Kutatási eredmények a DMSO projektben - Életciklus-elemzés (LCA) eredményei Előadó:Tóthné Szita Klára A DMSO tartalmú ipari szennyvíz újrahasznosítása bepárlással című Projektzáró Workshop Budapest, 2017. 01. 25.
Tartalom 1. A vizsgálat célja 2. Hipotézisek 3. Alkalmazott vizsgálati módszerek LCA 4. Eredmények (Nyílt láncú technológia DMSO kinyerése - Zárt láncú technológia) 1. Következtetés 2. Referenciák https://www.dreamstime.com/stock-illustration-circular-economyillustration-vector-showing-product-material-flow-white-backgroundarrows-product-life-cycle-image67903356
A vizsgálat célja A DMSO tartalmú ipari szennyvíz újrahasznosítása bepárlással című Projekt környezeti hatásértékelésének elvégzése a jelenlegi és a megalapozó kísérleti eredmények alapján, különös tekintettel a kb. 20 m/m% dimetil-szulfoxid (DMSO) tartalmú technológiai szennyvízből történő DMSO kinyerés karakterisztikus faktorainak meghatározására A DMSO 85, 90 %-os kinyerése mellett az As-met szűrőgyártás fenntarthatósági életciklus vizsgálata Projekt céljai: csökkenteni a szennyvíz mennyiségét, Újrahasználni a kinyert oldószert és vizet a gyártási folyamatban Tervezett technológia: desztilláció (T F DMSO > T F H2 O)
Hipotézisek A 20 %-os DMSO tartalmú szennyvíz bepárlásával visszanyert DMSO lecsökkenti: A környezetterhelést a DMSO kinyerés (98 %, 85 %, 90 %) függvényében (a szállítás és az égetésre szánt veszélyes hulladék is csökken), de a pótlólagos energia a környezeti megtakarítást mérsékli; Költségmegtakarítást eredményez ha a DMSO költségmegtakarítása > a hulladék bepárlásához szükséges anyag és energia költségnél Potenciális munkahelyteremtés Ha 50 % SPV-ből nyerik az áramot az további környezetcsökkenést jelent
Alkalmazott módszerek I. Összehasonlító környezeti életciklus hatásértékelés A jelenlegi (az üzem termelési adataira épülő) és a kifejlesztett zárt v. körforgásos technológiai megoldás között (amelyhez az adatokat a szennyvíz kvalitatív és kvantitatív elemzése és a laboratóriumi körülmények között végzett elválasztás biztosította), illetve a próbaüzem során mért adatok, Fenntarthatósági elemzés készítése, amely főleg Fenntarthatósági Életciklus Elemzésen (LCSA) alapul: Környezeti hatás (E-LCA) Gazdasági hatás (LCC) Társadalmi hatás (S-LCA) http://www.lifecycleinitiative.org/starting-life-cycle-thinking/life-cycle-approaches/life-cycle-sustainability-assessment/
Összehasonlító életciklus hatásértékelés Alapja: MSZ ISO 14040:2006 A funkció egység: 1 m 3 AsMet adszorbens anyag A rendszer határai: a kaputól a hulladék kezeléséig Adatok forrása: technológiai mért, elemzési, adatbázis (ecoinvent, GABi, Simapro); CML2001
Életciklus fenntarthatósági elemzés (LCSA) Az LCSA célja: a zárt technológia környezeti, gazdasági és társadalmi hatásainak értékelése. A funkció egység, rendszer határai megegyeznek a E-LCA-nál; az adatok forrása: üzemi technológiai, elemzési, adatbázisból származó Az alábbi szcenáriókat vizsgáltuk: Nyílt technológia (jelenlegi technológia) Zárt technológia különböző alternatívái DMSO 98%-os, 85 %-os, 90 %-os újrahasználata DMSO újrahasználat mellett 50 %-ban megújuló energiát is használunk Összehasonlítás dimenziómentesítés után http://www.sustainablemanufacturing.net/en_gb/subproject-a3
