6. HULLADÉKOK ÁRTALMATLANÍTÁSA, KEZELÉSE ÉS A HASZNOSÍTÁS ELJÁRÁSAI

6. HULLADÉKOK ÁRTALMATLANÍTÁSA, KEZELÉSE ÉS A HASZNOSÍTÁS ELJÁRÁSAI 6.1. Mechanikai fizikai eljárások 6.1.1. Aprítás, darabosítás és osztályozás Fejezet szerzője: Prof. Dr. Csőke Barnabás 6.1.1.1. Aprítás A hulladékok alakváltozás-törés –az építési hulladékok kivételével- többnyire nem rugalmasokridegek, hanem szívós törést szenvedő képlékeny, rugalmas-képlékeny, valamint viszkoelasztikus viselkedésűek. Fontosabb aprítási igénybevételek A hulladék-nyersanyagok aprítására ennek megfelelően megfelelő igénybevételek nyírás, vágás, dörzsölés és ütés. A nyíró, vágó aprítógépekben az aprítást az egymással szembe mozgó (forgó) vágó, nyíró szerszámok végzik. A jellemző meghatározó igénybevétel a nyírás. A nyírási igénybevétel mellett megtalálhatóak az ütő igénybevétellel dolgozó gépek is a (kalapácsos törő, ill. shredder kalapácsos törő) a mezőgazdasági melléktermékek, elektronikai hulladékok, autóroncsok, hulladékpapír leaprításra, ahol legnagyobb részben a nagy sebességgel forgó kalapácsok ill. lemezkalapácsok biomasszával történő ütközésének, ülő beépítéskor (shredderek) nyíró-ütő-csavaró igénybevétel hatására következik be az aprítás. A következő két alfejezetben az anyagok alakváltozási viselkedését ismertetjük. Anyagi tulajdonságok A szilárd anyagok alakváltozási viselkedésük (fajlagos alakváltozás-feszültség diagram) alapján csoportokba sorolhatók (ábra). Nemlineáris-rugalmas osztályon (/a) belül a gumi-rugalmasak (nagy deformáció kis feszültség hatására) ill. rideg viselkedés (kismértékű deformáció és nagy feszültségek) különböztethetők meg. A rugalmas-képlékenyek anyagok (/b) a folyáshatárig rugalmas viselkedést mutatnak, a továbbiakban irreverzibilis alakváltozást szenvednek, megfolynak. A viszko-elasztikus (/c) viselkedésre befolyással bír a hőmérséklet és a feszültségváltozás sebessége. A reális anyagok többé-kevésbé kevert alakváltozási viselkedést mutatnak.

40

6.1.1.1. ábra. Testek alakváltozása (σ- ébredő normálfeszültség, ε – fajlagos alakváltozás) [4] A 6.1.1.1. táblázat az anyagjellemző és az igénybevételi mód közötti kapcsolatot szemlélteti. 6.1.1.1.táblázat: Összefüggés az igénybevétel és az anyagminőség ([1] nyomán) Anyagminőség Nyomás

Ütés

Dörzsölés

Ütközés

Nyírás

Vágás

Kemény koptató Kemény rideg Kemény szívós Közép-kemény Lágy-rugalmas Viszko-elasztikus Nedves képlékeny (igen lágy) Lágy rideg Lágy szívós Szálas

Jól alkalmazható

Alkalmazható

Nem alkalmazható

A fenti táblázat alapján megállapítható, hogy az hulladék anyagok többségére a nyírás, vágás, a szálas anyagokra, biomasszákra pedig a nyírás vágás mellett az ütés, dörzsölés a legelőnyösebb.

41

Vágó, nyíró igénybevételek Nyírás A nyírás során a lemezes ill. szálas anyagot annak nyírási felületén eltolva elrendezett a nyíró-él pár először képlékenyen deformálja (és keményíti), majd elszakítja (ábra). b

b = u + 2 y/3 MB = F b A nyíróerő nagysága:

F

sr

y y

so

Ft

F u

Ft

F=pA p - maximális fajlagos nyíróerő [Pa]  x A - nyírt felület [m2] y p = k τm τm (laboratóriumban mért) nyírószilárdság k - korrekciós tényező (a laboratóriumi és az üzemi feltételek közötti eltérés) A nyomaték maximális értéke: Mmax=b Fmax = kAmb [ Nm ] b – erőkar [m] 6.1.1.2. ábra. Erőtani viszonyok a nyírás során [2]

A folyamat során a szerszám (F erővel) elsőként megnyomja az anyagot, amely ennek hatására a nyírórésben (u) meggörbül, a nyomófeszültségek a nyíró-él környezetében koncentrálódnak, ezáltal MB hajlító nyomaték lép fel és Ft oldalirányú erő ébred. A nyíróerő növelésével a nyíróéleknél keletkező képlékeny zónák összeérnek, az elmozdulás egy meghatározott értékénél pedig repedések keletkeznek, amelyek gyorsan tovaterjednek a vágandó felületen. Az u rés optimális értékénél a két repedés közvetlenül egymásba fut. Ha a e rés kisebb az optimálisnál, akkor a repedések egymást elkerülik, amelynek következtében összekötő felület (híd) alakul ki, majd az a vágóerő hatására híd is szétszakad és ezzel befejeződik a nyírás [1]. Vágás A vágást jellemzi, hogy a szétválasztási zóna a vágókés közvetlen környezetében egyenes vonal mentén az aprítandó anyagban terjed. Az aprítandó anyag így a vágókés mentén fellépő nyomófeszültségek hatására (ami a szétválasztáshoz szükséges húzófeszültségeket biztosítja) és az ék feszítő hatása által kerül szétválasztásra. Az ellen-késdarab ellentartóként szolgál, és a vágást csak a késhez mért legkisebb távolsága befolyásolja [3].

42

6.1.1.3. ábra: Vágás Nyíró áramlás A relatív gyenge szilárdsággal bíró anyagok (pl.: használt papír zagy) feltárására nyíróáramlások és intenzív turbulens mezők is használatosak. Az ekkor fellépő nyíró-igénybevételek kímélő szétválasztást eredményeznek. Aprítógépek és alkalmazási területük Az aprító- és őrlőgépek vonalas vázlatát a 61.1.4.ábra tünteti fel. Az aprítógépek alkalmazási területét, a töret, ill. őrlemény kb. 80%-os szemnagyság-határait a 6.1.1.2.táblázat mutatja be [1,4].

