített oldat), amelyekre az oldott komponens diffúzióval odajutva kiválik (kikristályosodik). Ha csak a kis, kolloid méretű gócokat tudjuk előállítani, nincs elég idő a kristályosításra, akkor nehézségekbe ütközik a fázisszétválasztás, nem lehet a gócokat ülepíteni, nem lehet leszűrni. A kristályosítás sebessége a koncentráció gradienssel arányos (koncentráció gradiens: koncentrációkülönbség egységnyi úthosszon). Túltelített oldatról lévén szó c tovább nem növelhető. A diffúziós úthosszat folyamatos keveréssel lehet csökkenteni. G F (F~ΣFi) F Sz 5. Adszorpció: szilárd felületen történő megkötődés, G csak a felületig jut el a gáz, majd eldiffundál. Adszorpció-deszorpció váltakozik. Minden Sz környezetre káros gázkomponenst, amit nem akarunk a környezetbe kijutatni, valamilyen adszorbensen vezetjük át, a legelterjedtebb adszorbens az aktív szén. Ellenáramú adszorber: alulról bevezetett gáz valamely komponensét meg akarjuk kötni adszorberen. Aktív szénnel (adszorbenssel) töltjük meg az oszlopot, addig folytatjuk az adszorpciót, míg nem telítődik az adszorbens, ekkor az adszorbenst regenerálni kell. A gáz regenerálás során folyadékkal leoldjuk az adszorbensre rárakodott szennyezőanyagot (a szaggatott nyílak

13 mentén) vagy vízgőzt vezetünk be a gáz helyett az aktív helyekről távolítjuk el az odakötődőtt anyagokat, így újra használható az adszorbens. Minden olyan műveletnél, amelynél a fázishatáron játszódik le az anyagtranszport, nagy szerepe van a felületnek. Minél nagyobb felületet tudunk kialakítani, annál jobban lejátszódik az anyagtranszport, pl. a pici gócok fajlagos felülete nagy. A szennyezés elválasztása, koncentrálása fizikai módszerrel Mielőtt a szennyezett anyagáram kikerülne a környezetbe, azelőtt meg kell tisztítani, el kell választani a szennyezőanyagot az anyagáramtól, és az csak utána juthat a környezetbe. Ennek érdekében be kell avatkozni. A beavatkozás függ attól, hogy milyen a szennyezőanyag minősége, mennyisége, összetétele, tartós-e, milyen a hatása, valamint, hogy melyik a legolcsóbb (!) megoldás. A környezet megóvása, védelme óriási összeget emészt fel, amelyet a szennyezőnek kell állnia ( szennyező fizet elv értelmében). A szennyezőnek a beavatkozást, azaz a környezettechnológiát (hogy ne is kerüljön ki szennyezet anyagáram!) és a kár felszámolását kell állnia. Jogszabályi kérdés a beavatkozás kikényszerítése az üzemtől. A szennyezés elválasztás, koncentrálás fizikai módszereinek elve: a szennyezés molekuláris összetétele változatlan marad, koncentrációja viszont jelentősen megnő. A kezelt szennyezett anyagáram már veszélytelen a környezetre, esetleg újra hasznosítható. Pl.: (1) a szennyezett anyagáram egy só-oldat, akkor a sótartalmát kivonva egy híg oldat jut a környezetbe, molekulárisan nincs változás, a nátrium-klorid molekula összetételében nem okoztunk változást, csak az oldat só-koncentrációja változott meg. (2) a romániai zagytározóból nagy mennyiségű nehézfém tartalmú iszap érkezik a folyón keresztül, az iszap mechanikai szennyezést jelent a szennyezést illetően. Ennek környezetkárosító hatását tározó építéssel lehetne megoldani, ahol leülepszik az iszap. A só vagy a zagy tovább hasznosítható a kinyerés után. A megoldás a koncentrált szennyezőanyag sajátságai szerint: erősen toxikus szennyezők esetében (a kivonás után) meg kell semmisíteni az anyagot a koncentrált szennyező komponens hasznosítása (Cu kinyerése híg szennyvízből, majd a fém Cu előállítása a tömény oldatból) ellenőrzött lerakás hulladéktárolón (depóniák), ha az anyag hasznosítása nem gazdaságos, a depóniák állandó ellenőrzése nagyon fontos feladat. Fizikai elválasztási eljárások csoportosítása: A. Fázis elválasztási eljárások B. Molekuláris elválasztási eljárások A. Fázis elválasztási eljárások A szennyezett anyagáram összetétele: szennyező komponens külön fázist alkot a nem szennyező fázisban (diszperz rendszerek). Cél: a diszperz, szennyezőanyag-áramból a szennyező komponens eltávolítása.

