Műanyaghulladék menedzsment - pt.bme.hu 7 2018.pdf · Műanyaghulladék menedzsment. Regenerát...

Műanyaghulladék menedzsment

Pölöskei Kornél, adjunktus

2018. október 19.

Műanyaghulladék menedzsment 2

Az előadás vázlata

• A gumi gyártása

• Gumi hulladékok és újrahasznosításuk

• Járműipari gumi hulladékok újrahasznosítása

• Regenerát és TDV készítés

• Energetikai újrahasznosítás

Műanyaghulladék menedzsment 3

Milyen anyag a gumi?

Gyengén térhálós polimer

Nem olvasztható meg

A bomlási hőmérséklet alacsonyabb az olvadásinál

Nagy deformációs képesség

Jó csillapító képesség (torziós rugó)

Jó tölthetőség, ezzel kiváló

időjárás és kopás állóság érhető el.

Jól beállítható karakterisztika

Gumik és gumicsövek Dr. Halász István© 2018

1000 tonna

Statisztikák

4

Világ összes kaucsuktermelése (* a 2015-ös adatok január-márciusra vonatkoznak)

Forrás: International Rubber Study Group (IRSG)

Műanyaghulladék menedzsment 5

Hogyan gyártják a gumit?

Alapanyagok:• Kaucsukok (természetes

vagy szintetikus)• Vulkanizáló szerek• Töltőanyagok• Lágyítók• Egyéb

GumikeverékKeverés

Strukturált szerkezetTermékVulkanizálás

FormázásStrukturálás

Erősítés

Műanyaghulladék menedzsment 6

A gumikeverés eszközei

Keverők (Banbury) Hengerszék

Nagy nyíró erők, változtatható frikció (hengerek kerületi sebességének az aránya)Szakaszos üzeműNehézkes, ezért egyre kevésbé népszerű

Nagy nyíró erők, nagyon komplex ömledékáramlásokSzakaszos üzemű, könnyen automatizálhatóNagyon népszerű

Műanyaghulladék menedzsment 7

A gumikeverés eszközei

Extrúzió Kalander hengersor

Viszonylag egyszerű, termelékeny technológiaFőleg sík termékek gyártására alkalmasKönnyen felvihető a segítségével a gumikeverék az erősítő szerkezetre

Pontos, precíz technológia, de drágaJól homogenizálNem mindig a legtermelékenyebbJellemzően alacsony L/d viszonyBonyolult csigaszerkezet

Műanyaghulladék menedzsment 8

A gumiszerkezetek kialakítása / vulkanizálás

Gumi szerkezet kialakítása:

• Rendkívül sokféle szerkezet létezik.

• Ebben a fázisban kapja meg a végső formát a szerkezet, teljes

mértékben a felhasználási igényekhez lehet igazítani: abroncs, tömítés,

szállítószalagok stb.

• Akár többféle gumikeverék is társítható (pl. gépjármű hűtővíz csövek).

• Erősítő struktúra alakítható ki, (pl. csövek, abroncsok, szállítószalagok).

• Általában a gumi termékgyártás legösszetettebb lépése.

Vulkanizálás:

• Emelt kőmérsékleten.

• Kénes vagy peroxidos.

Műanyaghulladék menedzsment 10

• Újrahasznosítás

A hulladékká vált gumik 70-80%-át teszik ki a gumi abroncsok.Az újrahasznosítás még ma sem teljesen megoldott (Jakab Gusztáv).A hulladék gumik két fő csoportja:1. 1 Gyártásközi hulladék

2 Használt gumiabroncsA hulladék abroncsok újrahasznosításának lépései:

Begyűjtés – ez több módon is történhetEgy kiválasztott/elérhető hulladék kezelés

Futózás Részben anyagában Energetikaitörténő újrahasznosítás újrahasznosítás

Hulladékká vált gumi

Műanyaghulladék menedzsment 11

Gumiabroncsok Magyarországon• Becslések alapján az évente piacon értékesített gumiabroncs mennyisége

mintegy 45- 55.000 tonnára tehető.• Hazánk jelenlegi használt gumiabroncs hasznosító kapacitását 60- 70.000

tonnára becsülik.

