Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok szétválasztására. TDK dolgozat

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok TDK dolgozat Készítette: MF06Kt Konzulensek: Dr. Faitli József egyetemi docens Nagy Sándor tanszéki mérnök Miskolc, november 3.

2 Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a TDK dolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a dolgozatban csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, a hallgató aláírása 2

3 Tartalom: 1. Bevezetés Szakirodalmi háttér A RECYTECH projekt Az MHS jelenség Intézeti szeparátor fejlesztése Mágneses rendszer fejlesztése Az áramlási rendszer fejlesztése Szeparációs csatorna fejlesztése Szétválasztási Kísérletek Kémcsővel végzett kísérletek Szétválasztási kísérletek Elektronikai hulladékok maradványanyagának szétválasztási kísérletei Összefoglalás Irodalomjegyzék.27 3

4 1. Bevezetés A tudományos diákköri munkám címe a Laboratóriumi magneto-hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok. A dolgozatot a január 1-én indult Nemzeti Technológiai program által támogatott a Roncsautók és elektronikai hulladékok szerves anyagainak hasznosítására szolgáló technológiák fejlesztése a jövőbeli deponálás elkerülésére (RECYTECH) elnevezésű projekt keretében készítettem. Napjainkban az életszínvonal és a technológia fejlődése miatt egyre inkább megnőtt a kereslet a legmodernebb elektronikai eszközök iránt. Mindenki igyekszik a régi elavult berendezéseket modernebbekre cserélni. Az Európai Unió területén elektronikai hulladékból évente közel 2 millió tonna, Magyarországon közel 140 ezer tonna keletkezik. Az ebben rejlő szervesanyag (maradékanyag) mennyisége jelentős, amely jelenleg túlnyomó részt hulladéklerakóba kerül. Ennek elkerülése érdekben az Európai Bizottság kiemelt hulladékáramként irányelveket fogalmazott meg az elektronikai hulladékok kezeléséről minden tagállam számára, előírva, hogy 2008-ig lakosonként 4 kg e-hulladékot gyűjtsenek be, és annak 50-80% át termékfajtától függően hasznosítsák újra. Előírja továbbá 2014-ig 7-8 kg/fő/év elektronikai és elektromos berendezés begyűjtését, melynek % át kell hasznosítani, %-ot újrahasználat vagy újrafeldolgozás révén. A RECYTECH projekt egyik célja az elektronikai hulladékok továbbá autoshredderüzemek üzemek maradékanyagára komplex újrahasznosítási technológia kifejlesztése. A projektben a maradékanyagokból kinyert műanyag frakciót az újrahasznosítás érdekében sűrűség frakciókra kell bontani. A szétválasztást Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladékon végezzük magneto-hidrosztatikus szeparátorral. A hulladékgazdálkodás szempontjából kiemelt fontosságú a magnetohidrosztatikus jelenség. Nagy előnye az MHS szeparátoroknak, hogy jól szabályozható az áramerősség változtatásával. Részt vettem az MHS berendezés fejlesztésében. A berendezés két fő egysége a mágneses elektromos rész és az áramlástechnikai rész. A mágneses elektromos egység kifejlesztése során nagyobb, mint 1 Tesla mágneses térerősségű elektromágneseket építettünk ahol a hiperbolikus alakú mágneses pólusok segítségével állítottuk elő az állandó gradiensű mágneses erőteret. Az áramlástechnikai egység kifejlesztése során 3 különböző szétválasztó csatornát építettünk. A csatornafejlesztési munka során megoldottuk az un. 4

5 csatornafal menti súrlódás miatt fellépő instabil üzemállapotot, illetve megállapítottuk, hogy a kifejlesztett 3. csatorna szétválasztási élesség szempontjából is jó. Szisztematikus kísérleteket végeztünk elektronikai hulladék feldolgozásából származó maradványanyagokra (műanyagokra). 5