Pofástörő

Röpítő-törő

Körtörő

Röpítőmalmok

Kúpostörő

Kalpácsos-törők

Hengeres-törők és- malmok

Kalapácsos-shredder

-malmok

Gyűrűsmalmok

Keverőmalom

Dobmalmok

Sugármalom

Planétamalmok

Vágómalom

Rezgőmalmok

Rotorosnyíróaprítógép

6.1.1.4.ábra: Aprítógépek

43

6.1.1.2.táblázat: Az aprítóberendezésekre jellemző igénybevétel, feladás és töret szemcseméret, valamint fajlagos aprítási munka Aprítógép

Fő Erőhatás

Szemcsenagyság, [mm] Feladás Töret, őrlemény

Aprítási munka [kWh/t]

Pofástörő

Nyomás

150-1800

25-250

0,2-0,7

Körtörő

Nyomás

150-1800

25-250

0,15-0,5

Nyomás, ütés

25-250

5-40

0,4-2,2

Sima hengerek

Nyomás

5-75

3-15

0,7-1,1

Tüskéshenger

Nyírás, ütés, dörzsülés

75-500

50-200

0,15-0,4

Röpítőtörő

Ütközés, ütés

20 - -1200

5 – 80

0,4 - 3

Ütőmalom

Ütés, ütközés, dörzsölés

2-20

0,01-0,5

5 - 50

Kalapácstörő

Ütés, ütközés, nyírás

1-500

0,1-50

0,7-50

Gyűrűsmalom

Dörzsölés, nyomás, ütés

0,5-25

0,04-0,8

4-100

Rudasmalom

Nyomás, dörzsölés, ütés

5-25

0,07-0,8

7-15

Golyós-, cső-, autogénmalom

Ütés, dörzsölés

5-20

0,04-0,5

10-30

Rezgőmalom

Ütés, dörzsölés

0,5-10

0,01-0,2

6-7 (1

Sugármalom

Ütközés, dörzsölés

0,15-15

0,001-0,03

100-1000

Kalapácsos shredder

Nyírás, csavarás, ütés

200-1000

20-150

20-75

Vágómalom

Nyírás, vágás

10-1000

2-200

10-50

Nyírás, szakítás (tépés)

100-1000

10-1900

7-90

Kúpostörő

Rotoros nyíróaprítógép

(1 1 tonna őrlőgolyóra

A pofástörőket és körtörőket a kemény, koptató, rideg anyagok durvatörésére alkalmazzák, de középaprításra szerkesztett gépeik is vannak. Két meredek, alul hegyesszöget bezáró törőfelületük van; az egyik áll, a másik ehhez váltakozva közeledik-távolodik. A kúpostörők a kemény anyagok középaprítására a legelterjedtebben használt gépek. Szemben körtörőkkel, melyek mozgó kúpja vízszintes síkban - kis kilengéssel - köröz, a kúpostörők feje nagy kilengéssel, közel függőleges irányban közeledik-távolodik az álló törőfelülethez. Hengeres törők. A sima vagy kissé recézett, egymással szembe forgó henger-pár kemény és középkemény anyagok finom- és középaprítására való. A fogazott vagy tüskés hengerek a lágy, középkemény anyagok durvatörésére alkalmazzák. Lehetnek egy- és kéthengeresek. A röpítőtörők ütközéssel, egyetlen felületen aprítanak: a forgó rotor dobólécei által eltaszított darabok az álló páncéllemezelem ütközve törnek el. Széles szemnagyság tartományba, a durva-, 44

közép- és finomaprításra egyaránt alkalmas gépek, amelyek kemény rideg anyagok aprítására is használhatók; szívós vagy képlékeny anyagok törésére azonban nem alkalmasok. A kalapácstörők - ellentétben a röpítő-törőkkel - lágy és törékeny vagy szívós de nem koptató és szálas anyagok aprítására egyaránt alkalmasak. Töretük szemcsemérete igen széles tartomány fog át: durvatörésre is, finomaprításra, sőt száraz őrlésre is használhatók. A kalapácstörő egy acéllemezházban helyezkedik el, ahol egy gyorsan forgó rotor található. A rotoron csuklós ütőszerszámok (kalapácsok, verőgyűrűk) helyezkednek el. Ezek az ütőszerszámok a centrifugális erő hatására radiálisan elmozdulnak, az őrlőtérbe bevezetett anyagok ezek által aprózódnak. A relatív vékony falú acél és nem vas fémes hulladékok aprításához nyíró-kalapácstörőket (Hammer-Shredder) alkalmaznak. E törőkben fontos szerepet tölt be a feladás-garatnál kialakított üllő: a feladott hulladékfém az üllőn a nagy sebességgel elhaladó kalapács révén nyírással-vágással aprózódik. E törőben nagyon komplex terhelési viszony lép fel, amelyek különböznek az ásványi anyagok aprításakor fellépő körülményektől: a szemcsés ásványi anyagok aprítása ütésszerű nyomó-, és ütőterhelés által történik, mialatt shredderkalapácstörőben a hulladékfémek ütésszerű húzó-, vágó-, hajlító- és csavaró terhelés hatására aprózódnak. E komplex terhelés különösen hulladékfémeket felépítő komponensek nagyfokú feltárásának elérését eredményez. A finomaprításra és őrlésre szerkesztett ütő(ütköző)malmokban a lengő kalapácsokat merev ütőtestek (verőpálcák, verőcsapok, verőlapok, verőorrok) helyettesítik. Vízszintes vagy függőleges tengelyük lehet. Többkalitkás verőpálcás ütőmalom a dezintegrátor. Verőlapok vannak a ventilátormalomban. Ezek is csakúgy, mint a fogazott ütközőlapokkal, verőcsapokkal bíró tárcsás malmok, ütéssel-ütközéssel aprítanak, vagyis tágabb értelemben a kalapácsmalmok közé sorolhatók. A gyűrűsmalmokban hengerek vagy golyók a centrifugális erő vagy rugók hatására őrlőgyűrűnek (tányérnak) szorulnak: vagy a gyűrű forog, vagy az őrlőtestek köröznek a gyűrűn. Középkemény és lágy, nem koptató, törékeny anyagok száraz őrlésre alkalmazhatók. A tányéron legördülő görgők dörzsölő hatása következtében sok finomrész képződik. A dobmalmok kemény és lágy anyagok száraz és nedves őrlésére egyaránt alkalmas, nagy teljesítményű gépek. A páncélozott forgó dob belsejében őrlőtestek vannak: rudak (rudasmalmok), golyók (golyósmalmok), esetleg kavics (pebble-malmok) vagy az őrlendő anyag saját darabjai (autogén malmok). Az őrlőtestek ütéssel, dörzsöléssel, nyomással aprítják a feladott anyagot. A feladás az egy csapon át kerül be a malomba, az őrlemény egy ellenkező oldali másik csapon át távozik. A többkamrás csőmalom belseje rácsokkal több kamrára van osztva, s az egymás utáni kamrákat fokozatosan csökkenő nagyságú golyókkal (vagy más őrlőtestekkel töltik). A rugós alátámasztású rezgőmalmok apró golyótöltése főleg ütéssel őrli nagy finomságra a kemény vagy lágy feladott anyagot. Az őrlőtárcsák két kivitelben készülnek: első esetben egyik tárcsa áll, a másik forog, a második esetben mindkettő - ellenkező irányban - forog. Lágy anyagok száraz vagy nedves őrlésére használhatók.