Elad

ott m

enny

iség

Műanyaghulladék menedzsment 12

A gumiabroncsok sorsa

c

Műanyaghulladék menedzsment 13

A gumiabroncsok sorsa

A begyűjtött abroncsoknak minimum 50%-át anyagában kell hasznosítani.

Ezt az utóbbi években sikerült is tartani.

Műanyaghulladék menedzsment

Az újrahasználatnak két módja van:

1. Az egyik lehetőség, hogy az elhasznált gumiabroncsot más terepen, más előírásokkal alkalmazhatónak ítéli a szakember, vagy esetleg másik országban újra autóra szerelik. Ilyesmit tapasztalhattunk meg az 1990-es években, amikor nyugat-európai országokból használt gumiabroncsokat importáltunk, vagy mentek tovább pl. Ukrajnába, olcsón értékesítve azokat. Ez a módszer nem oldja meg a hulladékproblémát, és sok esetben károkat okoz a célország iparában, kereskedelmében.(Általános jelenség a Nyugat - Kelet irányú járműipari hulladék áramlás. Orosz László – Horváth Miklós)

2. A másik lehetőség, ha az elkopott futófelületet újrafutózzuk.

14

Újrahasználat

Műanyaghulladék menedzsment

Újrafutózás: A gumiabroncs futófelületének jelentős kopását követően új

futófelület kialakítása.

Az, hogy hányszor lehet ezt elvégezni, függ az abroncs gyártásakor

alkalmazott technológiától és a felhasználási körülményektől is:

• Repülőgép abroncsok: 5-7-szer

• Teherautó abroncsok 2-3-szor

Közúton használt abroncsok 60-70%-a felel

meg újrafutózásra.

Személyautó abroncsok futózása nem

jellemző. Miért?

15

Újrahasznosítás-futózás

Műanyaghulladék menedzsment

Magas fokon szabályozott folyamat. Az elfogadott legkorszerűbbtechnológia rendkívül fejlett.

Lépések:

A köpeny állapotánakelsődleges vizsgálata

Szabad szemmel éskézzelmegvizsgálják a teljesabroncsot.

16

Újrahasznosítás-futózás

Műanyaghulladék menedzsment

A láthatatlan biztonsági kockázatok műszeresszűrése

Zárványok, hibákkeresése.

Lézeres, vagyröntgenberendezéssel.

17

Műanyaghulladék menedzsment

Gumiabroncs geometriai tökéletesítése

A futófelületteljes felületéngépi csiszolás

18

Újrahasznosítás-futózás

Műanyaghulladék menedzsment

Kézi csiszolás és feltöltés

Maradék hibákjavítása.Megfelelő felületielőkészítésaz új futófelületszámára.

19

Újrahasznosítás-futózás

Műanyaghulladék menedzsment

Új futófelület felvitele

Gépi eljárás.Viszonylagospontosságot igényel.

20

Újrahasznosítás-futózás

Műanyaghulladék menedzsment

Vulkanizálás

A felvitt rétegtérhálósítása.Végeleges felületkialakítása.

21

Újrahasznosítás-futózás

Műanyaghulladék menedzsment 22

Újrahasznosítás-ŐrlésLépései:

1. Peremkarika eltávolítása (tehergépjármű abroncsoknál)2. Sredderelés3. További őrlés (főleg kriogén)4. Textil és fém erősítő szerkezet maradványainak eltávolítása

A gumi őrlemény önmagában piacképes termék. Az ára szemcsemérettől függ (a néhány centiméteres tartománytól egészen a 100 mikronos szemcseméretig gyártják).

Kettéválik a további felhasználás

Anyagában történő hasznosítás Energetikai hasznosítás

Regenerát készítés Pirolízis, égetés

Műanyaghulladék menedzsment Dr. Pölöskei Kornél © 2017 24

Újrahasznosítás-ŐrlésMechanikai őrlés

Fő technológiák:

•Vízsugaras vágás

•Sredderelés

Műanyaghulladék menedzsment Dr. Pölöskei Kornél © 2017 25

ÚjrahasznosításKriogén őrlés:A gumi elasztikus tulajdonságai és a nagyon jó energiaelnyelő képességemiatt van szükség arra, hogy Tg alatt őröljük.