14 Pl.: Lebegő vagy szilárd szennyezőanyag a szennyvízben tározóban kiülepítik vagy szűréssel a víz megtisztul, a szűrő pogácsa (lepény) tartalmazza a szennyezőanyagot és a kis mennyiségű vizet (szűrletet) a pórusok között, (a 25% szárazanyagot tartalmazó szűrő pogácsa már lapátolható) nem rakhatják depóniára, mert a szűrlet kicsoroghat és elszennyezheti az alatta lévő talajt, a megfelelő szigetelés nélkül. Por szemcsék (diszperz rendszer) füstgázokban elektrosztatikus porleválasztó alkalmazása pormentes füstgáz és pernye az eredmény. Pl.: XV. kerületi hulladékégető Fázis elválasztás elve: Fázis szétválasztás megvalósítási módja: 1. nehézségi erőtérben (gravitáció) Ülepítés, flotálás 2. centrifugális erőtér Ciklonok, centrifugák 3. mechanikus akadályok az áramló közegben Ütköztetők 4. porózus közegen átáramoltatás Szitálás, szűrés 5. újabb fázissal való érintkeztetés keveréssel Permetezés (gázokból finom cseppek gyűjtése) 6. elektromos erőtérben Elektromos porleválasztók 7. mágneses térben Dúsítók A táblázatban szereplő fázis szétválasztó módszerek bemutatása: 1. Ülepítés: a hosszanti átfolyású ülepítő: betáplálás kifolyás Az áramlás az áramlási sebesség függvényében viszi magával a kiülepítendő, szilárd részecskéket, amelyekre hat a gravitáció. A részecskék nagyságától és a sűrűségétől függően ülepednek ki a részecskék gyorsan, illetve lassabban. Az ülepítő feneke ferde, így összegyűlnek a kiülepedett részecskék, ennek neve az iszap zsomp. Bizonyos részecskék azonban nem tudnak ebben a gravitációs térben áramló folyadékban kiülepedni, azok tovább mennek a folyadékkal, nem lehet teljesen lebegőanyag mentesíteni a folyadékot. A kiülepedést a részecske és a folyadék közötti sűrűségkülönbség, a részecske mérete és az áramlási viszonyok határozzák meg. Ha a folyadékáramlás lassú, akkor sok részecske ülepedik ki, de kevesebb folyadékot lehet így ülepíteni. Flotálás: nagyon finom eloszlásban levegő buborékot jutattunk a rendszerbe. A víz által rosszul nedvesíthető részecske felületéhez a levegő buborékok hozzá fognak kapcsolódni, és ha a rendszerbe flotálószert is jutattunk (szaggatott nyíllal jelölve), akkor a szemcsék összekapcsolódnak nagyobb konglomerátummá. A szilárd fázisú részecskehalmaz a folyadék felszínére kerül, felfelé mozog (flotál), nem ülepedik ki, így lekanalazhatók, lefölözhetők a folyadék felszínéről felső kotróval. o 2 flotálószer :::: ::

15 Centrifugálás: a gravitációs erőteret megnöveljük egy centrifugális erőtérré, ilyen készülékek a ciklonok és a centrifugák, amelyekben a szennyezőanyag transzporttól elválasztjuk a szilárd szennyező komponenst. A centrifugát elsősorban a szilárd anyag folyadékból történő elválasztására használják, míg ciklont a szilárd anyag gázból történő elválasztására. A szennyezett gázt tangenciálisan vezetik be a ciklonba, amelyben egy üres cső található. A gáz beleütközik a csőbe, amelynek hatására spirál mozgásban halad lefele, minden ütközés során a részecske veszít energiájából, így legvégén kikerül a légáramlatból és alul összegyűlik. A megtisztított gáz a csövön keresztül felül hagyja el a rendszert. Pl.: füstgázok portalanítására. 3. Mechanikai ütköztetők: a gázból a szilárd részecskék eltávolítására alkalmazható. A gáz útjába terelőfalakat teszünk, amibe a gáz beleütközik, a részecskék kihullanak az ütközés következtében, ezt követően alul összegyűjthetők. 4. Porózus közegen történő átáramoltatás gázok esetén: szilárd részecskék eltávolítására. Ennek a megvalósítási módja a szűrés, amely során a szűrő közeg nyílásánál kisebb méretű részecskék lesznek képesek átjutni a szűrő közegen. A nagyobbak nem jutnak át, míg a pont akkora méretűek eltömítik azt. A szűrő közeg pórusméretének megválasztása nagyon fontos feladat, hogy képes legyen a részecskék nagy részét megszűrni a szennyezett anyagáramtól. A több rétegű szűrőanyagból álló szűrők a cartridge-ok (szűrőcsövek), amelyről a kiszűrt szennyezőanyagot rázással mechanikusan távolítjuk el. 5. Újabb fázissal való érintkeztetés keveréssel: a gáz útjába finom permet formájában folyadék érkezik, amiből cseppek képződnek, ezek nedvesítik, és magukkal viszik a szilárd, szennyező részecskéket, amelyek így eltávolíthatók, kimoshatók a gázáramból. gáz folyadék 6. Elektromos erőtér: elektromos porleválasztók esetén a szilárd részecskéket negatív töltéssel töltjük fel, így azok a pozitív elektródon semlegesítődve kerülnek ki a gázáramból folyamatos gázáram 7. Mágneses térben: a mágnesezhető részecskéket lehet mozgatni, pl.: a vaskohászatban a mágnesezhető porok kinyerésére alkalmazható lenne, de nagyon energiaigényes folyamat a mágneses tér fenntartása. A bemutatott elválasztási elvek egymással kombinálhatók, részletes bemutatásra kerüli az adott témák keretében.