45

A sugármalmokban nagy sebességű levegő kinetikai energiája hasznosul középkemény-lágy anyagok néhány mikrométer átlagszemcse-nagyságra történő őrlésekor. A nagyméretű háztartási hulladékok (bútor, matrac, szőnyeg, stb.), színesfémhulladék, fahulladék, autóköpeny, iratok és más hasonló hulladékok elő-, durva- és középaprításával kapcsolatosan a forgótárcsás nyíróaprítógépekben –az utóbbi időben jelentős mértékben elterjedtek. A gép házában két vagy négy darab kis kerületi sebességgel forgó rotor van. A rotorokon egymás mellett felváltva elhelyezett vágó- és távtartó tárcsák helyezkednek el. Az aprítás szembeforgó fogakkal is ellátott tárcsák között nyírással (körolló) és tépéssel történik. A vágómalmokat a fémhulladék-előkészítés, elsősorban réz-, alumínium-kábelhulladék és fémforgácsok, valamint a fahulladék, az ólomakkumulátor-hulladék és autógumi utóaprításánál alkalmazzák. Horizontális vágómalom esetén a magas fordulatszámú vágó-rotor egy nagyon stabil házban forog, amelyen az álló vágókések helyezkednek el. Az aprító-teret alul rendszerint egy fenékszita határolja. A feladás szemcse(darab)nagyságáról a végtermékig a legtöbbször egymást követő több lépcsőben aprítják az anyagot. A különböző szemnagyságok tovább aprítására gyakran más és más géptípusok szolgálnak. Az aprítási feladatokra nagyszámú aprítógép áll rendelkezésre. Az alábbiakban a hulladékelőkészítésben kiemelt szerepet játszó berendezéseket részletesebben is bemutatjuk. Vágómalom Ezt az aprítógépfajtát leggyakrabban a szálas, rugalmas, viszko-elasztikus, képlékeny anyagok finomaprításánál, őrlésénél alkalmazzák (6.11.5. és 6.1.1.6.ábra). Horizontális vágómalom esetén a nagy fordulatszámú (5…25 m/s) vágókésekkel felszerelt vágó-rotor egy nagyon stabil házban forog, amelyen áll vágókések helyezkednek el: aprítás az álló és mozgó kések egymás melletti elhaladásakor következik be az álló kés feletti szemcsefelhőben. Az aprító-teret alul egy fenékszita határolja.

46

6.1.1.5. ábra. Vízszintes tengelyű vágómalom [11] (1) ház; (2) rotor (3) vágókés; (4) sztatorkés (5) szitarács; (6) adagolótölcsér

6.1.1.6. ábra. Függőleges tengelyű vágómalom [11] (1) feladótölcsér; (2) törőtölcsér; (3) markoló; (4) kopásálló kés; (5) gyűrűs vágóhézag

A rotoron a kések elhelyezésének módját a mindenkori aprítási feladat határozza meg. A fa aprítás területén alkalmazásra kerülő kialakításokat a következő ábra mutatja:

6.1.1.7. ábra. Vágómalmok fa aprítására [5, 6] (a) „vállfeladás”; (b) hengeres behúzórendszerrel ellátott; (c) láncos előtolás; (d) hidraulikus előtolás

47

Forgótárcsás nyíró-aprítógép A nyírással előnyösen aprítható lágy, képlékeny, szívós, viszko-elasztikus és szálas anyagok, hulladékok, többek között cukorrépa, kukorica (cső, és szár), fagallyak (valamint műanyagok gumi, vékonyfalú fémtárgyak) elő-, durva- és középaprítására a forgótárcsás nyíró/aprítógépek előnyösen alkalmazható. A gép házában két vagy négy darab kis kerületi sebességgel forgó rotor van (6.1.1.8. ábra).

6.1.1.8. ábra. Forgótárcsák kialakítása kétrotoros gépeknél [5, 6] A rotorokon egymás mellett felváltva elhelyezett vágó- és távtartó tárcsák helyezkednek el. Az aprítás szembeforgó fogakkal is ellátott tárcsák között nyírással (körolló) és tépéssel történik. Felépítésüket, amit két vagy négy darab, 0,2…0,6 m/s alatti kerületi sebességgel forgó rotor jellemez. Forgótárcsás nyíró-aprítógép alkalmazásakor a kis kerületi sebesség miatt, általában kisebb energia bevitel mellett, csekély zajjal valósítható meg a nyírás-vágás, tetszés szerinti darabokra vágja a feladott anyagot (pl. cukorrépa). A forgótárcsás gépeknél az aprítás az egymásba nyúló vágótárcsák oldalélei (résméret <0,3…0,5 mm) és fogai által történik. Minthogy a nyíró- ill. vágó-igénybevételhez általában <1 mm résméret szükséges. Az oldalélek nyírnak, a fogak pedig, mivel az esetek többségében a fogcsúcsok és a távtartó tárcsák közötti távolság több mm-t is elér, főként tépnek. Speciális lehúzó szerkezetek megakadályozzák, hogy a letépett és a keletkező résen áthúzott darabot a fogak magukkal vigyék. Az aprított anyag méretét a vágótárcsák szélessége, a tárcsák átmérője (kerülete) és a fogak tárcsánkénti száma határozza meg [5].

