Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége

Átírás

1 Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége Dobrovszky Károly BME Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék Műanyaghulladék menedzsment 4. előadás, október 2.

2 Tartalomjegyzék 1. Műanyaghulladék összetétele és inkompatibilitása 3. Szétválasztási lehetőségek Manuális Optikai Sűrűség szerinti szétválasztás Felületmódosítás (kémiai módszer, besugárzás) Mágneses szeparálás Tribo-elektrosztatikus szétválasztás 4. Újfajta szétválasztási lehetőség (polimer ömledékcentrifuga) 5. Következtetések, összefoglalás Dobrovszky Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 2 / 33

3 Iparágyak műanyagigénye PlasticsEurope: Plastics - the Facts 2014/ / 33

4 Kutatási terület ismertetése Nem-elegyedő, hőre lágyuló polimer keverékek (különösen: LDPE, HDPE, PP, PS, PET, PA) PS SAN ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE PS 1 SAN 6 1 ABS PA PC PMMA PVC PP LDPE HDPE jól elegyedik 6 nem elegyedik egymással PET PET Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai (2007). 4 / 33

5 Európai műanyagigény IPTS: End-of-waste criteria for waste plastic (2013) 5 / 33

6 Európai műanyagigény IPTS: End-of-waste criteria for waste plastic (2013) 6 / 33

7 Kutatási terület ismertetése Műanyaghulladék mennyisége és aránya az EU-ban Lakossági műanyaghulladék összetétel (EU 27, 2010.) [%] [kt] LDPE 27, PP 17, HDPE 14, PET 11, PVC 8, PS 6, PA 1,4 335 Egyéb 13, : 100 % 24,7 Mt IPTS: End-of-waste criteria for waste plastic (2013) 7 / 33

8 Műanyaghulladékok típusa Milyen típusú műanyaghulladékok lehetnek? Darált, fajtatiszta hulladék ( ipari hulladékból, betétdíjas gyűjtési módszer) Többfázisú blendek (termékben több műanyagtípus) ( anyagváltás, élelmiszer PET/HDPE és PS/HDPE) Műanyaghulladék nincs szétválogatva ilyen keverék Alkotók között gyenge adhézió, rossz mechanikai tulajdonság. Habosított anyag Szálerősített anyag Társított anyagok Szennyezett hulladék Corroller és Favis. Polymer 52, 3827 (2011). 8 / 33

9 Együttes feldolgozás? Műanyagok feldolgozásának ideális tartománya Amorf műanyag Részben kristályos műanyag INCOE: Process temperature guidelines. 9 / 33

10 Újrahasznosítása szintek 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). 10 / 33

11 Műanyaghulladék szeparálás MANUÁLIS VÁLOGATÁS Előny: olcsó eljárás, üzemeltetés kis beruházási költség veszélyes hulladék kiszűrhető Hátrány: emberi hibázás (max. 90% hatékonyság) sok esetben csak előválogatás személyzet egészségügyi kockázata Dobrovszky Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 11 / 33

12 Műanyaghulladék szeparálás SPEKTROSZKÓPIAI VÁLOGATÁS Sugárforrás lehet: - optikai fény - infravörös hullám - röntgensugárzás - UV sugárzás - lézer Előny: - automatizálható - alacsony üzemeltetési ktg. - általában gyors azonosítás Hátrány: - sötét, fekete színű termék nehezen nem választható le - szennyezett termék Bezati et al. Resour Conserv Recy 55, 1214 (2011). 12 / 33

13 Műanyaghulladék szeparálás SPEKTROSZKÓPIAI VÁLOGATÁS - INFRAVÖRÖS fekete színű termék nem, vagy nehezen detektálható autóroncsokból visszanyert műanyag gyakran sötét, fekete színű szennyeződések módosítják a visszavert spektrumot Bezati et al. Resour Conserv Recy 55, 1214 (2011). 13 / 33

14 Műanyaghulladék szeparálás Integrált optikai és mikroszkópi rendszerek hulladékáram fényképezése, hulladék Raman-spektrumának összehasonlítása adatbáziséval Elméletben Gyakorlatban Hull Intensity (cnt) PET LDPE Raman shift (cm -1 ) Dobrovszky Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 14 / 33

15 Sűrűségkülönbség szerint Különböző műanyagokra jellemező sűrűségtartományok Szétválasztási közegek: nedves vagy száraz Ronkay, Dobrovszky, Toldy: Műanyagok újrahasznosítása (2015) 15 / 33

16 Sűrűségkülönbség szerint Szárazközeges szétválasztás Előny: nagy kihozatal, olcsó Hátrány: azonos sűrűségű anyag, társítás, habosítás, erősítőanyagok Ellenáramú Keresztirányú légáram v > w Szemcse lesüllyed v = w Szemcse lebeg v < w Szemcse felfelé Ronkay, Dobrovszky, Toldy: Műanyagok újrahasznosítása (2015) 16 / 33

17 Sűrűségkülönbség szerint Légszér működése Előny: nincs szétválasztó közeg, kisebb környezetterhelés, nagy kihozatal Hátrány: csak nagyobb sűrűségkülönbségek esetén hatékony Ronkay, Dobrovszky, Toldy: Műanyagok újrahasznosítása (2015) 17 / 33

18 Sűrűségkülönbség szerint Nehézközeges szétválasztás nedves dúsítással Előny: megadott sűrűségi határnál nagyon jó, éles elválasztás Hátrány: szétválasztó közeget regenerálni kell (környezetterhelés + költség) Csőke: A hulladékfeldolgozás szeparátorai, Miskolci Egyetem 18 / 33