6 2. Szakirodalmi háttér Ebben a fejezetben bemutatom a RECYTECH projekt [ 2 ] célját, feladatát. Ez után leírom a magnetohidrosztatikus jelenség elvét. 2.1 A RECYTECH projekt Az Európai Unió területén működő, a nagyméretű műszaki termékek (roncsautók, nagyobb háztartási gépek) automatizált feldolgozását végző 200 darab forgókalapácsos aprítómű, ún. shredderüzem évente 8-9 millió tonna hasznosításra nem kerülő nem fémes őrlési mellékterméket hoz létre és juttat legnagyobb részt lerakókba. Az ebben rejlő szerves anyag mennyisége ennek közel 45-50%-a, azaz 4-4,5 millió tonna mennyiségűre tehető. Ennek mennyiségét növeli még az elektronikai hulladék-feldolgozókból származó, éves szinten 1-2 millió tonna nagyságrendű, hasznosításra csak minimálisan jutó főként szerves eredetű hulladék. Ezek a mennyiségek folyamatosan emelkednek. A hulladéklerakók gyors megtelése, a természeti erőforrásokkal történő pazarló bánásmód, a szándék a műszaki termékek gyártóinak környezettudatos tervezői, alkotói magatartásra ösztönzésére az Európai Bizottságot számos, az egyes összetett műszaki termékekre vonatkozó rendelet megalkotására és ebben az elhasználódás utáni időszakra vonatkozó új kötelezettségek megfogalmazására késztette. Mindennek elsődleges célja a gyártói termékfelelősség kiterjesztése, a Hulladék termelője fizet alapelv érvényesítése volt. A kiterjesztett gyártói felelősség alapján az Európai Bizottság a roncsautókra, valamint az elektromos és elektronikai hulladékokra mint kiemelt hulladékáramokra - a 2000/53/EK és a 2002/96/EK számú irányelveket tette kötelezővé a tagállamok részére. Az irányelvek alapján Magyarországon is életbe léptek ezen kiemelt hulladékáramok jogszabályai (többek között a 264/2004. Korm. rendelet és a 267/2004. Korm. rendelet). A jogszabályoknak megfelelően mind a roncsautók, mind az elektronikai hulladékok esetén kiépültek hazánkban az országos átvevőhelyek és bontóüzemek. Az elektronikai hulladékok esetén a hulladékkezelési feladatok átvállalására több koordináló szervezet is létrejött gyártói kezdeményezésre, amelynek elsődleges mozgatóeleme a speciális, európai államokban általában kevésbé ismert és alkalmazott termékdíjas rendszer működése volt. A termékdíj fizetés alóli mentesülés feltétele a gyártók részéről a meghatározott visszagyűjtési arányokat teljesíteni képes begyűjtői hálózat megvalósítása és folyamatos, megbízható működtetése. Mind a roncsautók, mind az elektronikai hulladékok esetén törvényben leírt mértékű hasznosítási kötelezettség áll fent, amelynek teljesítése jelenleg is komoly nehézséget okoz, mindez a jövőben a növekvő kvóták miatt súlyos problémákat 6

7 fog eredményezni. Roncsautók esetén 2015-re el kell érni a 95%-s hasznosítási arányt és ezen belül az anyagában történő hasznosításnak el kell érni a 85%-ot. Az elektronikai hulladékok esetén a tíz berendezés kategórián belül eltérő hasznosítási kötelezettség van előírva, ezek értéke 70-80% között változik. Az elektronikai hulladékok esetén ezen értékeket már 2008-ban teljesíteni kell. Ma Magyarországon évente mintegy ezer roncsautó és közel 140 ezer tonna elektronikai hulladék keletkezik. A kézi előbontást követően a roncsautókat automatizált mechanikai zúzó-aprító eljárásnak, shredderezéses aprításnak vetik alá, amelynek eredményeképp a fémfrakciók (amely a roncsautók nagyjából 70%-át teszi ki) szeparálása megoldottnak tekinthető. Jelenleg Magyarország legnagyobb shredderüzeme az Alcufer Kft Fehérvárcsurgói üzeme. Ezen kívül még két nagyobb shredderüzem működik Budapesten. A shredder technológia alkalmazása világszerte ismert és bevált hulladékfeldolgozási módszer, azonban alkalmazása során keletkezik egy nem-fémes anyagokat tartalmazó melléktermék - a shredder maradékanyag ( könnyűfrakció ), amely kevert műanyag, gumi, üveg, textil frakciókból áll. Ez a vegyes frakció jelenleg szinte kizárólag hulladéklerakókba, csak ilyen hulladékot befogadni képes monodepóniákba jut. Az 1. ábrán egy általános autóshredderüzem törzsfája látható. 1. ábra: Általános autóshredder üzem törzsfa Az elektronikai hulladékok esetén több kisebb shredder is működik hazánkban, de jelentős kapacitásokkal rendelkező üzem igazából csak Dunaújvárosban, Jobbágyiban és Budapesten üzemel. Egy elektronikai hulladék feldolgozó üzem technológiáját mutatja a 2. 7