48

Forgó tépő-csavaró aprítógépek A forgó tépő-csavaró aprítógépek kis terhelési sebesség mellett dolgoznak. A forgó csavaró aprítóművekben (ábra) a rájuk jellemző -az aprítandó anyagban fellépő hajlításból, csavarásból eredőhúzó-igénybevételt a legtöbbször vízszintes tengelyű rotorra szerelt fogak hozzák létre.

f)

g)

h)

6.1.1.9. ábra. Forgó tépő- csavaró-aprítógépek és rotor kialakításuk [2] A fellépő húzó-igénybevétel iránya szerint rendszerezhetők ezek a berendezések. A rotor tengelyére merőleges húzó-igénybevétellel dolgozik a 6.1.1.9.ábrán látható f) jelű berendezés. A húzó-igénybevétel párhuzamos a rotor tengelyével a g) gép esetén. A kettő kombinációja a h) aprítógép. A rotoros tépőcsavaró aprítógépek alkalmasak többek közt háztartási lom (4...20 kWh/t), fa (15...40 kWh/t), papír- és kartonpapír-hulladékok, valamint nedves és tapadós ömlesztett anyagok (pl. komposzt (<11 kWh/t) ) aprítására [2]. Gyorsjárású rotoros tépőberendezések Nagyon sokoldalúak a fogakkal, bütykökkel ill. késekkel ellátott rotorokkal dolgozó tépőberendezések, amelyek jól alkalmazható rostos anyagok, a jobb oldali gép pl. papír aprítására. Példaképpen két ilyen berendezés látható a 6.1.1.10.ábrán. Ezekre a típusokra jellemző, hogy az aprítás a rotoron lévő tépőegységek, és a házra erősített fésűfogak ill. tépőfogakkal ellátott lengőkar között jön létre [7]. A papír és kartonpapír hulladékok jellemző aprítási tulajdonságai fésűs vagy fűrészfogalakú üllőkkel ellátott kalapácstörők alkalmazását tették szükségessé (ábrán a és b) berendezés). Ezeknél a berendezéseknél elengedhetetlen, hogy az aprítandó darabok hajlításával és csavarásával kapcsolatban lévő, aprításhoz megkívánt húzó igénybevételt elérjük.

49

a)

b)

c)

d)

6.1.1.10. ábra. Gyorsjárású rotoros tépők a) (3) rotor; (4) tépőfogak; (5) gépház; (6) b) Papír-shredder PALLMANN kialakítási kémlelő/karbantartó nyílás; (7) fésűfog; (8) móddal őrlőpálya; (9) rosta; (10) fogasléc; (11) tépőfogakkal ellátott lengőkar c) Rotoros aprító d) Csigás aprító Kalapácsos törő Ezek a berendezések lágy, törékeny és szálas anyagok aprítására is alkalmasak, a szemcsés terményekre éppúgy, mint a burgonya vagy a cukorrépa készre aprítására. Töretük szemcsemérete igen széles tartomány fog át: durvatörésre is, finomaprításra és őrlésre egyaránt használhatók. A kalapácstörő egy acéllemezházban helyezkedik el, ahol egy gyorsan forgó rotor található. A rotoron csuklós ütőszerszámok (kalapácsok, verőgyűrűk) helyezkednek el. Ezek az ütőszerszámok a centrifugális erő hatására radiálisan elmozdulnak, az őrlőtérbe bevezetett anyagok ezek által aprózódnak. Durvatörők fogórészének kerületi sebessége 20…30 m/s, középaprításra szolgáló gépeké 30…40 m/s, őrlőké 60…100 m/s. A kalapácsos törők (ábra) alapvetően ütésen-ütközésen alapuló aprítógépek: az anyagot a kalapácsok ütése, és az őrlőtér falához való ütközés aprítja. Szálas anyagok aprítása során egyfajta nyíróerő is fellép. A jobb aprítás elérésének érdekében (nyíróerők növelése) gyakran álló ellenkéseket is beépítenek, ezek közt halad nagy sebességgel a rot orra rögzített kalapács (ütőszerszám) [8].

50

Az anyag gépben való tartózkodási idejét a rosták perforációja szabja meg, úgy az elérendő szemcsenagyságot is. Az aprított anyag átlagos szemcsemérete azonban lényegesen kisebb, mint a rosta lyukmérete (a maximális szemcseméret a lyuknyílás fele). A dara finomságának szabályozása rosta nyílásméretének változtatásával végezhető el, melyek lyukátmérője általában 2–12 mm között változik.

6.1.1.11. ábra. Kalapácstörők vázlatos rajza A..G: lengőkalapácsos gépek; A lefelé ütő; B vízszintesen ütő, C felfelé ütő; D vízszintesen és (vagy) lefelé ütő kalapácsokkal, ráccsal; E vízszintesen ütő rácsnélküli, reverzálható fordulatú gép; F és G zárt házú, az őrleményt légárammal elszállító vízszintes, ill. függőleges tengelyű gépek; H merev ütőtestű (verőszárnyas) malom; I dezintegrátor (kétkalitkás ütőpálcás malom); J diszmembrátor (egy forgótárcsás ütőpálcás malom); A Q dara-tömegáram és a Vd dob- vagy rotortérfogat kapcsolata [9]: Q = 43 Vd, ahol: Vd = D2 π L / 4, D - a dobátmérő a kalapácshegyeken mérve [m], L - rotorhossz [m].

51

A szálas (pl. búzaszalma) aprítása egyre nagyobb jelentőséggel bír az ásványi nyersanyagok aprítása mellett. Kutatások kimutatták, hogy például a szálas biomasszák aprítását több lépcsőben célszerű elvégezni. Első lépésként (x< 50 mm; kb. 11 kWh/t) bálabontó aprítógép alkalmazása szükséges, amely a legtöbb esetben kalapácsos törő vagy vágómalom elvén működik, majd a finom aprításhoz (x50=0,5..5 mm; kb. 30..100 kWh/t) vágómalmot, ütőcsapos malmot illetve kalapácsos törőt alkalmaznak. A fajlagos aprítási munka a feladott anyag nedvességtartalmának növekedésével ill. a termék szemcseméretének csökkenésével exponenciálisan nő [12, 13]. A hulladék biomasszák aprításának legfontosabb gépei kerülnek bemutatásra a következőkben. A 6.1.1.12.ábra egy 10 t/h különböző faaprítékok 1 mm alá őrlésére alkalmas kétlépcsős aprítási technológiát mutat, feltüntetve a tömegáramokat és a szükséges teljesítményeket.