19 Sűrűségkülönbség szerint 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) Kis sűrűség Nagy sűrűség Carvalho et al. Waste Management 27, 1747 (2007). 19 / 33

20 Sűrűségkülönbség szerint 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). 20 / 33

21 Sűrűségkülönbség szerint Sűrűségkülönbségen alapuló eljárás előnyei olcsó berendezés, olcsó üzemeltetés elterjedt, egyszerű, megbízható eljárás nagy kihozatal, automatizálható Sűrűségkülönbségen alapuló eljárás hátrányai Általában csak egy szétválasztási határ 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 (PET/PVC, PE/PP, ABS/PS) nem választhatók szét egymástól problémát okoznak az előzetesen ömledékállapotban előállított blendek erősítőszálas, vagy habosított alapanyagok eltérő sűrűsége Dobrovszky Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 21 / 33

22 Kémiai flotáció 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: Peremszög megváltozása 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 Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 22 / 33

23 Kémiai flotáció 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). 23 / 33

24 Lakossági hulladék szétválasztás Háromlépéses szétválasztás: kémiai felületmódosítással Pongstabodee: Three-stage sink float method. Waste Management 28, 475, / 33

25 Mágneses szeparálás Magneto-hidrosztatikus szétválasztás Mágnesezhető ferritszemcsék rendeződése gradiens mágneses mező Folyadékoszlop különböző magasságában változik a mágneses mező Folyadékra mágneses és gravitációs mező együtt hat Bakker et al.: Magnetic density separation. Waste Management 29, 1712 (2009). 25 / 33

26 Tribo-elektrosztatikus szétválasztás Részecskék egymással súrlódnak ütköztetés során, a töltések felgyülemlenek az anyag felszínén, töltésáramlás indul a nagyobb elektronaffinitású polimer irányába Lakossági hulladékból a PVC könnyebben leválasztható Probléma: szemcsék összetapadása Wu G.: Triboelectrostatic separation. Waste Management 33, , / 33

27 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). 27 / 33

28 Tanszéki szeparáló projekt Polimerömledék-centrifuga fejlesztés Jelenlegi berendezések általában nem képesek egy lépésben több műanyag megfelelő minőségű szétválasztására Az előzetesen ömledékállapotban kompaundált blendek ismételten anyagában történő szétválasztása nem megoldott Minőségnövelt újrahasznosításhoz elengedhetetlen a tiszta, szétválogatott reciklált nyersanyag Új szétválasztási módszer: műanyagok ömledékállapotában, centrifugális erőtérben Dobrovszky K., Ronkay F.: Polimerek újfajta szétválasztási lehetősége. Mechanoplast 2013, Miskolc. 28 / 33

29 Műanyagok szétválasztása Fejlesztett ömledékcentrifuga ömledékállapotú szétválasztás, centrifugális erőtér több elválasztási határ egy lépésben ömledékállapotban kompaundált többkomponensű blend szétválasztható összetétel aránya becsülhető Szétválasztást befolyásoló további tényezők: műanyagok viszkozitása és fajtérfogata adhézió a fázisok között A szétválasztás eredményességét befolyásoló legfőbb tényező: F cf ρ a V a r (2 π n c,p 60) 2 Dobrovszky K., Ronkay F.: Polimerek újfajta szétválasztási lehetősége. Mechanoplast 2013, Miskolc. 29 / 33

30 310 C Műanyagok szétválasztása Előzetesen, ömledékállapotban előállított PET/LDPE blendek PET/LDPE keverék előzetes homogenizálása belső keverőben (250 C, 10 perc) külső zóna Intensity (cnt) ref. PET ref. LDPE Raman shift (cm -1 ) Dobrovszky K., Ronkay F.: Waste Management 34, (2014). 30 / 33

31 Műanyagok szétválasztása Kompaundált blendek szétválasztása Ikercsigás extruderben homogenizált keverékek ismételten szétválaszthatók tiszta anyagfrakciókra 50/50 tf% PS/HDPE 50/50 tf% PET/HDPE 50/50 tf% PA6/HDPE Dobrovszky Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 31 / 33

32 Intensity (cnt) Szétválasztás. Összetétel-elemzés PP Intensity (cnt) Raman Shift (cm -1 ) PS Intensity (cnt) Raman Shift (cm -1 ) PA6 Eredeti arány [%] Számolt [%] PP 20,0 20,1 PS 23,0 23,4 PA6 27,0 26,6 PET 30,0 29,9 PET Raman Shift (cm -1 ) Dobrovszky, Csergő, Ronkay: Materials Science Forum 812, (2015). 32/ 33

33 Összefoglalás Sűrűségkülönbségi problémák (PET/PVC, ABS/PS, PE/PP) Fontos a degradáció mértéke (tulajdonságbeli romlás) Szinte bármilyen hulladék szétválasztható ismételten tiszta alkotókra (megfelelő eljárások léteznek), azonban kérdés a gazdaságosság és a környezetvédelem. Cél a minimális környzetterhelés Hulladék szétválaszthatóságát nehezíti az adalékanyagok jelenléte, szálerősítések alkalmazása, habosított termékek, többkomponensű blendek Rosszul leválasztott hulladék szennyezőként jelenik meg egy másik frakcióban Egyre szigorodó környezetvédelmi szabályozások + társadalmi igény Ugyan a műanyagok rendkívül tartósak, azonban a legtöbb termék rövid életciklussal jellemezhető (gyorsan kerülnek hulladékba) A hulladék begyűjtése és válogatása rendkívül drága Dobrovszky Károly: Műanyaghulladékok szétválasztási lehetősége 33 / 33

34 Köszönöm a figyelmet! Dobrovszky Károly dobrovszky@pt.bme.hu