Eredmények 1. Nyílt technológia leltár adat ADP kg Sb eq. AP kg SO2 eq. EP Kg PO4 eq. GWP kg CO2 eq. ODP kg CFC 11 eq. HT Kg DB eq. POCP kg etén eq. Cérium (kg) 487,8 2,037495 4,881797 0,096909 312,5086 3,17E-04 121,4103 0,199652 EVOH( kg) 84,83478 9,501495 0,848348 0,16967 451,8613 1,01802E-05 12,72522 0,424174 DMSO (kg) 623,5416 13,00829 33,55354 1,557864 793,3694 1,09E-04 685,1783 0,621638 Csapvíz (m3) 15,90652 0,027077 0,003801 0,000691 3,883635 1,41201E-07 0,718723 0,000195 Vill.en. (MJ) 2749,257 10,35604 19,43143 0,473382 1870,742 0,000471324 172,062 1,041049 Földgáz (MJ) 3408 79,12537 6,268134 0,382312 1487,665 0,000101368 50,37469 1,136271 Hulladékkezelés (m3) 3,7 40,04743 15,71467 6,79678 9789,513 0,000909877 1074,976 0,747731 összes környezeti hatás/unit 154,1032 80,70171 9,477608 14709,54 1,92E-03 2117,445 4,170711
DMSO kinyerés Az oldószerhulladékból kinyert DMSO hatáskategória indikátor értéke: HKI = (m i *KI i )/X ahol m i = az i-edik komponens tömege/mennyisége KI i = az i-edik komponens egységének Kategória indikátor értéke X= a kinyert DMSO mennyisége
A desztillációs minták anyagmérlege Kísérleti minta száma DMSO kihozatal m/m % Veszteség m/m % Víz m/m % Üstmaradék m/m% Elm. DMSO tart.* m/m% 3510S03 15,99172 0,927744 80,84317 2,237373 18,22909 3510S08 17,42091 0,706019 79,72608 2,146991 19,5679 3510S11 21,25762 1,320218 74,65349 2,768674 24,0263 3510S13 15,90009 0,492592 81,41673 2,190585 18,09068 3510S51 19,03766 0,41841 78,24268 2,301255 21,33891 3510S52 18,57434 1,91446 76,98574 2,525458 21,0998 3510S53 17,49751 1,894317 79,36191 1,246261 18,74377 Átlag 17,95426 1,096251 78,74711 2,202371 20,15663 min DMSO 15,90009 0,492592 81,41673 2,190585 18,09068 max DMSO 21,25762 1,320218 74,65349 2,768674 24,0263 Forrás: FNT Projekt Ipari Fővállalkozás Kft. Vizsgálati Jelentés 2016.okt.20.
Hatáskategória indikátor értékek Hatáskategória indikátorértékek aránya az irodalmi adatokhoz HT össz ODP GWP (%) 120 100 80 60 40 20 0 POCP AP ADP EP A B C D E F jelmagyarázat A. minimális DMSO tartalom 85 %-os kinyerése, B. maximális DMSO tartalom 85 %-os DMSO kinyerésre, C. 98%-os DMSO kinyerés D. maximális DMSO tartalom 85 %-os DMSO kinyerés, maximális üstalj, E. maximális DMSO tartalom 90 %-os DMSO kinyerés, maximális üstalj, F. adatbázisból származó adatok
DMSO kinyeréstől függő GWP GWP (kg CO2 eq) alakulása / 1 kg DMSO - különböző DMSO tartalmú oldószer hulladék regenerálása esetén 1,4 1,2 1 0,785700821 1,091794847 0,88990459 1,272 0,8 0,648203177 0,569501167 0,6 0,4 0,2 0 min_ 85 max_85 átl _98 max_85_sok ü.a max_90 adatbázis