6.1.1.12. ábra. Fa hulladékok aprítása két lépcsőben kalapácsos törőkkel [11] A relatív vékony falú acél és nem vas fémes hulladékok aprításához nyíró-kalapácstörőket (Hammer-Shredder) alkalmanak [25]. E törőkben fontos szerepet tölt be a feladás-garatnál kialakított üllő: a feladott hulladékfém az üllőn nyírással-vágással aprózódik. A törőben a kalapácsok 55…65 m/s kerületi sebessége mellett nagyon komplex terhelési viszony lép fel, amelyek különböznek az ásványi anyagok aprításakor fellépő körülményektől: a szemcsés ásványi anyagok aprítása ütésszerű nyomó-, és ütőterhelés által jön létre, mialatt a hulladék fémek ütésszerű húzó-, nyíró-, vágó-, hajlító- és csavaró terhelés hatására aprózódnak. E komplex terhelés különösen hulladékfémeket felépítő komponensek nagyfokú feltárásának 52

elérését eredményez. Különösen alkalmas szilárd települési hulladék, elhasznált autógumi, akkumulátor, elektrotechnikai és elektronikai eszközök, fahulladékok aprítására. A könnyű fémek és a nem vas hulladékfémek aprításához az eddigiekben bevezetett kalapácstörőket a rotor elhelyezkedése és az aprított hulladékfémek kihordása szerint lehet csoportosítani az alábbiak szerint [26]:  Kalapácstörő horizontális rotorral  kalapácstörő alsó kihordó szitaráccsal(6.1.1.13. és 6.1.1.15.ábra),  kalapácstörő felső kihordó szitaráccsal (6.1.1.14.ábra),  kalapácstörő alsó- és felső kihordó szitaráccsal.  Kalapácstörő vertikális rotorral (6.1.1.16.ábra).

6.1.1.13.ábra. Kalapácstörő horizontális rotorral és alsó szitaráccsal (BECKER) (1)

feladótölcsér; (2) bevezetőlánc; (3) üllő; (4) rotor az ütőszerszámokkal; (5) őrlőpályaelemek; (6) kihordó szita; (7) ütőelemek a masszívabb fémdarabok kihordásához [11]

6.1.1.14.ábra.Kalapácstörő felső kihordó szitaráccsal [11]

Kalapácstörő alsó kihordó szitaráccsal(6.1.1.13.ábra.). E típus konstrukciós kiépítése közvetlenül az ásványi nyersanyagok aprításához már ismert kalapácsos törőkből származtathatók. A hulladékfém a rotor környékéhez a surrantó (1) által jut el, amely egy rotortengelyből (2) és rotortárcsából (3) valamint az ütőszerszámok (4) tartójából áll. Az ütőszerszámok, kalapácsok, vagy verőgyűrűk a centrifugális erő által radiálisan mozognak. A feladott hulladékfém az üllőn (5) aprózódik. Az aprított hulladékfémek kihordása a szitarácson (6) keresztül történik. A hulladékfém darabok, amelyek az őrlőtérben maradnak az ütőfal (7) által meghajlanak, formálódnak és részben aprózódnak. Ahhoz, hogy a nagyon nehezen aprózódó hulladékfém darabokban bekövetkező károkat az aprító szerszámban a továbbiakban korlátozhassuk, az ilyen minőségű hulladékdarabokat el kell távolítani. Ehhez mindenekelőtt egy hidraulikusan mozgatható, vagy forgatható fedélre (8) és speciális kihordó nyílásokra van szükség.

53

6.1.1.15.ábra.Fémforgácsok aprításához alkalmazott kalapácstörő (LINDEMANN) (1)

6.1.1.16.ábra. Kalapácstörő vertikális

feladónyílás; (2) rotortengely; (3) rotortárcsa; (4) kalapácsok; (5) csuklós rögzítés; (6) szitarács; (7) kihordónyílás a masszív darabok számára; (8) mozgó fedél a kihordásnál [6,11,14]

motorral (HENSCHEL) (1) ház; (2) hajtómotor; (3) rotor; (4) prizmaalakú ütőszerszámok; (5) gyűrű alakú ütőszerszámok; (6) feladás; (7) az aprított fémhulladék kihordása [11]

A függőleges tengelyű kalapácsos törők és malmok többnyire egyrotoros, nagyon ritkán kétrotoros kialakítású, elsősorban már előaprított könnyűfém-hulladékok aprításához alkalmazzák. Ilyen kialakítást mutat a 6.1.1.16.ábra. (HENSCHEL). Az aprítóteret egy sokszögű, profilozott ház (1) képezi, amelyben kétoldalon csapágyazott és többnyire több motor (2) által meghajtott rotor (3) forog. A rotor felső részén prizmalakú ütőszerszámok (4) vannak, amelyek a feladásra kerülő fémhulladék előaprítását végzik. Ez alatt a rotortengelyen, a rotortárcsák több szintjén párosan elhelyezett gyűrű alakú ütőszerszámok (5) találhatók, amelyek merőleges csavarban vannak csapágyazva és szabadon forgathatók. Az ütőszerszámok éle a ház falának szegélyével gyűrűs hézagot képez. A gyűrűs hézag felső területében a fémhulladékok egymástól elválnak, ami a hulladékot alkotó komponensek elegendő feltárását teszi lehetővé.

6.1.1.17.ábra. Különböző kialakítású ütőszerszámok a, b, c, kalapácsok d, gyűrű alakú ütőszerszámok [11] 54