16 A fázis elválasztással megoldható problémák: (Sz-szilárd, F-folyadék, G-gáz) Sz/G por füstgázban G/Sz talajlevegőztetés: a szennyezett talajon levegőt áramoltatnak át, ami magával viszi a szennyezőt F/G ködeltávolítás G/F habok Sz/Sz szennyezett talaj szitálás F/F finom olajcseppek elkülönítése víztől B. Molekuláris elválasztási eljárások A szennyezett anyagáram összetétele: a szennyező komponens nem alkot külön fázist, pl.: gázkeverékekből az egyik komponens eltávolítása. Az elválasztás a különféle anyagok eltérő kémiai sajátosságain (illékonyság) alapulnak anyagátadási műveletek során. A gáz elegyből az illékony komponens elkülönítése (pl.: oldószergőzök) történhet: abszorpcióval adszorpcióval (lásd korábban) Pl.: illékony szennyezőanyag (benzin) eltávolítására szennyvízből, benzin-víz keverékből kiindulva a következő feladatokat kell végrehajtani: (1) Levegő átbuborékoltatása: a benzint levegőztetéssel ki lehet űzni. (2) A benzingőzök adszorpciója aktív szénen (3) Aktív szén regenerálása, általában vízgőzzel regenerálják A benzinnel szennyezett vizet felülről, alulról pedig a levegőt vezetjük be a töltött toronyba (abszorber), ahol deszorpció játszódik le (1). Az átáramoltatott levegő segítségével kiűzzük a benzingőzt, de vigyázni kell, mert a levegő-benzingőz gázkeverék robbanó elegyet képez. A robbanó elegyek az alsó és a felső robbanási határ között robbannak, tilos a két határ között előállítani az elegyet. A benzingőz gyorsan végigfut a felületen akciófilmek látványát adják. A benzin-levegő elegyet nem engedjük ki a levegőbe, hanem aktív szenes adszorberbe vezetjük be (2), a benzingőz megkötődik az aktív szénen, és tiszta levegő kerül ki (ld. folyamatábrát). Az aktív szenet regenerálni kell (3) vízgőzzel (ha a szénből kellő mennyiség áll rendelkezésre, akkor elégethető). Végeredményként kis térfogatban kapunk vízgőzdesztillációval kinyert vizes benzin oldatot, amelyet desztillációval szétválasztva kis mennyiségben benzint kapunk, amit felhasználhatunk. benzinnel szennyezett víz levegõ-benzin elegy tiszta levegõ levegõ aktív szén tiszta víz Ha e technológiai folyamat eredményességével, hatékonyságával nem vagyunk megelégedve, akkor új technológiát kell keresni a folyamat végrehajtásához. A környezettechnológiában

17 fontos elv, hogy az olcsó megoldási elvet alkalmazzuk, lehetőség szerint hulladék anyag felhasználásával, ekkor két feladat oldható meg egyszerre.

