Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége

Átírás

1 Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége Dobrovszky Károly Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék Műanyaghulladék menedzsment 4. előadás október 04.

2 Tartalomjegyzék 1. Műanyaghulladékok összeférhetetlensége 2. Műanyaghulladék összetétele ágazatonként 3. Szétválasztási lehetőségek Sűrűség szerinti szétválasztás Optikai Felületmódosítás (kémiai módszer, besugárzás) Mágneses szeparálás Tribo-elektrosztatikus szétválasztás 4. Újfajta szétválasztási lehetőség (tanszéki fejlesztés) 5. Következtetések, összefoglalás Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 2/30

3 Polimerek összeférhetősége PS SAN ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE PET PS 1 SAN 6 1 ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE PET = jól elegyedik egymással, 6 = inkompatibilis egymással Czvikovszky, Nagy, Gaál: A polimertechnika alapjai (2000). Diaszám: 3/30

4 Iparágak műanyagigénye PlasticsEurope: Plastics - the Facts (2012). Diaszám: 4/30

5 Lakossági műanyaghulladék IPTS: End-of-waste criteria for waste plastic (2013). Lakossági műanyaghulladék összetétel (EU 27, 2010.) [%] [kt] LDPE 27, PP 17, HDPE 14, PET 11, PVC 8, PS 6, PUR 2,9 709 ABS, SAN 1,9 458 EPS 1,5 377 PA 1,4 335 PMMA 0,7 180 Más hőre lágyuló 2,0 506 Egyéb 4, : 100 % 24,7 Mt Diaszám: 5/30

6 Hulladék inkompatibilitás PS SAN ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE PET PS 1 SAN 6 1 ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE PET = jól elegyedik egymással, 6 = inkompatibilis egymással Czvikovszky, Nagy, Gaál: A polimertechnika alapjai (2000). Diaszám: 6/30

7 Polimer keverékek, blendek Elegyedő polimerek a két rendszer egy fázist alkot egyetlen üvegesedési hőmérséklet van a hétköznap használt műanyagoknál egészen ritka! Nem-elegyedő polimerek lehűlés után azonnal fázisszétválás, ugyanis a szabadenergia változás pozitív! a két rendszer két különálló fázist alkot kettő, vagy több eltérő üvegesedési hőmérséklet van gyenge kapcsolat fázisok között rossz mechanikai tulajdonság a hétköznap használt műanyag keverékek általában ilyenek! Polimer blendek előzetesen, ömledékállapotban előállított polimer rendszer, az alapanyag több műanyagkomponenst tartalmaz, önálló fázisokban. Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 7/30

8 Nem-elegyedő polimerek Poliolefinek szételegyedése az anyagban (PE/PP/PS keverék) Corroller és Favis. Polymer 52, 3827 (2011). Diaszám: 8/30

9 Együttes feldolgozás? Műanyagtípusok ideális feldolgozási hőmérséklet tartománya Amorf polimer Részben kristályos polimer INCOE: Process temperature guidelines. Diaszám: 9/30

10 Újrahasznosítási fokok Minőségromlás melletti újrahasznosítás (downcycling) Műanyag hulladékáram egyidejű, együttes feldolgozása Minőségtartás melletti újrahasznosítás (recycling) Hulladékáram frakciók szerinti szétválasztása, ismételt újrahasznosítása hasonló termékben Minőségnövelt újrahasznosítás (upcycling, upgrading) Szeparált frakciók szálerősítése, adalékok, megfelelő feldolgozás Dobrovszky K.: Polimerek újfajta szétválasztási lehetősége, Mechanoplas (2013). Diaszám: 10/30

11 Műanyaghulladék szeparálás Sűrűségkülönbség szerinti szétválasztás Száraz vagy nedves eljárással v 1 Előny: általában olcsó eljárás nagy kihozatal automatizálható könnyen v 2 Nagy: Szétválasztási eljárások. Miskolci Egyetem (2011). Hátrány: egy elválasztási határ, azonos sűrűségű anyagok nem szétválaszthatók (pl. PET/PVC, PE/PP, ABS/PS) Ha: v > w Szemcse lesüllyed v = w Szemcse lebeg v < w Szemcse felemelkedik Diaszám: 11/30

12 Sűrűségkülönbség Lebegtetéses eljárás gázelegy alkalmazása, szétválasztó közeg sűrűsége állítható a komponensek megfelelő bekeverésével, illetve a gázokra ható nyomás változtatásával Gáz Sűrűségi tartomány [g/cm 3 ] CO 2 0,772-0,998 SF6 1,390-1,708 50/50 CO 2 /SF6 1,031-1,422 Műanyag Sűrűsége [g/cm 3 ] PP 0,90-0,91 LDPE 0,91-0,93 HDPE 0,94-0,96 PS 1,03-1,10 PVC 1,30-1,45 PET 1,37-1,38 Super et al.: Density-based separation, Resour. Cons. Rec. 9, (1993). Diaszám: 12/30