8 ábra. Az elektronikai hulladékok méretben és anyag összetételben is jelentősen különböznek a roncsautókétól. A műanyagtartalma is magasabb, átlagosan kb. 20%-os (egyes berendezés kategóriában ez elérheti a 40%-ot is). Ennek köszönhetően az elektronikai hulladékok feldolgozásából fajlagosan nagyobb mennyiségű problematikus frakció nehezíti meg az üzemeltetők életét, a fellelhető hasznosítási kapacitások hiányában. Feladás APRÍTÁS I. MÁGNESES SZEPARÁLÁS mágneses fém I. SZEPARÁLÁS Légáramkészülék műanyag I. ÖRVÉNYÁRAMÚ SZEPARÁTOR ill. EGYÉB LEVÁLASZTÁS egyéb fém I. APRÍTÁS II. MÁGNESES SZEPARÁLÁS mágneses fém II. SZEPARÁLÁS Légáramkészülék műanyag II PORELSZÍVÁS ÖRVÉNYÁRAMÚ SZEPARÁTOR ill. EGYÉB LEVÁLASZTÁS egyéb fém II. maradvány 2. ábra: Elektronikai hulladék törzsfák A shredderezést követően a roncsautókból és az elektronikai hulladékból származó maradékanyag (könnyű frakció) mennyisége elérheti az 50 ezer (a tervezett újabb shredderkapacitások rendszerbe állításával pedig akár a 100 ezer) tonnát, amely a hazai hulladéklerakókat terheli. Bár ezek mennyiségét számos nemzetközi és hazai jogszabály (többek között a szerves anyagok lerakóba jutását akadályozni hivatott lerakási Landfill 8

9 direktíva is) csökkenteni kívánja, az igazi áttörést eredményező technikai, technológiai háttér eddig nem született meg. Ettől függetlenül előfordulhat, hogy az aktuális magyar környezetvédelmi kormányzat számos EU-s Tagállam gyakorlatát követve (pl. közvetlen szomszédunk Ausztria példáját) kísérletet kíván tenni a shredderezési könnyűfrakció lerakásának teljes megtiltására, amely törekvését ösztönözheti a már említett lerakási (Landfill-) direktíva hazai derogációjának július 16-i végső határidős kifutása. Ez a direktíva alapvetően gátat kíván szabni a szerves anyagok jövőbeli hulladéklerakókban történő elhelyezésének, amely a mennyiségét tekintve legalább 50%-ban ilyen anyagokat tartalmazó automotive shredder-könnyűfrakció és elektronikai hulladék őrlési maradékok esetében az azok hasznosítására szolgáló szeparációs és hasznosítási technológiák hiányában megoldhatatlan feladat elé állítaná a hazai shredderüzemeltetőket. A projekt célja éppen ezért olyan komplex újrahasznosítási technológia és hozzá tartozó kisüzemi berendezések kifejlesztése, amelynek eredményeként a problematikus anyagfrakciók egymástól elválaszthatók, a szétválasztott, elkülönített anyagáramok az anyagkörfolyamatokba részben, vagy egészben visszavezethetők, miáltal jelentősen csökkenthető a lerakóba jutó hulladék mennyisége. Első lépésben az automotive shredder könnyűfrakciók és az elektronikai hulladékok feldolgozási maradékának optimális szeparátor-technológiája kerül kiválasztásra, amely segít az egyes anyagáramok fizikai tulajdonságokon alapuló szétválasztásában, majd ezt követően a szétválasztott anyagféleségek anyagában történő hasznosítását kívánja a program konkrét alkalmazások hozzárendelésével elősegíteni. A projekt újdonságtartalma A projekt újdonságtartalmát az adja, hogy eddig Magyarországon egyetlen olyan projekt célkitűzés sem fogalmazódott meg az egyes hulladékáramok tekintetében, amely több Magyarország által harmonizált Európai Uniós jogszabály együttes teljesítését kívánta volna elősegíteni, megvalósítani. Ez azt jelenti, hogy mind az autóroncsok, mind az elektronikai hulladékok esetében, amellett, hogy a fejleszteni kívánt technológia és prototípus hozzájárul a hasznosítási irányszámok teljesítéséhez, segít teljesíteni a szerves hulladékok lerakásának korlátozását elrendelő másik direktíva célkitűzéseit is. Mind a fejleszteni kívánt szeparációs technológiák, mind a mintapirolizátor olyan eszközt testesít meg, amelyek alapvetően új megközelítésben tálalják a problematikus frakciók 9