IRODALOM [1] Tarján,G.: Mineral Processing I. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1981 [2] Csőke B.: Előkészítéstechnika – Aprítás és osztályozás. Miskolci Egyetem, Eljárástechnikai Tanszék, Tanszéki jegyzet [3] G. Schubert, S Bernotat: Comminution of non-brittle materials. Int. J. Miner. Process. 74S (2004) S19-S30 [4]Kellerwessel, H.: Aubereitung disperser Feststoffe: Mineralische RohstoffeSekundärrohstoffe-Abfälle. VDI Verlag GmbH. Düsseldorf.1991 [5] Jackel,H.-Schubert, G.: Die Zerkleinerung der Abfälle mittels Rotorscheren. Freiberger Forschungshefte, 1997. A840.p.82-98 [6]Schubert, G.: Zerkleinerungstechnik für das Recycling von Abfällen und Schrotten. Freiberger Forschungshefte, 1997. A840.pp.12-32 [7]Zerkleinerungstechnik für das Recycling von Abfällen und Schrotten Schubert, G. [8] Bernhardt, G., Firus, S.: Zerkleinereun von Boden und Halmgütern (Stroh und Holz) aus der Sicht der Minimierung der spezifischen Energie. Freiberger Forschungshefte, 1997. A840.p.57-71 [9] Kacz K., Neményi M.: Megújuló Energiaforrások. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 1998 [10]Luis S. Esteban, Juan E. Carrasco: Evaluation of different strategies for pulverization of forest biomasses. Powder Technology 166 p.139-151, 2006 [11]Schubert, G.: Aufbereitung metallischer Sekundärrohstoffe.Band.I.VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Lepizig.1983 [12]Scheibe, W Schnedelbach, G. Lippek, E: Energetische Aspekte der Zerkleinerung nachwachsender Rohstoffe. Freiberger Forschungshefte, 1997. A840.p.215-222 [13]A hazai szénbiobrikettgyártás megalapozását szolgáló kutatás fejlesztés (II kutatási részjelentés), ME Eljárástechnikai Tanszék, 2004 december [14]Schubert, G.: Zerkleinerungstechnik für nicht-spröde Abfälle. Aufbereitungs-Technik 43 (2002) Nr.9, p. 6-23. [15]Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie. Band 2.Verfahrenstechnik I. (Grundoperationen) Verlag Chemie, Weinheim/Bergstr. 1972. pp. 35-42. [16]PahlPraxiswissen VerfahrenstechnikMechanische Verfahrenstechnik. Zerkleinerungstechnik. Verleg TÜV Rheinland.1991 [17] StieMechanische Verfahrenstechnik. Springer.Berlin.1993 [18]Hemming, W.: Verfahrenstechnik. Vogel Buchverlag, Löbau [19]Varga, J.: Műanyagok fizikája. BME Mérnöki Továbbképző Intézet. Budapest, 1984 [20]Blumenauer, H.- Pusch, G.: Műszaki törésmechanika (Technische Bruchmechanik). Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987 [21]Fejes, G.-Tarján,G.: Vegyipari gépek és műveletek. Tankönyvkiadó. Budapest, 1979 [22] Schubert, G.: Aufbereitung metallischer Sekundärrohstoffe.Band.I.VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Lepizig.1983 [23]Csőke, B.: Zerkleinerung von Abfällen.Publications of the University of Miskolc, Series A. Mining, Vol. 48(1993), Fasc.1-4.,pp.75-88. [24] Csőke, B.-Papp,G.-Sárvári, J.-Antal,G.-Nyitrai,S.: Entwicklung einer Rotorscherenfamilie in der Jászberényer Zerkleinerungsmascinnefabrik AG. Freiberger Forschungshefte, 1997. A840.p.111-121. 55

[25] Nijkerk, A.A.- Dalmijn, W.L.: Handbook of Recycling Techniques. NOVEM/NOH (ISBN 90-802909-3-9). Hague, 2001

56

6.1.1.2. DARABOSÍTÁS Fejezet szerzője: Prof. Dr. Csőke Barnabás, Nagy Sándor Darabosítás az aprítással ellentétes eljárás. Darabosításnak (agglomerálásnak) nevezzük azt a mechanikai eljárást, amikor szemcsék közötti kötőerők révén a finom szilárd diszperz anyag (porok, zagy finom részecskéi) szemcseméretét megnöveljük. Számos iparágban - ásványi nyersanyagok előkészítése, cementipar, vegyipar, élelmiszeripar, mezőgazdaság, gyógyszeripar - előfordulnak olyan finom-diszperz anyagok, amelyeket sok esetben agglomerálni kell. Ezzel bizonyos mértékig rokon terület a granulálás. Granulátumot alapvetően két úton állíthatunk elő nagyobb darabokból aprítással, poranyagokból darabosítással. Most az utóbbi kérdéskörrel foglalkozunk. Az agglomerálást a termelés nagyon sok területén alkalmazzák:  ércelőkészítés (pelletek előállítása a kohók számára),  agrártechnika (állati eledelkészítés, műtrágyák, peszticidek és fungizidek), élelmiszerelőállítás (insztant-termékek, édességáruk),  biomassza pellatálás tüzelési célokra,  vegyipar (közbülső és végtermékek előállítása),  gyógyszeripar (tabletta-, drazsékészítés, és granulátumok),  kerámiaipar (szintertestek, katalizátorok, porlasztott granulátumok),  környezetvédelmi technika (porok, hamuk feldolgozása, iszapok szilárdítása). A granulátum,agglomerátum számos előnnyel rendelkezik a porformával szemben:  a laza térfogatsúly növekszik, ami különösen a szilárdanyagok szálításánál, tárolásánál, csomagolásánal jelent előnyt (/a, c, d ábra);  a folyási tulajdonságok megváltoznak: javul a szállíthatóság és adagolhatóság ( /a, d ábra);  javul a keverhetőség, ha a szemcsék mérete azonos. A szélesebb szemcseméreteloszlás esetén a szabadon folyó anyag szét válik, de agglomerát-formában a keverék stabil marad ( /b ábra);  a granulátum átáramlási ellenállása lényegesen kisebb (nagykohó, tüzelőberendezés) (/a, c, d ábra);  az anyag kezelésénél (szállítás, adagolás, töltés és ürítés) csökken a kiporzás, ezzel az anyagveszteség is, elkerülhető a veszélyes, tűzveszélyes porok környezetszennyezése ( /a, c, d ábra);  a finom anyag leválsztási hatásfok nő. [2, 5]

a)

b)

d) c) 6.1.1.12. ábra: Gyakorlati példák a darabosítás előnyeire a) pellet tüzelő berendezés, b) gyógyszer, c) szénbrikett, d) biopellet ill. biobrikett. Darabosítási eljárások Az agglomerálási eljárásokat elvét szemlélteti az 6.6.1.13. ábra.

a) Felépítő-agglomerálás (Pelletezés) b) Nyomással való agglomerálás (Brikettezés,Tablettázás), c) Sinterezés