13 Sűrűségkülönbség Nehézközeges szétválasztás nedves dúsítással előny: a megadott sűrűségkülönbség szerint nagyon jó minőségű szétválasztás hátrány: moderáló közeg regenerálása (környezetszennyezés, költség) Csőke: A hulladékfeldolgozás szeparátorai, Miskolci Egyetem. Diaszám: 13/30

14 Sűrűségkülönbség Nedves szér szeparáló mosóvíz csepegtetése az asztalra barázdált felület, párhuzamosan futnak a rázás irányával szemcsék átlós haladása (kis sűrűséget a mosóvíz szállítja, nagy sűrűségű anyag a vájatokban halad inkább) víz Kis sűrűség Nagy sűrűség Carvalho et al. Waste Management 27, 1747 (2007). Diaszám: 14/30

15 Sűrűségkülönbség Nedves centrifuga a hengeres test a benn lévő szétválasztó közeggel és a feladott műanyaghulladékok együttesen nagy sebességgel forognak Bertram, Unkelbach. XX. IMPC konf. Aachen (1997). Diaszám: 15/30

16 Sűrűségkülönbség Sűrűségkülönbségen alapuló eljárás előnyei olcsó berendezés, olcsó üzemeltetés nagy kihozatal, automatizálható elterjedt, egyszerű, megbízható eljárás Sűrűségkülönbségen alapuló eljárás hátrányai egyszerre csak egy szétválasztási határ alkalmazható, több alkotó esetén több lépés szükséges a tiszta anyagfrakciókhoz nedves közeg esetén a szétválasztott frakciók szárítása szükséges szétválasztó közeg szennyeződik, regenerálni kell azonos sűrűségű műanyagok egymástól nem választhatóak szét ezzel az eljárással problémát okoznak az előzetesen ömledékállapotban előállított blendek erősítőszálas, vagy habosított alapanyagok eltérő sűrűsége Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 16/30

17 Sűrűségkülönbség Műanyaghulladékok sűrűsége Műanyag megnevezése Sűrűség [g/cm3] PP 0,90-0,92 LDPE 0,92-0,94 HDPE 0,94-0,97 ABS 1,02-1,21 PS 1,04-1,05 PA 1,10-1,15 PC/ABS 1,10-1,15 PC 1,20 PVC 1,30-1,70 PBT 1,30-1,40 PET 1,30-1,40 SpecialChem, Omnexus: Density of Plastics, honlap. Diaszám: 17/30

18 Spektroszkópiai válogatás Infravörös spektroszkópia fekete színű termék nem, vagy nehezen detektálható autóroncsokból visszanyert műanyag gyakran sötét, fekete színű szennyeződések módosítják a visszavert spektrumot Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 18/30

19 Spektroszkópiai válogatás Integrált optikai és mikroszkópi rendszerek hulladékáram fényképezése, hulladék Raman-spektrumának összehasonlítása adatbáziséval Elméletben Hull. Gyakorlatban Intensity (cnt) PET LDPE Raman shift (cm -1 ) Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 19/30

20 Kémiai szétválasztás Kémiai felületmódosítással történő szétválasztás közel azonos sűrűségű anyagpárok (pl. a PET/PVC és ABS/PS) nedvesítő anyagok és különböző habok alkalmazása Nedvesítő anyag feladata a két hidrofób műanyag közül az egyik felszínét hidrofil tulajdonságúra módosítsa, ezáltal adott műanyag jobban nedvesíthető Hidrofil tulajdonság jelentkezése: a két hidrofób műanyag közül az egyik felszínét a) PET/PVC : ph=11 lúgos környezet, PET reagál a kémiai adalékkal, hidrofillé válik és lesüllyed a közeg aljára, PVC hidrofób marad és lebeg b) ABS/PS : ph=7 semleges környezet, ABS oldalcsoportjai ilyenkor képesek hidrogénkötést kialakítani az adalékkal, hidrofil lesz és lesüllyed Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 20/30

21 Flotációs habosítás PET/PVC keverék + nátriumhidroxid (lúgos nedvesítőszer) + metil-izobutil-karbinol (MiBC, habosítószer) PVC hidrofób marad Mindkét anyag lebeg Alacsony hőmérsékleten NaOH nem hat PET felületén PET hidrofillá válik Burat F. et al. Waste Management 29, 1807 (2009). Diaszám: 21/30