10 hasznosítását, ilyen alapon felépített hasznosítási koncepció, ezekkel az eszközökkel nem létezik egyetlen hulladékfeldolgozó üzemben (shredder + elektronikai feldolgozó) sem. Az MHS berendezésre feladott mintaanyagok Projekt során a maradékanyagokból ki kívánják nyerni az anyagában újra hasznosítható szerkezeti anyagokat. Az első lépés szerkezeti anyagok feltárása aprítással. A fémek leválasztása felsőszalagos mágneses szeparátorral, illetve örvényáramú vagy elektrosztatikus szeparátorral történik. Ezt követően a kapott javarészt műanyagból állómintát sűrűség szerinti osztályozással kívánjuk műanyagfajtákra bontani. A szétválasztási kísérleteket Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladékon végeztük többek közt magneto- hidrosztatikus szeparátorral. 2.2 Az MHS jelenség A jövő szempontjából kiemelt fontosságú a magneto-hidrosztatikus jelenség [ 1 ]. A magneto-hidrosztatikus jelenséget (MHS) tapasztalhatjuk akkor, amikor egy paramágneses testet (amit levegőben egyébként az inhomogén mágneses térben vonz a mágnes), olyan közegbe helyezzük (ugyanabban az eredeti mágneses térbe), amelynek mágneses szuszceptibilitása nagyobb, mint a szemcséé, akkor e testet a mágnes (a közeg kiszorítván magából) eltaszítja. Az MHS mágneses erőt a nehézségi erő egyenlíti ki, s mivel a mágneses tér inhomogén, a különböző sűrűségű szemcsék különböző magasságban foglalják el egyensúlyi helyzetüket, ahonnan elvezethetők. A mágnesezhető közeg lehet mágnesezhető fémsók ( pl. vas-, nikkel-klorid ) oldata, vagy nanoméretű magnetit részecskékből képzett stabil szuszpenzió ( ez utóbbiak a leghatásosabbak). Az MHS szeparátorok nagy előnye, egyszerűségében és szabályozhatóságában van: a gerjesztő áram változásával ugyanis a látszólagos elválasztási sűrűség fokozatmentesen, jól szabályozható. A Frantz MHS szeparátor megtalálható a legtöbb műszaki laboratóriumban. A korábbi kutatások és alkalmazások főként az ásványiparra koncentrálódtak, ezen belül az értékes ásványokra is. Ez a technológia fontos változásokat eredményezett a hulladékgazdálkodásban, különösképpen az újrahasznosításban, az autó- és elektronikai hulladékok feldolgozása során keletkező maradvány anyagokra. A múltban a gazdasági és környezetvédelmi jelentősége nagyban megnőtt a használt autóipar és az elektromos készülékek újrahasznosításának Magyarországon. Ez az oka az új kutatásnak amit nálunk a Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetben kezdtek. 10

11 3. Intézeti szeparátor fejlesztése Az ipari MHS szeparátorok többségében nem áramoltatják a mágneses folyadékot, hanem nagy mágneses mezőt és nagy szuszceptibilitású mágneses folyadékot használnak, ezért nincs szükségük elválasztó csatornára. A mágneses erő egyhelyben tartja mágneses folyadékot. Ennek az eljárásnak a hátránya az, hogy a mágneses mezőt nem vehetjük alacsonyra, ezért alkalmatlan alacsony sűrűségű műanyag hulladékok. Projektmunka során Mivel az elsődleges cél laboratóriumi sűrűség szerinti szétválasztás volt, ezért a szétválasztó csatornás MHS mellett döntöttek, amiben mágneses folyadékot cirkuláltattunk. Az intézeti mágneses rendszer egyik része a ferritmag (2) hiperbolikus alakú légréssel. A másik része az elektromágneses tekercs (3) és az elektromos DC tápegység, amelynek az áramellátása pontosan szabályozható. Az áramlástani része áll az adagolóból (7), tartályból (4), szivattyúból (5), szétválasztási csatornából (1) és a mintavevő edényekből (8). Az 3. ábra mutatja az épített MHS szeparátort 3 kimeneti elválasztó csatornával. 3. ábra: Épített MHS szeparátor 3 kimeneti elválasztó csatornával 11

12 4. ábra: Fotó az épített MHS szeparátorról. 3.1 A mágneses rendszer fejlesztése A cél laboratóriumi mennyiségű anyag elemzése ill. szétválasztása a MHS szeparátorral, ezért izodinamikus mágneses tér előállítására volt szükség. Meghatározandó a pólusok alakja. Ha két tekercset egyenáram alá helyezünk megfelelő polaritással mágneses mező erővonalai záródnak a vasmagban és áthaladnak a légrésen is. A keletkezett mágneses mező az áramerősség (I), a menetszám (n) és a vasmagban és a légrésben megjelenő erővonalak hosszától (l ferrit, l air ) fog függni. H In l ferrite l air A mágneses erővonalak a vasmagban záródnak, a légrés helyett, ezért az I ferrite elhanyagolható. Az inhomogén mágneses mező beállítható a légrés alakjával. Ha a z tengelyt a légrés közepének aljáról felfelé irányítjuk: Ha const l air akkor z Inz H és H deriváltja: const gradh dh dz In const 12

13 Magnetic field in narrowest gap [ Tesla ] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok Adott tápfeszültségnél és tekercsben a gradh konstans, a mágneses mező izodinamikus. A mágneses felhajtóerő arányos a H. gradh-val, ezért az a z tengely mentén nem konstans, hanem lineárisan csökken. A légrés alakjának tehát: const l air hiperbolát kell leírnia. z Mérnöki gyakorlat szempontjából a konstans a légrés legszűkebb és legszélesebb hosszából meghatározható. Nagyobb meredekség nagyobb gradh-t eredményez. A vasmag több darabból épül fel (a légrés szélessége állítható), a légrés szélei 10 mm széles karbonacél lapból lézerrel kerültek kivágásra. A mágneses teret két párhuzamosan kapcsolt lapos vezetékből tekercselt tekercs biztosítja. Az elektromos áram precíz szabályozása elengedhetetlen a kísérletekhez. A megépített tápegység része a nagy áramerősségű háromfázisú transzformátor (12 diszkrét volt érték állítható be). Másik része a tápnak pulzusszélességgel szabályozott elektronikus szabályzó. Az áramerősséget pontosan lehet szabályozni a A-es tartományban, a feszültség 400 V-ig kapcsolható. A berendezés megépítését követően meghatároztuk a mágneses mező alaptulajdonságait egy kézi Tesla-mérővel. Az nagyon erős mágnes miatt biztonsági intézkedéseket be kell tartani. A légrés legszűkebb részének középső pontjában mértük az áramerősség függvényében 200 V feszültségen (5. ábra) Electric current in coils [ A ] 13