Műanyaghulladék menedzsment Dr. Pölöskei Kornél © 2017

Újrahasznosítás

26

Őrlés: A gumi aprításával előállított őrlemény.Őrlési módszerek: mechanikus, kriogén, vízsugaras.

Műanyaghulladék menedzsment 27

Tanszéki kutatások• Széleskörű kutatások folynak SBR és EPDM devulkanizációjára /

ezekből való regenerát képzésére• A főbb devulkanizációs eljárások:

• Termo-mechanikus bontás• Kémia devulkanizálás devulkanizáló szerek alkalmazásával• Mikrohullámú devulkanizáció• Ultrahangos devulkanizáció• Biológiai devulkanizáció

Műanyaghulladék menedzsment

Regenerát készítéseAz őrölt hulladékgumi általában hővel és mechanikaienergiával történő lebontásával, esetenként vegyszerekalkalmazásával hozzák létre.A gumi regenerálása depolimerizációs folyamat, amely során akaucsuk molekula láncok hasadása következik be, és a gumikisebb térhálós egységekre esik szét. Teljes devulkanizálásnem játszódik le, mert a vulkanizátumban a kötött kénmennyisége változatlan marad.Az oxigén és a kémiai lebontószerek gyorsítják a folyamatot.Lágyító alkalmazásával a folyamat hatásosabb, mivel a lágyítófeszíti a térháló szerkezetet a gumi duzzasztásával.

28

Újrahasznosítás-anyagában történő

Műanyaghulladék menedzsment

Regenerát jellemzői• A folyamat során nem megy végbe teljes bomlás• Gumiszerű a végtermék, de a minősége gyengébb• Az alkalmazása korlátozott:

• Gumi aszfalt keverék készítése• Kültéri burkolati elemek gyártása

Felhasználásával olcsóbb keverékek állíthatók elő, könnyítia keverési folyamatot, csökkenti az energia szükségletet.Alkalmazása 10 %-ig ajánlott, mert e fölött romlanak afizikai tulajdonságok. Számos termékben alkalmazhatók,gépjármű abroncsban csak kisebb százalékban, elsősorbankis sebességű köpenyekben.

29

Újrahasznosítás-anyagában történő

Műanyaghulladék menedzsment 30

EPDM devulkanizálása

• Devulkanizálás / regenerát gyártás• A devulkanizátum minőségének meghatározása (sol

tartalom és molekulatömeg eloszlás) • Jelenleg is folynak kísérletek – cél: termoplasztikus

dinamikus vulkanizátumok gyártása gumi regenerát és hőre lágyuló polimerek felhasználásával.

• Előkísérlet: ablaktörlő kompaundálása üzemanyag tartály anyagával.

• Fő kísérlet: ablaktörlők devulkanizálása és primer HDPE segítségével TDV készítése

• TDV gyártási kísérlet – eredmények értékelése

Műanyaghulladék menedzsment

HDPE – EPDM TDV gyártásaCél: a hőre nem lágyuló térhálós szerkezet felbontása

EPDM Regenerát

– Mechanikai tulajdonságok jelentős romlása– Korlátozott felhasználási lehetőségek– Teljes devulkanizáció – jelenlegi technológiáinkkal nem

valósítható meg– Regenerát tulajdonságainak ellenőrzése Soxhlet

extrakcióval és GPC elájárással– TDV gyártása

Hőbevitel és nyíró igénybevétel

31

Műanyaghulladék menedzsment 32

„Ablaktörlő – üzemanyagtank kompaund” készítése• Ablaktörlő „gumi” – EPDM • Üzemanyagtartály – HDPE• Lökhárító – PP-EPDM (itt csak társított

anyag)

A kiválasztott keverékek összetételei:• HDPE• HDPE-EPDM• PP-EPDM• PP-EPDM/EPDM• HDPE-EPDM-PP-EPDM/EPDM

• A járműipar 9%-át teszi ki az éves műanyagfelhasználásnak (2012)