18 előadás A környezettechnológia megoldási elvei A szennyezést tartalmazó rendszer érintkeztetése egy másik fázisú közeggel, mindig komponenstranszport révén, valamilyen anyagátadási műveletekkel történik: Az újabb közeg: Művelet: (1) gáz, pl.: levegő Deszorpció (stripping = gázzal történő kibuborékoltatás) (2) szilárd, pl.: aktív szén Adszorpció (3) folyadék, a szennyező közeggel nem Extrakció elegyedő (4) membrán Szelektív diffúzió membránon (3) folyamatos folyadék/folyadék extraktor működésének folyamatábrája: desztilláció nem elegyedő folyadék bevezetése a folyadék bevezetése A szennyező komponens átkerül az egyik oldatfázisból, a másik oldatfázisba. A két folyadék fázis egymással nem elegyedik, ezt a határfelületet a szaggatott vonal jelzi az ábrán. A szennyezést tartalmazó híg oldatból a szennyező komponens nagyobb áramlási sebességgel átjut a másik folyadék fázisba, ha az jobban oldja és ott egy töményebb oldat alakul ki. A töményebb oldatot desztillációval szét lehet választani, a szennyező komponens így visszanyerhető és hasznosítani lehet. (4) a membránok általában szintetikus polimerek, a legismertebb a celofán. A vízkezelés, vízvizsgálatban elterjedt a 0,45 µm-es pórusátmérőjű membránlap, az ennél nagyobb komponensek fent maradnak a membránon. A membránok a vizek lebegőanyag tartalmának eltávolítására alkalmazhatók. A 0,2 µm-es pórusátmérőjű membránlap a baktériumok szűrésére is alkalmas. Vannak olyan membránok, amelyek csak bizonyos anyagokat engednek át, ezeken az elválasztás a szelektív diffúzió eredményeképpen fog bekövetkezni. Intenzívebbé tehetjük az elválasztást, ha melegítjük a rendszert. Hőközlés a rendszerrel a párolgás növelésére: a szennyező komponens illékonysága megnövekszik, a következő lépés ezután a gáztisztítás lépése. Meleg rendszer esetén pedig hőt vonhatunk el a rendszertől. Hőelvonás a rendszerből az oldhatóság csökkentésére: a kevésbé jól oldódó komponens kikristályosodik, amit szűréssel távolíthatunk el. A legtöbb anyag oldhatósága csökken a hőmérséklettel, így egymástól elválaszthatók. A nátrium-klorid oldhatósága alig változik a hőmérséklet emelésével.

19 Az elválasztási elvek az anyagi sajátságok figyelembevételével esetleg bizonyos változtatásokkal alkalmazhatóak. A meghatározó anyagi sajátosságok: A szennyező komponens illékonysága. Pl. Ha a víz tenziója lesz a magasabb a benne lévő szennyezőanyaghoz képest, akkor ezt a módszert nem alkalmazhatjuk. A szennyezőanyag oldhatósága Elektromos felületi töltés: Pl. füst vagy köd típusú rendszerek esetén Az adszorpciós kötődés: Pl. rossz adszorbens esetén a tisztítás nem hatékony A szorbensek felületi aktivitása Molekula méret: Pl. a celofánon a nagy méretű huminsav nem megy át, de a különféle ionok átmennek, mert átférnek a membrán pórusain. Az élő szervezetek sejtfala is membrán, ha szennyező átjut, akkor sérül az élő szervezet. Ha a nehézfém egy nagy molekulához kapcsolódik (pl.: nehézfém-huminsav vagy nehézfém-fehérje komplexként van jelen), akkor nem biztos, hogy átjut a sejtfalon, ezért fontos tudni, hogy milyen formában van jelen a szennyező komponens, pl.: a nehézfém. Mágnesezhetőség: Pl. a vasporok szétválasztására. Molekuláris diffúzió a membrán folyamatoknál. Azokat a szennyezőanyagokat, amelyek eltávolítása fizikai elválasztással nem megoldható (mert például oldott formában találhatóak) át kell alakítani. Az átalakítás során a szennyező komponens kémiai folyamatokban vagy mikroorganizmusok segítségével átalakul a környezetet nem veszélyeztető, vagy kevésbé veszélyes komponenssé (anyaggá), ami már könnyebben elválasztható (eltávolítható), mint az eredeti szennyezőanyag. Olyan kémiai reakciókat kell keresni, amelyben a szennyező komponens csapadékot képez vagy gáz fázisba kerül, így fizikai elválasztása megoldható. Ennek az átalakításnak kétféle módja van. Ennek a bemutatására kerül most sor. Az átalakítási eljárások csoportosítása: A. kémiai átalakítási eljárások B. mikrobiológiai átalakítási eljárások vagy a