A DMSO környezeti hatásai (E-LCA) Táblázat 1: A DMSO (adatbázisból nyert adatok) környezeti hatásának összehasonlítása a kinyert DMSO, és a kinyert DMSO megújult energiaforrás (PV) használattal kiegészítve esetekkel (karakterisztikus faktor/ 1 kg) Abiotikus erőforrások kimerülése (ADP) Globális felmelegedési potenciál (GWP) Ózonréteg elvékonyodási potenciál (ODP) Savasodási potenciál (AP) Eutrofizációs potenciál (EP) Emberi toxicitás (HT) Fotokémiai oxidációs potenciál (POP) kg Sb eq. kg CO 2 eq kg CFC-11 eq. kg SO 2 eq. kg PO 4 eq kg 1,4-DB eq kg C 2 H 4 DMSO 0,021 1,272 1,76E-07 0,054 0,002 1,083 1,00E-03 DMSO_R 0,004221 0,569501 3,48E-08 0,002758 0,001693 0,345368 0,000107 DMSO_R + S PV 0,002906 0,395032 2,39E-08 0,001834 0,001089 0,05917 7,18E-05 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP ODP AP EP HT POP DMSO DMSO_R DMSO_R + S PV
Eredmények 2 Zárt technológia 85 % DMSO kinyerés leltár/unit ADP AP EP GWP ODP HT POCP Cérium (kg) 487,8 2,037495 4,881797 0,096909 312,5086 0,000317 121,4103 0,199652 EVOH( kg) 84,83478 9,501495 0,848348 0,16967 451,8613 1,02E-05 12,72522 0,424174 DMSO (kg) 623,5416 13,00829 33,55354 1,557864 793,3694 0,000109 685,1783 0,621638 Csapvíz 15,90652 0,027077 0,003801 0,000691 3,883635 1,41E-07 0,718723 0,000195 Vill.energia (MJ) 2749,257 10,35604 19,43143 0,473382 1870,742 0,000471 172,062 1,041049 Földgáz 3408 79,12537 6,268134 0,382312 1487,665 0,000101 50,37469 1,136271 Desztilláció 496,8 1,871372 3,511324 0,085542 338,0494 8,52E-05 31,09218 0,188121 Sűrített levegő 52,5 0,016094 0,022676 0,000726 2,926999 3,41E-07 0,121322 0,000904 Hulladék kezelés 0,860286 0,372855 3,354874 223,0001 1,89E-05 22,33287 0,016753 Összesen 116,8035 68,8939 6,12197 5484,007 0,001114 1096,016 3,628758 Megtakarítás -530,01-11,057-28,5205-1,32418-674,364-9,3E-05-583,892-0,52839
Eredmények grafikusan 160 140 120 100 80 60 40 20 0-20 -40 15000 10000 ADP kg Sb eq. AP kg SO2 eq. 5000 0-5000 HT kg 1,4-DB eq GWP kg CO2 eq. nyílt zárt megtakarítás GWP kg CO2 eq. 2500 2000 1500 1000 500 0-500 -1000 nyílt zárt megtakarítás
GWP leltárelemenként Nyílt technológia GWP értéke kg CO2 eq. 15000 10000 5000 0 Zárt technológia GWP kg CO2 eq. 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000
LCSA alapfeltevése A fenntarthatósági kritérium megfogalmazható úgy, hogy LCSA Ny >> LCSA z, Vagyis optimális esetben a mind a környezeti, mind az életciklus költség és a társadalmi LCA is kedvezőbb képet mutasson a zárt rendszer esetében, mint a nyílt technológiánál. Környezeti hatásnál: kihozatal 85 % ± 5 %, kiindulási szennyvíz DMSO tartalma 20 % közgazdasági hatások mérlegelésénél (LCC): a ledesztillált víz (70 %-a) visszakerül a rendszerbe, 30 %- lesz csak szennyvíz 2 fő 130000 FT/hó; 1 fő 190000 Ft/hó + járulék 27 % 10 % béremelés mellett hogyan változik a költség, hogyan változik a költség, ha a hűtővíz 50 vagy 100%-os mértékben visszavezetésre kerül. társadalmi hatás munkaidő hatékonyabb (desztilláció időtartama 5 óra) Milyen mértékben lehet visszaforgatni 85 % hatásfokkal kinyert DMSO-t?