• Műanyag és gumi alkatrészek újrahasznosítása nem megoldott

• Autóipar törekvése a tömegcsökkentésre

• Gazdasági érdekek a környezetvédelmi érdekek felett állnak

• EPDM alkatrészek:• ablaktörlők• ajtószegélyek• hűtővíz csövek• tömítések

Műanyaghulladék menedzsment 33

Berendezés/anyag HDPE PP-EPDM

EPDM

Festékeltávolítás X

Hengerszék X

Belső keverő X

Egycsigás extruder X

Daráló X X

Ikercsigás extruder X X X

Granuláló berendezés

X X X

Fröccsöntőgép x X x

„Ablaktörlő – üzemanyagtank kompaund” készítése

Az egyes keverékek előállításhoz használt technológiák/berendezések:

Műanyaghulladék menedzsment

• Cél: ablaktörlő gumik feldolgozható méretűvé aprítása hengerszékkel – 6-szoros fordulatszám különbség, hűtött hengerekkel– Fokozatos résméret csökkentés

„Ablaktörlő – üzemanyagtank kompaund” készítése

34

Műanyaghulladék menedzsment

Regenerát képzés belsőkeverőben

• Folyamatos keverés kezdetekor már 180°C

• Folyamatos keverés végére inhomogén hőmérséklet eloszlás

– Külső rész környezetében ~200°C– Belső rész környezetében ~ 280°C

• Feldolgozás paramétereinek meghatározása– Adott:

• Előfűtés hőmérséklete 180°C • Keverés fordulatszáma: 160 min-1

– Meghatározandó a folyamatos keverés időtartama:• 5, 10, 15 min időtartamon végzett kísérletek

• Feldolgozás teljes időtartama 25 perc

35

Műanyaghulladék menedzsment 36

Vizsgálati eredmények

EPDM

Műanyaghulladék menedzsment

Minta Kezdetitömeg [g]

Szárítás utáni

tömeg [g]

Kioldotthányad

[%]

1. 15,5 10,5 32,26

2. 10,3 6,2 39,81

Vizsgálati eredményekSoxhlet extrakció

1. minta: repedezett EPDM regenerátból2. minta: összefüggő felszínű, ragadósabb regenerátból

37

Műanyaghulladék menedzsment 38

Horikx módszer

Műanyaghulladék menedzsment 39

• Előbbi egyenletek alapján: függvényábrázolás• Kísérleti eredmények ábrázolása a diagramon• Degradációs, vagy devulkanizációs viselkedés meghatározása

0

5

10

15

20

25

0 0,25 0,5 0,75 1

Old

ható

fázis

ará

nya

(%)

Térhálósűrűség relatív csökkenése

Random scission Cross-link scission if γi=10 Cross-link scission if γi=20

Horikx módszer

Műanyaghulladék menedzsment 40

Gél permeációs kromatográfia (GPC)

Oldószer tartály

Szívattyú

Kolonna Adatrögzítés

Érzékelő

Elválasztott mintafrakciók

• A degradáció mértékét a molekulatömeg változásával lehet jellemezni• Felépítés: lásd ábra• A mintát az oldószerbe injektáljuk• Működési elv: a folyamatosan áramló

oldószer sol tartalmát és annak molekulatömeg eloszlást mérjük

Műanyaghulladék menedzsment 41

Kalibrációs görbe alapján kromatogram

Gél permeációs kromatográfia (GPC)

Műanyaghulladék menedzsment

Egycsigás extrúzióCél:

– Ikercsigás extruderrel való feldolgozás megkönnyítése– Pontosabb adagolás elérése

http://www.pt.bme.hu/gepadat.php?sorszam=111&l=m

42

Műanyaghulladék menedzsment

Ikercsigás extrúzió és fröccsöntésIkercsigás extrúzió:

– A HDPE és az EPDM regenerát kompaundálása,– Regranulátum készítése,– Homogénebb szerkezet, kontrollált folyamat.