14 Height l [ mm ] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok 5. ábra: A mágneses mező a legszűkebb résben az áramerősség függvényében Kikapcsolt állapotban (0 A) 0,1 T mágneses mező mérhető a remanens mágnesesség miatt. Először a mágneses mező lineárisan növekszik a növekvő áramerősséggel, ezt követően a vasmag telítődik és kb. 20 A esetén elérjük a maximális 1,2 T-s mágneses mezőt. Nagyobb térerősség nem érhető el vasmaggal, mivel annak telítődése esetén a mágneses erővonalak a levegőbe kilépnek. Azonban a fentiek azt is jelentik, hogy van tartalék a tápegységben a beállított résméret esetén, azaz a résméret a későbbiekben növelhető lesz. A szétválasztó tér geometriai mérete jelenleg 230 mm hosszú, effektív magassága 120 mm, legszűkebb résméret 24 mm, legtágabb résméret 120 mm. Mértük a mágneses mező eloszlását (9,6 A és 200 V esetén) (6. ábra). 120 Magnetic field H [ Tesla ] ábra: Mágneses mező gradiense a magasság függvényében (9,6 A, 200 V) 14

15 7. ábra: A szeparátor pólusai 3.2 Az áramlási rendszer fejlesztése A folyadékáramoltatás első eleme az 50 l térfogatú tartály. Ebbe történik a feladás, és egy WARMAN centrifugális zagy szivattyú segítségével keringtetjük a szemcséket tartalmazó mágneses folyadékot. A szivattyú térfogatárama széles tartományban változtatható frekvenciaváltó segítségével. Az áramlásra jelentős ellenállást fejt ki a mágneses folyadék szétválasztó térben történő áthaladása. A részegységeket 1 colos műanyag csővel kötöttük össze. Ultrahangos áramlásmérővel mérhető az átlagos áramlási sebességet közvetlenül a szivattyú utáni részen. A szétválasztó térbe is helyeztünk egy Doppler-hatáson alapuló ultrahangos áramlásmérőt. 3.3 Szeparációs csatorna fejlesztése A szétválasztó csatorna a mágneses pólusok közé helyezhető. A berendezés egyik legfontosabb része, az eddig elkészült két csatorna átlátszó műanyagból készült. Az első csatorna 1 bemenettel és három kimenettel rendelkezett. A csatorna szélessége 20 mm, legnagyobb magassága 120 mm. Két tiszta, és egy kevert frakciót lehetett előállítani vele. 15

16 A kimeneteket flexibilis csövekkel vezettük a mintázó egységre. A háromtermékes csatorna esetében a falsúrlódás következtében a vízzel végzett kísérletek során közeg nagy része vagy az alsó vagy a felső csatornán távozott, ez a hatás mérséklődött a mágneses folyadék használata esetén. Új csatornát terveztünk, ami kéttermékes (8. ábra). 8. ábra: Kéttermékes szétválasztó csatorna A csatorna keresztmetszete mm. A termékkimenetek flexibilis csöveken keresztül kerülnek visszavezetésre a tartályba. A sebességprofilokat az ultrahangos (Doppler) áramlásmérővel vettük fel (ábra). 16

17 Vertical position l [ mm ] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok v [ mm/s ] L/min 33 L/min 18 L/min 42 L/min 59 L/min 70 L/min 76 L/min 9. ábra: A kéttermékes szétválasztó csatorna sebességprofilja a középső keresztmetszetben különböző térfogatáramokon 4. Szétválasztási kísérletek 3 kísérletsorozatot végeztem. Először megnéztem, hogy különböző áramerősségek milyen magasságra emeli ki a különböző szemcséket egy kémcsőben. Ez után megnéztem, hogy mekkora az a minimális áramlási sebesség, ahol a mágneses mező az összes szemcsét a felső kimenetbe vezeti. Harmadjára ipari mintákat választottam szét sűrűség szerint. 4.1 Kémcsővel végzett kísérletek Kémcsővel az alábbi egyszerű kísérletet végeztem. A mágneses folyadékkal megtöltött kémcsövet a pólusok közé helyeztem (ekkor a szétválasztó csatornát eltávolítottam a pólusok közül). Különböző sűrűségű szemcséket helyeztem a kémcsőbe, és az áramerősség szemcse pozíció (magasság) összefüggést vizsgáltam. A szemcsék magassága a táblázatban látható. 1.táblázat: szemcsék felemelkedése az áramerősség függvényében. Szemcse Current I. [A] Magasság [mm] Müanyag 1,