A technológiák összehasonlító E-LCA-ja ADP AP EP GWP ODP HT POCP átlag Nyílt T 100 100 100 100 100 100 100 100 Zárt_A 71,15462 94,75627 100,1862 50,76945 99,99849 79,11786 99,99528 85,13974 Zárt_E 70,8232 94,71855 100,1575 51,02092 99,99857 79,14984 99,99528 85,1234 120 100 80 60 40 Nyílt T Zárt_A Zárt_E 20 0 ADP AP EP GWP ODP HT POCP átlag
Életciklus költségelemzés 4000000 3500000 3000000 2500000 2000000 1500000 1000000 Vízvissza R_DMSO Munkabér Desztilláció Szűrőgyártás 100 500000 0-500000 Nyílt Zárt_1 Zárt_2 95 90 85 80 75 Nyílt Zárt_1 Zárt_2
Társadalmi LCA Egységnyi bérre eső önköltség SLCA alakulása Ny Z_1 Z_2 bér+járulék 145450,7 145450,7 167268,3 önköltség 3933979 3399429 3365105 100 95 önköltség/bér 27,04682 23,3717 20,11801 % 100 86,41199 74,38216 90 85 Z1: 85 % kihozatal változatlan bér Z2: 90 % kihozatal, 15 % bérnövekedés 80 75 Nyílt Zárt_1 Zárt_2
Technológiák LCSA szerinti értékelése 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 LCA LCC SLCA LCSA Ny Z_1 Z_2 300 250 LCSA Ny >> LCSA z, 200 150 100 50 0 Ny Z_1 Z_2 LCA LCC SLCA
Fenntarthatósági Életciklus Elemzés (LCSA) A fenntarthatóság feltétele az alábbi: LCSA nyílt (=LCA+LCC+SLCA) > LCSA zárt (= LCA + LCC + SLCA) Környezeti szempontból : a legnagyobb különbségek az alábbi hatáskategóriákban adódtak: Abiotikus erőforrások kimerülése (ADP) Globális felmelegedési potenciál (GWP) Öko-toxicitás (ETP/HT) Gazdasági szempontból a DMSO és hulladékkezelés költsége áll szemben a megnövekedett energia és vízigénnyel Társadalmi szempontból hatékonyság javulás, ismeretbővülés, biztonságos munkakörülmények
Következtetések Előzetes becslések alapján: a veszélyes hulladék mennyisége 265,2 tonna/év-ről 5,5 tonna/év értékre csökkenthető, azaz 98%-kal; a gyártási folyamatnál felhasznált víz mennyisége csökkenthető hozzávetőlegesen 27%-kal, Az üvegházhatású gáz mennyisége 1 m3 szűrőanyag előállítása során 10 tonna megtakarítást jelent A kinyert DMSO mennyisége a desztilláció hatásfokától függ, azaz hogy milyen tisztaságban tudjuk visszanyerni A laboratóriumi vizsgálatok alátámasztják ezeket az előzetes becsléseket
Referenciák 1. Amelio Antonio, Giuseppe Genduso, Steven Vreysen, Patricia Luis and Bart Van der Bruggen (2014): Guidelines based on life cycle assessment for solvent selection during the process design and evaluation of treatment alternatives Green Chem., 2014, 16, 3045 2. Andersen MS (2007): An introductory note on the environmental economics of the circular economy - Sustainability Science,2: 133-140 Springer http://link.springer.com/article/10.1007/s11625-006-0013-6#page-2 3. Capello Christian, Stefanie Hellweg, Christina Seyler, Konrad Hungerbühler (2005): ecosolvent: A tool for waste-solvent management in chemical industry 27th LCA Discussion Forum, 17 November 2005 4. Gaylord Chemical (2015): Dimethyl sulfoxide recovery: Recovery, System Engineering And Environmental Considerations Gaylord Chemical.org 5. EEA (2016): Circular economy to have considerable benefits, but challenges remain http://www.eea.europa.eu/highlights/circular-economy-to-have-considerable 6. Jungho Cho and Dong Min Kim (2007): Comparison of distillation arrangement for the recovery process of dimethyl sulfoxide Korean J. Chem. Eng., 24(3), 438-444 7. Szita Tóthné K., J. Roncz (2016): Economic analysis of regional sustainability Hungary Ch.25. in in Fritz Balkau, Stefania Massari, Guido Sonnemann (ed.) 2016: Life cycle approaches to sustainable regional development, Taylor & Francis/Routledge in printing 8. Vignes, Robert (2000): Dimethyl Sulfoxide (Dmso) A New Clean, Unique, Superior Solvent American chemical society Annual Meeting, August 20-22, Washington
Köszönöm a figyelmet!