6.1.1.13. ábra. Darabosítási eljárások

Felépítő agglomerálásnak (pelletálásnak) nevezzük azt (/a ábra), amikor a szilárd anyag szemcséi nedvesség (kötőanyag) jelenlétében egymáson gördülve egyre nagyobb agglomerátumokká állnak össze. Az /b ábra a nyomással történő agglomerálást (tablettázás, kompaktálás, brikettálás) mutatja, amikor nagy nyomással érjük el, hogy az érintkező felületen megfelelő, különböző eredetű kötőerők léphessenek fel. Az alkalmazott nyomás 10…1000 MPa (leggyakrabban 50…250 MPa) tartományba esik. Egy szemcsehalmaz brikettezhetősége, tablettázhatósága függ az anyagsajátságoktól, a szemcsmérettől, az eljárás körülményeitől (különösen hőmérséklettől), és természetesen attól, hogy alkalmazunk e kötőanyagot vagy sem. Az /c) ábra a szinterezés vázlata. A szineterezés termikus agglomeráló eljárás, amikor elegendő hőt vezetünk a szemcsehalmazhoz annak érdekében, hogy a az atomok elegendő mozkékonységát elérjük. A kötés különböző mechanizmus szerint valósulhat meg (függően a hőmérséklettől). Létrejöhet szilárd híd a szemcsék között a viszkózus folyás révén ha a szemcsefelület eléri a Tolv olvadáspontnak megfelelő hőmérsékletet, de kötést eredményezhet a felületi vagy térfogati diffúzió amely már az olvadáspontnál alacsonyabb hőmérsékleten (0,3 Tolv …0,8 Tolv) is bekövetezik. A kötésmechanizmosokat és a kötőerőket együtt tüntet fel az 6.1.1.1.táblázat valamennyi agglomeráló eljárás tekintetében. [2, 5]

58

6.1.1.1.táblázat: Mechanikai szemcseméret-növelés eljárásai [5] Eljárás Flokkulálás Koagulálás Pelletezés

Eljárás fogalma folyadékfázisban történő szabad kapcsolódás

Adhéziós és kohéziós erők Folyadék híd, réteg Kapilláris erők:  kapilláris nyomás  határfelületi erők Közvetlen szemcse szemcse kapcsolat  van der Waals erők Mozgásképes folyadék híd, réteg Kapilláris erők:  kapilláris nyomás  határfelületi erők Nagy viszkozitású (nem mogásképes) folyadék  Adhéziós és kohéziós erők Szilárd híd  Megolvadás, zománcosodás  Újra kritályosodás  Kikristályosodás  Kémiai reakció  Megszilárduló kötőanyag Közvetlen mechanikai kapcsolat

Felépítő agglomerálás görgetéssel, keveréssel

Kompaktálás

Brikettálás

Nyomással történő agglomerálás

Tablettázás

Szinterezés

Kötésmechanizmusok, Kötőerők, Adszorbciós erők

Hőközléssel történő agglomerálás

Alak szerinti kapcsolódás Alak és méret, méreteloszlás

A granulátumok szemcsemérete - fajtától függően - 0,5 és 50 mm közé esik, de találkozhatunk mikrogranulátumokkal is, amelyek szemcsemérete ennél kisebb (<0,1 mm). A granulátumokat attól függően, hogy a szemcseméret-tartományuk alábbi méret-intervallumok (6.1.1.1.táblázat) melyikébe esik, durva-, középfinom-, finom-, különlegesen finom-, vagy mikro-granulátumnak nevezik.

59

6.1.1.2 táblázat: Granulátumok elnevezése szemcseméretük alapján Szemcseméret

Granulátum elnevezése

tartomány [mm] > 16 5...16 2....5 0,1...2 < 0,1

durva-granulátum középfinom-granulátum finom-granulátum különlegesen finom-granulátum mikro-granulátum

Általános igény a szemcseméret-eloszlással kapcsolatban, hogy az eloszlás lehetséges legszűkebb legyen. Általános követelmény a pormentesség is. A különböző granulátum-termékek jellegzetes szemcseméret-tartományait a 6.1.1.2 táblázat mutatja. 6.1.1.3. táblázat: Granulátumok jellegzetes szemcsemérete Granulátum-termék Érc-pellet aknás-kemencében való olvasztásra Cement-granulátum kiégetésre (klinker előllítás aknás-kemencében) Takarmány Műtrágya Műanyag-granulátum (hőre-lágyuló) - fröccsöntéshez - lángszóráshoz

Szemcseméret 15 ... 50 mm 5 ... 20 mm 5 ... 20 mm 3 ... 15 mm 2 ... 6 mm rizsformájú szemcsék átm. 30 mm 1 ... 3 mm, vagy valamivel finomabb

Hőre-keményedő műanyagmasszához Vegyszerek - középfinom - különlegesen finom Biopellet

2 ... 4 mm 0,3 ... 1 mm 4 … 25 mm (átmérő)

A granulátum-szemcsék, - darabok alakja rendszerint valamilyen szabályos test, leggyakrabban a gömb, vagy hengerforma a kívánatos (6.1.1.14. ábra). [5] Alak

gömb

Félgömb

henger

tojás

félhenger

téglatest

hasáb

6.1.1.14. ábra. Agglomerátumok alakja

Prof.Dr.Csőke Barnabás

Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszék

60

Valódi sűrűség S, ha szilárdanyag tömege mS és kompakt anyag térfogata VS

S 

mS . VS

Szemcsesűrűség P ha szemcsetérfogat VP

P 

mS . VP

Agglomerátum sűrűség A, ha az agglomerátum térfogata VA

A 

mS . VA

Halmaz sűrűség, ha a halmaz térfogata Vh

h 

ms . Vh

Összefüggés a porozitás és sűrűség között:  szemcsesűrűségére:

p 

mS VS   S 1   p  VS Vh

 agglomerátum sűrűségére P    A   S 1   P  . 1   A .    A

Felépítő agglomerálás A szemcsékből felépülő agglomerátumok (pelletek) keletkezésében az adhéziónak és a kapilláris erőknek van szerepe, amely az elegendő mértékben nedves szemcsefelületek között lépnek fel. Az így nyert nyers pelleteket később kiégetik, vagy keményítik, amíg a megfelelő szilárdságot el nem érik. Az összetevőknek a legkisebb tartományban is el kell mozdulniuk egymáshoz képest. A mozgások miatt a vonzóerők mellett taszító erők is fellépnek. Ezért csak azok a kötések maradnak meg, melyekben a kötő erők nagyobbak, mint az igénybevétel hatására fellépő taszítóerők. A pelletgolyó képződéshez szükséges gördülő szemcsemozgást keverő tányérral, granuláló dobbal, fluidizált ággyal érhetjük el, miközben vizet permetezünk a halmazra. [3, 4, 5]

61

6.1.1.15.ábra Felépítő agglomerálás görgetéssel [2] A leggyakrabban használt agglomeráló berendezések a következőkben mutatjuk be. A pelletáló tányér nyitott berendezés, a tányér a föld síkjához képest meg van döntve a 2. ábrán látható módon.