18 1.5 kg/dm 3 > Műanyag golyó 2.2 kg/dm 3 < 3 3,1 3,2 3,3 3,4 4, Al szemcse 2.7 kg/dm 4,2 4,3 4,4 4,2 5,2 5,8 7,4 10 Kerámia 6, kg/dm 3 6,8 7,5 8,6 9,3 9,8 Ötvözött réz 12, kg/dm A 120 mm es magasság a szétválasztó tér magassága. Kisseb sűrűségű műanyagnál már 1,5 A is elég volt hogy teljesen felemelje. A 2,2 kg/dm 3 -es műanyag golyónál már 4,2 A kellett. Az Al szemcsét 5,8, míg a kerámiát 9,8 A -nál emelte ki a mágnes. 4.2 Szétválasztási kísérletek A szétválasztási kísérletek során Maxxam C30 H-V2 UV Natural Tp mágneses folyadékot használtam, hígítás nélkül. A folyadék sűrűsége 0,92 kg/dm 3. Az alapkísérletek során monodiszperz szemcséket használtam szétválasztandó anyagnak: 2,2 kg/dm 3 sűrűségű, 5 mm átmérőjű műanyag golyók, 2,7 kg/dm 3 sűrűségű alumínium hengerek (D=5 mm, L=6 mm), A további kutatásokhoz használtam 3 5 ill 5 8 mm-es osztályozott shredder üzemi könnyűterméket, illetve elektronika hulladék maradékanyagát is. Alapvető szétválasztási kísérletek Két csatornával és két anyaggal végeztem a kísérleteket. Egy kísérletben 30 db műanyag ill. alumínium szemcsét adtam fel. A szeparátor fő paramétereit (szivattyú frekvenciája: 6 40 Hz; tekercs áramerőssége: 0 16 A) változtattam, a feladást a 30 db szemcse alkotta 18

19 Yield [ % ] Loss [ % ] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok (No feed ). A szemcsék a felső (No upper ) illetve alsó (No lower ) termékbe kerültek, ahol megszámoltam azokat. A háromtermékes csatorna középső kivezetését lezártam a végzett kísérletek alatt. A felső áram tömegkihozatala: 100 * No upper / (No upper + No lower ) %. Amikor az áramlási sebesség túl lassú volt, néhány szemcse a csatorna aljában maradt, a veszteséget az alábbi összefüggéssel számoltuk: 100 * (No feed (No upper + No lower ) / No feed ). A sebesség növelésével a bent ragadt szemek kinyerhetők voltak. Mágneses mező nélküli teszt eredményeit mutatja az ábra. A kihozatal és a veszteség látható az áramlási sebesség függvényében. (párhuzamos falú csatorna és Al szemcsék esete) Channel: Parallel walls Current: 0 A Particles: Al Yield 20 Loss Flow rate [ l/min ] 10. ábra: Kihozatal és veszteség az áramlási sebesség függvényében. A kis áramlási sebességnél néhány szemcse visszamarad a rendszerben, ami veszteséget okoz, de minden más szemcse eltávozott a rendszerből az alsó kifolyáson (felső kihozatal 0) a várakozásoknak megfelelően, a gravitációs erő hatására. A sebesség növelésének hatására minden szemcse távozott a rendszerből, néhány szemcse a felső kifolyáson távozott (szeparációs hiba). A mágneses térerő nélküli kísérletsorozat célja az volt, hogy megtaláljuk azt a legkisebb áramlási sebességet ahol a felső áramlás kihozatala és a veszteség is nulla. A mágneses erő hatását is teszteltük, a 9. ábra mutatja az áramlási sebességet és a felső kihozatalt az áramerősség függvényében. 0 19

20 Yield [ % ] Flow rate [ l/min ] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok 100 Yield Flow rate Channel: Parallel walls Frequency of pump motor: 16 Hz Particles: Al Current [ A ] 11. ábra: Kihozatal és áramlási sebesség az áramerősség függvényében. Növekvő mágneses tér hatására a felső termék kihozatala 100 %-ig nő, az áramlási sebesség csökken azonos szivattyú fordulatszám mellett is (16 Hz). A mágneses mező ellenállást fejt ki az áramlásban résztvevő mágneses folyadékra. A kísérlettel meghatároztuk azt a minimális áramlási sebességet, ahol a mágneses erő az összes szemcsét a felső termékbe emeli Elektronikai hulladékok maradványanyagának szétválasztási kísérletei A mérés során elektronikai hulladékok feldolgozásából származó maradványanyagok műanyag frakcióját választottuk szét. A mintaanyagból először a fém frakciókat választottuk le, majd 1 kg/dm3es sűrűségnél elválasztottuk az anyagot. Ezt követően leaprítottuk 6 mm alá. A kísérletekhez a 2-6 mm- es frakciót használtuk. A mintaanyag sűrűsége kg/dm 3 közé esett. 20