Fröccsöntés:– Végső alakadás,– Próbatestek előállítása,– Termelékeny, gyakorlatias.

http://www.pt.bme.hu/gepadat.php?sorszam=111&l=m

43

Műanyaghulladék menedzsment

Vizsgálati eredményekHúzó- és hajlító rugalmassági moduluszok

44

Műanyaghulladék menedzsment

Húzószilárdság

Vizsgálati eredmények

45

Műanyaghulladék menedzsment

Keménység

Vizsgálati eredmények

46

Műanyaghulladék menedzsment

Charpy-féle ütőmunka

Vizsgálati eredmények

47

Műanyaghulladék menedzsment

Szakadási nyúlásVizsgálati eredmények

48

Műanyaghulladék menedzsment

Vizsgálati eredményekEPDM 25 töretfelületének SEM képe

49

Műanyaghulladék menedzsment

HDPE – 75%EPDM töretfelületének SEM képeVizsgálati eredmények

50

Műanyaghulladék menedzsment 51

HDPE-20%EPDM SEM felvétel:

„Ablaktörlő – üzemanyagtank kompaund”

• Nagyon jó az EPDM fázisok eloszlása, kicsi a szemcsék mérete.

• Érdemi határfelületi réteg kialakulása az EPDM és a HDPE házisok között (Ok: az üzemanyag tartály EVA tartalma kompatibilizálókéntműködött).

• A fentiek eredményeképp több mint 40%-kal nagyobb volt a HDPE-EPDM kompaund fajlagos ütőmunkája, mint a HDPE ütőmunkája.

Műanyaghulladék menedzsment 52

Tanulságok

• Nehézkes és bonyolult a regenerát képzés • Anyagok feldolgozása, összedolgozása nem egyszerű• Hozzáadott adalékanyagok nélkül nem értük el a

hulladékkal produkálható eredményeket• EPDM jelenléte, eloszlása nem megfelelő adalékolás

nélkül• További vizsgálatok szükségesek

Műanyaghulladék menedzsment

Fő probléma az energia mérleg:1 kg gumiabroncs előállításához 32 kWh energiát használnak fel. Ezzel szemben, ha ezt az 1 kg abroncsot elégetjük, mindössze 9 kWh energiát kapunk. Ez azt jelenti, hogy a gumiabroncs előállításához befektetett energia több mint kétharmada el fog veszni.

53

Energetikai újrahasznosítás

Műanyaghulladék menedzsment 54

Energetikai újrahasznosításGumiabroncsok főbb energetikai jellemzői

Energetikai hasznosítás előnyei:gumiabroncsok égetésekor kevesebb CO2 keletkezik, mint ha fosszilis üzemanyagot égetnénk. A gumiabroncsok mellett szól alacsony kéntartamuk is (átlagosan 1,3-1,4%), ami megegyezik a szén kéntartalmával.Energetikai újrahasznosítás két jellemző formája:1. Égetés (tipikusan cementgyárakban)2. Pirolízis

Műanyaghulladék menedzsment 56

Energetikai újrahasznosításPirolízis problémái:

• Nem kiforrott technológia

• A szakaszos üzemű technológia olcsóbb, de nehézkesebb

• A koromkezelés nincs megoldva

• A koromba gyűlik össze minden nem éghető szilárd anyag

(fém, és szilikát alapú szennyeződések)

• Gazdaságilag nem életképes

• Társadalmilag nem elfogadott

• Lehet, hogy a jövő technológiája, de még fejlesztésre

szorul

Műanyaghulladék menedzsment 57

ÚjrahasznosításHulladékok egyéb felhasználása (újrahasználat):

Műanyaghulladék menedzsment

Összegzés

• A keletkező hulladékok teljes mennyiségének hasznosítása lefedett

• Csak nagyon nagy állami támogatással életképes

• Az égetés és az őrlés kiforrott technológiák

• Vannak bíztató fejlesztési irányok:

• Pirolízis

• „Gumi aszfalt”

• Támogatással jól működik a rendszer, megoldott a keletkező

gumihulladékok hasznosítása, de a hosszútávú fenntarthatóság

fejlesztések nélkül kérdéses

58

Műanyaghulladék menedzsment

Hirdetmény

Hirdetni való:

• Jövő héten MOL-os vendégelőadó, jöjjenek

• Toldy tanárnő is itt lesz, és az előadás után lehet vele konzultálni, ha

valakinek segítségre van még szüksége a prezentáció elkészítésében.

• Erről küld még Neptun-üzenetet.

60

www.pt.bme.hupoloskei@pt.bme.hu

Köszönöm a figyelmet!