mikroorganizmusok által termelt enzimek segítségével történő eljárások. A mikroszervezetek kémiai folyamatok sorozatát hajtják végre. A. Kémiai átalakítási eljárások A kémiai átalakítás kémiai reakciók segítségével történik. Az eljárás során korlátozott (kisebb) mennyiségben más szennyező (szennyezettebb) anyagáram keletkezik (ld. folyamatábra). Kedvezőbb esetben az átalakítás eredményeképpen a kémiai reakció során kevésbé szennyezett anyagáram jön létre, mert a szennyező komponens kémiai reakció során átalakul. bavatkozás kémiai folyamattal szenyezett anyagáram tiszta anyagáram szennyezettebb anyagáram

20 Pl.: kommunális hulladék égetése során keletkező anyagok (Bp., XV. kerületi égetőmű): - hamu (visszamaradó szilárd anyag), amelyben a nehézfémek nehézfémoxidok formájában szennyezésként találhatók - füstgázokkal pernye is távozik (pernye = por), pl.: dioxinokat tartalmazó szennyezések, amelyek magas halogén tartalmú vegyület égetése (PVC) során képződnek. A dioxinok nincsenek a hulladékban, de az égetés során képződhetnek. A dioxinokat (szubsztituált klórt tartalmazó, két benzolgyűrűs vegyületek), dibenzofuránokat is lásd később. A kémiai reakciók, amellyekkel a szennyezett anyagáramokat átalakíthatjuk az következők lehetnek: oxidáció (égés) magas hőmérsékleten. Az égetéshez szükség van: éghető anyagra, oxigénre, és energiára (hő), amely biztosítja, hogy az anyag elérje a gyulladási hőmérsékletét, csak a gyulladási hőmérsékleten kezd el égni az éghető anyag. A dioxinok C fölött nem képződnek, ezért ezt a hőmérsékletet meg kell haladni. nedves oxidáció (magas hőmérsékleten, vizes fázisban) porlasztással valósítható meg. pl.: szennyvizet beporlasztják és elégetik. A cél a minél tökéletesebb égetés, a szerves anyagok tökéletes égetése során keletkező anyagok: a széntartalom szén-dioxiddá, a H-tartalom vízzé, a N-tartalom NO x gázokká, a S- tartalom kén-dioxiddá, amiből a légkörben kén-trioxid képződhet. oxidáció alacsony hőmérsékleten erős oxidálószerekkel (O 3, H 2 O 2, KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 Cr(VI) erősen mérgező!), oxigénben dús levegővel vagy tiszta oxigénnel történő égetés (vigyázzunk, mert robbanó elegy képződhet). Az ózont mindig helyben kell előállítani ózongenerátorral, oxigénben történő csendes elektromos kisülések következtében keletkezik az ózon. redukció halogénmentesítés a halogénezett szerves vegyületek esetén: triklór-etilén, perklór-etilén (ezek zsíroldó tisztítószerek), stb. Szekszárdon került ki sok triklór-etilén, perklór-etilén a környezetbe. hidrolízis: a vízzel való kémiai reakció során átalakul a szennyező komponens a nehézfémek esetén a csapadékképzésre törekszünk (kicsi legyen az oldhatósága), a csapadékképzést a helyszínen végezzük el, mert nem szállítható el, úgy kell megoldani, hogy utána ne okozzon problémát a szennyező komponens. A Cr(VI) szennyezés esetén (Monor) Cr(III) -at kell előállítani, ezt Fe(II) adagolásával oldják meg, amiből Fe(III) lesz. A Cr(VI) oxidálta a Fe(II)-t Fe(III)-má, míg maga redukálódott. A közeg ph-jának olyannak kell lenni, hogy a Cr(III) hidroxid formájában [Cr(OH) 3 ] váljon le, amely rosszul oldódó csapadék és a toxikussága is csökkent. pirolízis: melegítés hatására bekövetkező bomlás, a nagyobb szénatomszámú szénhidrogén pirolízisével kisebb szénatomszámú szénhidrogéneket lehet előállítani. A kis tenziójú szénhidrogénekből olyan komponenseket lehet előállítani, amelyek tenziója megnő, sőt gáz halmazállapotúvá lehet tenni, ez a pirolízis hőfokának függvénye. Pl.: talajszennyezés esetén szuperkritikus oxidáció: extrém nyomás, hőmérséklet melletti oxidáció szuperkritikus extrakció: cseppfolyós CO 2 az oldószer