21 12. ábra: Mintaanyag a feladás előtt A méréshez desztillált vízzel 1:3 arányban higított Maxxam C30 H-V2 UV Natural TP oldatot használtunk. Az oldat eredeti sűrűsége 0.92 kg/dm 3 volt. Hígítás után 0.95 kg/dm 3 - re változott. Ez az arány elegendő volt arra, hogy 13,4 A áramerősségen kiemeljen egy 2 kg/dm 3 - es szemcsét. A mérés elején kivettünk a mintából két adagot és félretettük, hogy később megvizsgálhassuk a feladás sűrűség szerinti összetételét. Az anyagot a feladás előtt megmostuk, és az úszó szemcséket levettük. A mosott anyagot először 12 Hz-en és 13,4 A- es áramerősség mellett feladtuk. Az alsó terméket félretettük. Következő lépésben csak az előzőleg fentre került mintát adtuk fel 11,5 A-en. A szivattyú fordulatszámát állandó értéken tartottam a mérés során végig. Mindig az alsó terméket tettük félre és a felsőt adtuk fel újra 10 A-en, 8,9 A-en, és 6,4 A-en. 21

22 átlag sűrűség [kg/dm 3 ] 13. ábra: A kapott termékek szemcséinek átlagsűrűsége. A kapott termékeknek ezután megmértem a sűrűségét, majd beállított sűrűségű sósvizes (NaCl) folyadékokban szétválasztottam. A mérés eredményei táblázatba foglalva a következők: 2. táblázat: A feladás és az első termék sűrűségeloszlása 1. mérés alsó Sűrűséghatárok Eredeti minta Sűrűséghatárok termék (13,4 A) m [g] Δm i [%] m [g] Δm i [%] <1 31,42 32,2389 <1 9,300 6, ,0511 5,43 5, ,0511 8,82 5,9378 1,0511-1,0987 8,94 9,173 1,0511-1, ,75 14,6425 1,0987-1,1457 3,93 4,0327 1,0987-1,1443 6,58 4,4298 1,1457-1,1897 9,010 9,2448 1,1443-1, ,51 7,7488 >1, ,73 39,7394 >1, ,58 60, , , Az eredeti minta elemzésének eredményeiből látszik, hogy az anyag nagy része az 1- től kisebb és az 1,897- től nagyobb sűrűségű frakcióba esik. Az első mérés alsó termékének nagy része, 61 % -a az 1,1885-ös sűrűségnél nehezebb. Vagyis a feladott minta 61 %- át nem emelte meg a mágnes annyira, hogy a szétválasztó csatorna felső ágába kerüljön. 22

23 3. táblázat: A 2. és a 3. termék sűrűségeloszlása Sűrűséghatárok 2. mérés alsó 3. mérés alsó m [g] Δm i [%] m [g] Δm i [%] <1 9,110 8, ,54 11, ,0470 6,79 6,497 3,81 3,9572 1,0470-1, ,70 15,979 12,86 13,3569 1,0944-1,1443 5,53 5,2914 5,310 5,5152 1,1443-1,1885 8,160 7,8079 9,60 9,9709 >1, ,22 55, ,16 55, , , táblázat: A 4. és az 5. termék sűrűségeloszlása Sűrűséghatárok 4.mérés alsó 5. mérés alsó 5. mérés felső m [g] Δm i [%] m [g] Δm i [%] m [g] Δm i [%] <1 4,85 9,6942 0,41 0,9021 3,35 2, ,043 3,270 6,5361 6,190 13, ,14 13,3854 1,043-1,0910 9,190 18, ,78 25, ,30 36,9387 1,0910-1,1405 2,55 5,0969 3,080 6,7767 7,43 5,8024 1,1405-1,1829 5,270 10,5337 4,61 10, ,9 7,2550 >1, ,90 49, ,38 42, ,54 34, , , , A 2. és 3. mérésnél a mintaanyag több mint fele az alsó termékbe kerül. Az 5. szétválasztás esetén az 1- nél könnyebb frakció már csak kis mennyiségben volt megtalálható. Az 5. mérés alsó és felső termékében az 1,043-1,0910 sűrűséghatárba eső mintaanyag mennyisége megnő (25,9 ill. 36,9). Ezeket az eredményeket lentebb ábrázoltam. Az ábrázolás csak az ismert max. ρ sűrűségig történt, mert a tényleges max ρ nem lett meghatározva. 23