22 Besugárzásos-plazmaszórás Stückrad PhD munkája Műanyagok felületmódosítása plazmaszórással molekulalánc alakjának változása. A plazmaszórás hatására a hidrofil részek az anyag szélére vándorolnak. Gázmolekula magas hőmérsékleten disszociál a kezelt anyaggal Különböző gyökök képződnek a műanyag felületén és ezáltal hidrofillé válik az anyag ABS/PC keveréket vizsgált Besugárzás után erősen nedvesíthető állapotba kerültek (hidrofób tulajdonság átalakult hidrofillé), de az ABS hamarabb visszanyerte a hidrofób tulajdonságát. Ennek oka, hogy a PC gyűrűi a láncban nagyobb méretűek, és ez akadályozza az eredeti szerkezet visszaállását. ABS ezután felszínen lebeg, PC továbbra is lesüllyed Stückrad: Sortierung von Kunststoffgemischen durch Flotation. PhD thesis (1996). Diaszám: 22/30

23 Lakossági műanyaghulladék Háromlépéses szétválasztás: kémiai felületmódosítással Kérdés: LDPE miért nincs? Pongstabodee: Three-stage sink float method. Waste Management 28, 475, Diaszám: 23/30

24 Mágneses szeparálás PP PE Mágneses fluxussűrűségen alapuló szétválasztás Poliolefinek szétválasztására mágneses erőtér és mágnesezhető folyadék közeg sűrűsége változtatható (víznél kisebbre) Bakker et al.: Magnetic density separation. Waste Management 29, 1712 (2009). Diaszám: 24/30

25 Tribo-elektrosztatikus Részecskék egymással súrlódnak ütköztetés során, a töltések felgyülemlenek az anyag felszínén, töltésáramlás indul a nagyobb elektronaffinitású polimer irányába Probléma: szemcsék összetapadása PVC PET Wu G.: Triboelectrostatic separation. Waste Management 33, , Diaszám: 25/30

26 Tanszéki szeparáló projekt Jelenlegi berendezések nem mindig képesek egy lépésben a megfelelő minőségű szétválasztásra Az ömledékállapotban előállított polimer blend termékek ismételt anyagában történő szétválasztása nem megoldott Minőségnövelt újrahasznosítás csak szétválogatott, tiszta reciklált anyagfrakciók esetén valósítható meg Újfajta, alternatív megoldást kínáló berendezés fejlesztése: szétválasztás centrifugális erőtérben, ömledékállapotban Dobrovszky K.: Polimer keverékek minőségnövelése Diaszám: 26/30

27 Ömledékcentrifuga Ömledékcentrifuga A szétválasztó berendezés robbantott, elvi ábrája: (1) vázszerkezet, (2) csapágyház, (3) tengely, (4) alsó zárófedél, (5) hengerpalást, (6) felső zárófedél, (7) záróelemek Dobrovszky K.: Polimer keverékek minőségnövelése Diaszám: 27/30

28 Ömledékcentrifuga Polimer blendek szétválasztása az ömledékcentrifugával + Szétválasztott granulátum Szétválasztott blend Dobrovszky K.: Polimer keverékek minőségnövelése Diaszám: 28/30

29 Ömledékcentrifuga Az ömledékcseppekre ható centripetális gyorsulás A szétválasztás eredményességét befolyásolja: Gyorsulás, m/s Dobrovszky K.: Polimer keverékek minőségnövelése F cc ρ a V a r (2 π n c,p 60) 2 Az anyagok közötti sűrűségkülönbség Centrifuga fordulatszáma Hőmérséklet Távolság, mm Diaszám: 29/30

30 Kiértékelés, összefoglalás Sűrűségkülönbség alapján vannak műanyagok (PET/PVC, ABS/PS, PE/PP), amelyek nem választhatóak szét A hulladék újrahasznosításnál figyelembe kell venni a degradáció (tulajdonságbeli romlás) mértékét Hulladék szétválasztható tiszta alkotókra (van megfelelő eljárás), azonban gazdaságosság és környezetvédelem kérdése Figyelni kell arra, hogy a szétválasztás során minél kisebb környezetterhelést okozzunk (kémiai vegyszerek alkalmazása) A hulladékok szétválasztását nehezítik adalékok, szálerősítések alkalmazása, valamint a habosított termékek jelenléte Alkalmazott berendezésekkel nem választhatóak szét a polimer blendek, szennyezőként jelennek meg valamelyik frakcióban Dobrovszky K.: Műanyaghulladékok szétválasztása Diaszám: 30/30

31 Köszönöm a figyelmet! Műanyaghulladék menedzsment Budapesti Műszaki Egyetem október 4. Elérhetőség: Dobrovszky Károly dobrovszky@pt.bme.hu