21 B. Mikrobiológiai átalakítási eljárások A mikrobiológiai átalakítási folyamatok mikroorganizmusok segítségével történnek, miközben a szervezetek táplálkoznak és szaporodnak, élvezettel fogyasztják a szennyező komponenst táplálékként, így átalakítják a szennyezőanyagokat. A keletkezett sejttömeget fázisszétválasztási művelettel lehet elválasztani a tisztított fázistól (ld. folyamatábra). élõ szervezetek szenyezett anyagáram tiszta anyagáram Pl.: szerves anyagok átalakítása, aerob körülmények között, miközben CO 2, H 2 O, (NH 3 -kis mennyiségben) képződik - oxidáció. (megsemmisítés) szerves anyagok átalakítása anaerob körülmények között, melynek során CH 4, biogáz (CH 4, CO 2 ), NH 3, H 2 S keletkezik. A képződött biogáz hasznos anyag, amelynek energiája ellátja a termelőgazdaságot (újrahasznosítás). Pl.: trágyából, híg trágyából vagy szennyvíziszapból is. hulladékból a nehézfémek vízoldhatóvá tétele (Thiobacillus), majd kémiai átalakítást követő fázisszétválasztás után a nehézfém visszanyerése A mikrobiológiai átalakítások lehetnek: élõ szervezetek Átalakítandó vegyületek: Keletkezett vegyületek: Szerves N-tartalmú anyagok (fehérjék) NH 3 NH 3 NO - 3 (nitrifikáció) - NO 3 N 2 (denitrifikáció) Szerves anyag (aerob) CO 2, H 2 O Szerves anyag (anaerob) CH 4 Szulfátok Szulfidok H 2 S parciális oxidációja Elemi S Mikrobiológiai eljárással szerves hulladékokból előállíthatók: alkoholok (cukor alkohol, törkölyt desztillálják ki a szőlő héjából, miután trágya lesz belőle), aminosavak, fehérjék, foszfor-tartalmú vegyületek. Ezek eltávolíthatók a szennyvízből, a halogén tartalmú vegyületek halogén mentesíthetők. A mikrobiológiai folyamatokat befolyásoló legfontosabb tényezők: A komponens molekula kémiai szerkezete, csak a nyílt láncú szénhidrogéneket szeretik a mikrobák

22 A komponens biológiai bonthatósága (bioavailability): pl.: a molekula nem tehető vízoldhatóvá, akkor nem bontható le a mikrobák által. PAH benz[a]pirén a legkarcinogénebb: o Vízoldhatatlan Vízoldható A benz[a]pirén vízoldhatatlan mindaddig, míg enzimatikusan egy oxigén hídkötést nem tudnak kialakítani a molekulában. Ha a szervezetben egy adott enzim elvégzi az oxidációs reakciót, amelynek eredményeképpen az oxigén kötés kialakul, a molekula vízoldható lesz és kifejti karcinogén hatását. PAH-okat a tökéletlen égés (közlekedés) produkál, de megtalálhatóak a pirítós kenyérben, a füstölt húsban is. Elektonakceptor jelenléte könnyíti a folyamatokat. A szennyező komponens koncentrációja is meghatározó, mert ha a tömény szénhidrogén elegyből hiányzik a víz, akkor nem tudnak elszaporodni a mikroorganizmusok. Tápanyagok (N, P, K, nyomelemek) koncentrációja, pl.: ha nincs megfelelő mennyiségben, akkor szükséges a műtrágyázás. Szénhidrogénnel szennyezett talaj esetén szükséges a talaj műtrágyázása a mikrobiális folyamatok lejátszódásához. Nedvességtartalom ph, a legtöbb élő szervezet a semleges ph-tartományban működik optimálisan. A savtermelő baktériumok a 3-4-es ph-t is elviselik. Ha a rendszernek nincs pufferkapacitása, akkor ez gondot okozhat a folyamat lejátszódásakor. Hőmérséklet: a termofil baktériumok a komposztálásnál magasabb hőmérsékleten érzik jól magukat Összefoglalva a kémiai és a mikrobiológiai átalakítási eljárásokat folyamatábrával: A szennyezett anyagáramot (pl.: szennyvíz) a keverő berendezésben (K) összekeverjük a megfelelő anyaggal, utána bevezetjük a reaktorba, ahol lejátszódnak a megfelelő kémiai, biokémiai folyamatok. A reaktor után következik az elválasztó (E), ahol a szennyezőanyagot elválasztottuk a tisztított anyagáramtól. A megsemmisítésnél, ahol CO 2, víz képződik, nem lesz szennyezőanyag az elválasztás után, ezt az ábrán a két párhuzamos fekete vonal jelzi. A biogáz termelésnél nem szennyezőanyagot fogunk kapni, hanem a hasznosítható biogázt, amit elválasztottunk a tisztított anyagáramtól. A fizikai elválasztás esetén hiányzik a hozzáadott anyag, mert nem átalakítás történik, hanem elválasztás, ekkor a szaggatott párhuzamos vonalak közötti rész nincsen. Mindegyik esetben a cél a szennyezett anyagáramból történő tisztított anyagáram élőállítása. szennyezett anyagáram * * tisztított K Reaktor E anyagáram szennyezõ anyag