24 Sûrûségeloszlás, [%] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok Eredeti minta 1. szétválasztás alsó 2. szétválasztás alsó 3. szétválasztás alsó 4. szétválasztás alsó Sûrûség, [kg/dm3] 14. ábra: Az eredeti minta és az első négy termék sűrűség szerinti szétválasztásának eredményei. 24

25 Sûrûségeloszlás, [%] Laboratóriumi magneto- hidrosztatikus szeparátor fejlesztése és alkalmazása műanyag hulladékok szétválasztás alsó 5. szétválasztás felsõ Sûrûség, [kg/dm3] 15. ábra: Az 5. mérés alsó és felső termékeinek sűrűség szerinti szétválasztásának eredménye. A táblázatokból, és a grafikonokból látható, hogy a berendezéssel történt szétválasztás nem éles, gyakorlatilag minden leválasztott termékben előfordul a teljes sűrűség tartományba eső műanyag, a > 1,2 kg/dm3 frakció minden termékben megtalálható, %-ban. A rossz szétválasztás oka lehet, a relatív nagy szemcseméret, és a szétválasztás szempontjából kedvezőtlen szemcsealak (lapkás szemcse). Ezeknek a szemcséknek ebben a viszonylag rövid szétválasztó térben nincs idejük megfelelően sűrűség szerint rendeződni. 25

26 5. Összefoglalás Az intézetben megépült a laboratóriumi magnetohidrosztatikus szeparátor (200 V, 30 A, 100 l/sec), a szétválasztó csatorna geometriai méretei: mm, a pólusok alakja a megfelelő inhomogén mágneses tér elérésének érdekében hiperbola. Az áramlási viszonyokat figyelembe véve a két kivezetésű szétválasztó csatornát választottuk. Megállapítottuk a csatornában fellépő áramlási profilt, továbbá azt a minimális áramlási sebességet ill. hígítási arányt, amikor erős mágneses mező mellett a feladott szemcsék teljesen a felső termékbe kerülnek. Ezek után higított mágneses folyadékkal működtettük a gépet, és Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladék feldolgozásából származó maradványanyagot (műanyagot) választottam szét sűrűség szerint. A 4. fejezetben leírtak szerint a szétválasztás nem volt éles, ennek oka a szemcsék relatív nagy mérete, illetve a szemcsék kedvezőtlen alakja. További gépfejlesztés szükséges az éles elválasztás elérése érdekében. Két irányban érdemes elindulni, az egyik irány a szétválasztó tér hosszának növelése (pólusok szélességének ill. a szétválasztó csatorna hosszának növelése). A másik lehetőség, kisebb szemcsék feladása, amit nagyobb aprítási fokkal, illetve többlépcsős aprítással érhetünk el. A kisebb szemcsék alakja jobban közelít a gömbhöz, illetve közegellenállásuk kisebb, így várhatóan jóval élesebb szétválasztást tudunk elérni. 26

27 6. Irodalomjegyzék 1. Faitli, J. Nagy, S. Antal, G. Csőke, B. Lukács, P.: Laboratory Scale Magnetohydrostatic Separator for High Resolution Analysis of Plastic and other Wastes. Proceedings of XXV. International Mineral Processing Congress. CD Rom. pp , Brisbane, Australia, (ISBN ) 2. Dr. Lukács Pál 2008 Nemzeti Technológia Program: Élhető, fenntartható környezet RECYTECH projektkiírás 3. Andres, U Ts, Magnetic Liquids, Materials Science and Engineering. 4. Csoke, B, Schultz, Gy, Bokanyi, Lj and Takacs, J, Model Investigation for Ultra Coal Preparation by an Isodynamic Magnetohydrostatic Sluice, in Proceedings 12 th International Coal Preparation Congress, May Cracow, Poland. D-5. pp. 5. Csoke, B and Schultz, Gy, Modellierung von Trennprozessen in Magnetohydrostatischen Kanalen, Publ. Univ. of Miskolc, Series A. Mining, Vol. 50. No. 1. pp. 6. Jakabsky, S, Lovas, M, Mockovciakova, S and Hredzak S, Utilization of Ferromagnetic Fluids in Mineral Processing and Water Treatment. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. Vol No. 3: 7. Hartfeld, G, Magnetohydrostatic Separators State of Development. Aufbereitungstechnik, No.4/ Khalafalla, S E and Reimers, G W, Beneficiation With Magnetic Fluids. Pp (Report of Investigation United States Department of Interior, Bureau of Mines: 8532) 9. Rosensweg, R E, Magneses folyadekok: jelenseg es az eljaras alkalmazhatosaga, Magyar Kemiai Lapok. XLVII (in Hungarian) 10. Shimoiizaka, J, Nakatsuka K, Fujita T and Kounosu A, Sink-float Separators Using Permanent Magnets and Water Based Magnetic Fluid. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-16, No Svoboda, J, Magnetic Techniques for the Treatment of Materials, 642 p. (Kluwer Academic Publisher: Dordrecht) 27