23 Az eljárás hatékonyságát megállapíthatjuk, ha mintát veszünk a folyamat elején és a végén (a csillaggal jelölt helyeken) és vizsgáljuk az adott komponens koncentrációjának változását. A szennyvíztisztítás hatékonysága azzal mérhető le, ha megvizsgáljuk a szennyezett anyagáram kémiai oxigénigényét (KOI azzal az oxidálószer-mennyiséggel ekvivalens oxigén mg/dm 3 mennyiségben, amely a szerves és szervetlen (oxidálható) anyagok oxidáláshoz szükséges - lásd később) majd megvizsgáljuk a tisztított anyagáram kémiai oxigénigényét is, ha a két adat közötti különbség nagy, akkor hatékony a tisztítás. 90% körüli hatékonyság esetén működik hatékonyan a szennyvíztisztító telep. A hatékonyság az eltávolított szennyezőanyag mennyiség/az eredeti mennyiség. Ez a bemutatott séma jól alkalmazható az in-situ és ex-situ probléma elhárítás esetén is. A bemutatott rendszer működhet: szakaszosan: A szakaszos eljárás működési elve: az eljárás során alkalmazott műveletek időben egymástól jól elkülönülnek, periodikusan ismétlődnek. folyamatosan: Működési elve: az adott rendszerbe folyamatos anyagáram kerül, és ugyanannyi anyagáram távozik. Az anyagáramok időben állandóak, ez a működési elv a stacioner működési elv. Bármely műveleti egység működést befolyásoló intenzív jellemzők időben állandóak a rendszer bármely pontján, akkor stacioneren működik. Intenzív jellemzők: függetlenek az anyag mennyiségétől, pl.: nyomás, hőmérséklet, koncentráció, anyagáram, térfogatáram, entrópia, sűrűség. Az extenzív jellemzők: az anyag-mennyiséggel arányosak, pl.: tömeg, térfogat. Pl. az ábrán látható reaktorban lejátszatunk egy kémiai reakciót folyamatos anyagárammal, de a kívánt kémiai reakció csak a megfelelő hőmérsékleten játszódik le (a szaggatott vonalak közötti terület). A reaktor elején az anyagáramot fel kell melegíteni a kívánt hőmérsékletre, hogy a reakció lejátszódjon, majd a távozó anyagáram le fog hűlni a reaktor végén. Fontos kérdés, hogy mekkora az a reaktor-térfogat szakasz, ahol a kívánt átalakítási folyamat a leghatékonyabban játszódik le, valamint, hogy mekkora az a tartózkodási idő, amely szükséges a hatékony átalakítási folyamathoz. T h Az átalakítási folyamatokat reaktorokban végzik. A legegyszerűbb reaktor a szakaszos, nem stacioner tartály (tank) reaktor (ábra). Működése: beletöltik az adott mennyiségű, szennyezett anyagot (nem folyamatos anyagáram), majd lejátszatják a kívánt folyamatokat, és legvégül kiürítik a reaktort. A szakaszos működés elve szerint időben jól elkülönülő szakaszokból áll a működése. A működési szakaszokat idő függvényében ábrázolva az alábbi ábrát kapjuk. Az azonos művelettől, az azonos műveletig eltelt időt nevezzük egy szakasznak. Az egy szakaszon belül átalakított/előállított anyagot sarzsnak nevezzük a technológiában. reakció levezetése készülék töltés ûrítés tisztítás mûveletek óra

24 A szakaszos és folyamatos reaktorok összehasonlítása: A szennyező komponens koncentrációjának (c) változását vizsgáljuk az időben. A kiindulási koncentráció a c o. A végső koncentráció a c v. A rendszeren belül a hellyel is változhat a koncentráció. Koncentráció eloszlás: Reaktor: idő: hely: Tartály (tank) reaktor: c c c c o v c c o v t=o t=t v szakaszos, nem stacionárius t v t Minden helyen van c o és c v is, mert összekeveredtek. y Folyamatos csőreaktor: c c c o c v c o y=o c o Folyamatos, stacionárius a hossza jelentősen nagyobb, mint az átmérője (L>>d). c v y=l Időben állandó, t a reaktor adott helyén. c v y v y A tartózkodási idő τ = a reaktor térfogat (V) / betáplálás (a rendszerbe jutatott anyagáram, jele: B). τ = V/B. Ha nő a betáplálás, akkor csökken a tartózkodási idő. Folyamatos, stacionárius tartály (kevert) reaktor: c c c c o v c c o v Stacioner működés t A keverés miatt a végkoncentráció megtalálható a rendszer bármely pontján. t Ebben az esetben tartózkodási idő eloszlásról beszélhetünk. Átalagos tartózkodási idő: τ = valóságos / reális rendszer tartózkodási ideje. Ha sok kevert tartály reaktort sorba kapcsolunk össze, akkor kaszkád reaktorsort kapunk, amellyel közelíthetjük a folyamatos csőreaktor működési elvét.

25 előadás A környezettechnológiában alkalmazott ismeretek A következőben részletesen bemutatásra kerülnek a környezettechnológiában alkalmazott fogalmak, berendezések, ismeretek. 1. Vegyipari készülékek, vegyipari reaktorok: A tisztítási műveleteket ipari készülékekben, a kémiai, biológiai folyamatokat reaktorokban hajtják végre. Az alkalmazott készülékek lehetnek egyszerűek vagy bonyolultak. A berendezések anyaga és mérete függ a tisztítandó anyagok összetételétől, az alkalmazott eljárástól. A mechanikai / hidraulikai (fizikai) műveletek és készülékeik: Szállítás: készülékei a szállító berendezések: csövek, szivattyúk, kompresszorok, szállítószalagok, gépjárművek. Keverés: készülékei a keverők: mechanikus keverők: turbinás-, lapát-, kalodás-, propelleres keverő. A szennyező komponenst kémiai reagenssel csapadék formájában távolítjuk el. Vezetékben juttatjuk el a kémiai reagenst a szennyezőhöz keveréssel, illetve keverés nélkül. Keveréssel: Keverés nélkül: Ha a szennyező komponens el van oszlatva a rendszerben és bejuttaják a kémiai reagenst, de keverés nélkül, nem fognak egymással elkeveredni és nem játszódik le a kémiai reakció. Intenzív keverés esetén nagy valószínűséggel a reakciópartnerek találkoznak és reakció megy végbe. A keverés intenzitása meghatározó jelentőségű. Ha hígabb koncentrációjú reagens-oldatot vezetnek be, ez kedvezőbb, mintha töményebbet, mert akkor egy kisebb lokális inhomogenitás következik be, hiszen nem tudnak nagyon gyorsan elkeveredni egymással a reakciópartnerek. A vízkezelésnél, a gyakorlatban adagolt kémiai reagensek hamar reagálnak valami mással, pl.: ha háromértékű fémiont adagolnak a lebegő részecskék összekapcsolódása céljából. Ekkor a lebegő részecskék a negatív töltésű felületük miatt nem kapcsolódnak össze. A szennyező részecskék nem ülepednek ki, kolloid méretűek. A jelenség megszüntetésére a koagulációs flokkulációs módszert alkalmazzák. Az adagolt Al 3+ ionok képesek áttölteni a részecskék negatív felületi töltését, közelíteni a nulla felé, ekkor a felületi töltés semlegesítődik. Ütközéskor a részecskék már képesek összekapcsolódni. De a víz jelenlétében az Al 3+ ionok hidrolízálnak (10s belül lejátszódik): Al 3+ + H 2 O Al(OH) 3, de Al 3+ a vízben lévő foszfátionokkal is reakcióba léphet. Az ionok között versengés folyik. Ha nem keverem elég intenzíven, akkor nem történik meg a lebegő részecskékkel történő találkozás. Számos keverőtípus létezik. Pl. kalodás keverő: kimerevített keret, az iszap víztelenítésnél alkalmazzák.

26 Ülepítés: készülékei az ülepítők: (Dorr, hosszanti átfolyók, stb.) diszperz rendszerek fázis szétválasztására. Dorr ülepítő, pl.: Dél-pesti Szennyvíztisztító telepen: az ülepítőben kotró kotró berendezés van, amely nem keveri, hanem betereli a zsompba lassú keveréssel a kiülepedett szilárd anyagot. A tisztítandó víz az ülepítő közepére érkezik, a megtisztult víz a bukó éleken keresztül távozik. A szilárd részecske gravitáció hatására lefelé mozog. A részecske kiülepedését a Stokes-törvény írja le: iszapzsomp zsomp 2g v = ( ρ' ρ) r 9η 2 A v a kiülepedő szilárd részecske sebessége, az r a sugara,, az η a közeg viszkozitása, ρ a részecske sűrűsége, ρ a közeg sűrűsége. Hosszanti átfolyású ülepítő, pl.: Észak-pesti Szennyvíztisztító telepen: A kotró alul húzza, tereli az iszapot. Szűrés: fontos fázisszétválasztási módszer. Szűrést alkalmaznak a folyadékban lévő szilárd anyagok, gázokban lévő porrészecskék eltávolítására egyaránt. Lásd füstgáztisztítás. Anyagátadási (diffúziós) műveletek és készülékeik: az egyik fázisból a másik fázisba történő anyagátadási műveletek diffúzióval történnek. Diffúziós műveletek: Abszorpció készülékei az abszorberek: töltött tornyok (lásd előbb) Adszorpció készülékei az adszorberek: töltött tornyok Extrakció: készüléke az extraktor (folyamatos keverés mellett) Ioncsere készülékei az ioncserélők (töltött tornyok). Az ioncsere olyan egyensúlyi folyamat (dinamikus egyensúly), amelynek során az ioncserélő anyag olyan csoportokkal rendelkezik, amelyek disszociáció révén ionokat képesek az oldatba jutatni és ezek helyébe az oldatból ionokat tudnak fogadni. Pl. polisztirol divinilbenzol kopolimerek (térhálós polimer műanyag) lehetnek az ioncserélők anyagai, a benzol gyűrűkön lehet kialakítani a disszociáló csoportokat. Pl.: a karboxil (-COO - H + ) csoportot, szulfonsav (-SO 3 - H + ) csoportot, fenolos hidroxil (-OH)csoportot, ezek kationcserélőként viselkednek, mert protonokat (=hidrogénion) küldenek az oldatba, amelyben Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + van. H-R R-H R-H R-H R-H