6.1.1.16.ábra Pelletáló tányér Működtetése úgy történik, hogy a szilárd anyag feladása közben és után felülről vizet permeteznek a berendezésbe, mindeközben a tányért megforgatják. A művelet befejeztével szükség van a víztartalom eltávolítására a pelletgolyókból, ezért ki kell égetni. A granuláló dobban a finom koncentrátumú szilárd anyagot egy dobba adagolják megfelelő mennyiségű víz bepermetezése mellett, majd a dobot megforgatják. A forgatás után a keletkezett agglomerátumokat a megfelelő szilárdság elérése érdekében itt is szilárdítani kell.

6.1.1.17.Granuláló dob oldal-, elölnézete, valódi képe 62

A karos keverőben a szilárd anyag mozgatása keverőlapátok segítségével valósul meg. A víz bepermetezése felülről történik és a keverés alatt folyamatos. A kész pelletgolyókat szilárdítják.

6.1.1.18. Karos keverő A szakaszos üzemű fluid ágyban történő agglomerálást szemlélteti az 5. ábra. A pelletálás kezdetekor a darabosítandó anyag a tárolóban van. Itt történik a szárazanyag és a víz keverése fűtött gázáramban, amely szuszpenzióban tartja az anyagot. Az agglomerálódáshoz szükséges kötőanyag – ami a legtöbb esetben víz – bepermetezése történhet felülről és alulról.

6.1.1.19.Fluid ágyas pelletáló

Nyomással történő agglomerálás Ebben a fejezetben bemutatjuk a nyomással történő agglomerálás berendezéseit, a lehetséges kötőanyagokat, és a darabosítás általános technológiáját.

63

Nyomással történő agglomerálás berendezései A nyomással történő agglomarálás során térfogat-csökkenés valósul meg, melynek mértéke:

k  V1 / V2 V1 térfogat laza állapotban, V2 térfogat tömörített állapotban. Kompressibilitási tényező A térfogatváltozással szembe a testek ellenállást fejtenek ki, Johanson szerint:

A  p     *  p *

1/ k

A - agglomeratum- (tabletta-)sűrűsűge, p - présnyomás, *, p* - kiindulási sűrűség és nyomás, k – kompresszibilitási tényező . 6.1.1.20. ábra. Kompresszibilás A nyomással való agglomerálás berendezései lerhetnek: a) Nyomással való agglomerálás zárt formában a geometria által meghatározott tömörítés (lökethossz a pecsétnyomónál és tabblettázó berendezésnél). b) Nyomással való agglomerálás nyitottt formában erő (a súrlódó erő) által korlátozott tömörítés. c) Nyomással való agglomerálás hengerekkel. E három alapforma sok módosított formában létezik, és egymással is kombinálodik.

6.1.1.21. ábra. Nyomással való aggglomerálás: a) Zárt formában; b) Nyitott formában; c) Préshengerrel . Fp - préserő; FR - falsúrlódási erő; H - lökethossz; L - töltött állapot; ß1 behúzási szög; S - brikett-vastagság (1) - pecsét, (2) - forma

64

Préshengerek Nagy kapacitással rendelkeznek a hengeres prések. d)

6.1.1.22. ábra. Préshengerek kompaktálásra és briketálásra: a) sima felületű préshenger, b) préshenger forma-vályattal, c) gyűrűs préshenger, d) nyílásos síkmatricás préshenger. Dugattyús prések A dugattyús préseket elsősorban a biomasszák agglomerálására használják, műveletei:  kis sűrűségű alapanyagot dugattyúval összepréseljük, előtömörítjük,  a tömörítvényt préscsatornába sajtoljuk,  préscsatornában kereszt és hosszirányú tömörítés történik,  - termékek: -hasábbrikett -rúdbrikett (D=40..80 mm)

b)

c)

a) 65

6.1.1.23. Ábra: Dugattyús prés és terméke a) egyirányú dugattyús prés, b) háromirányú prés, c) rúdbrikett biomasszából. Csigás prés Csigás préssel történő agglomerálásnál a tömörítést és a kitolást csiga végzi folyamatosan. A tömörítendő anyag először egy előtömörítésen esik át, majd a csiga létrehozza a kompressziót és a kitolást a préscsatornában. Az optimális brikettsűrűség eléréséhez ezek a gépek állítható fordulatszámú adagoló csigával vannak ellátva. A csiga által előállított nyomás, a keletkező súrlódási hő, valamint a présfej fűtésének együttes hatására az alapanyag melegszik.

6.1.1.24.Csigás prés

Matricás brikettáló Napjainkban a tápgyártáson túl a szilárd bio tüzelő-anyagok iránti növekvő kereslet hatására egyre nagyobb jelentőséggel bír ez az eljárás. Eljárástechnikai értelemben nyomással történő agglomerálsról van szó, azonban a köznyelveben pelletálásnak hívják (pl.: biopellet, agripellet). Alapvetően két berendezés kialakítás létezik, a síkmatricás és a hengermatricás. A sík matrica vízszintesen helyezkedik el, a henger vagy csonka kúp alakú görgők a matrica felületén haladnak körbe, esetleg a matrica végez forgó mozgást a görgők alatt. A hengerek a matrica furatán átpéselik az anyagot, ami pelletté áll össze. Hengermatrica esetén a henger belsejében lévő görgők forogva végzik az anyag préselését. A termékek a kölönbözö átmérűjű és hosszuságú hengerek (pelletek) (átmérő 5-10 mm, hossz 10-25 mm).

NYERSANYAG

préshenger/ roll

síkmatrica/ die

főtengely/ main axle

Préshengerek

vágókés/ cutting blade

66

a)

b)

c)

d)

6.1.1.25. Ábra: Pelletálás a)

síkmatricás pelletáló,

b)

hengermatricás pelletáló,

c)

préselés közben fellépő erők,

d)

biopellet.

67

Kompaktálás hengerpréssel A kompaktáló préshengerek két egymással szembenforgó hengerből állnak, amelyek a feladott finom diszperz anyagot behúzzák és tömörítik. A hengerfelület kialakítása szerint vagy kompaktált anyagszalag, vagy meghatározott formával rendelkező brikett keletkezik. Ennek megfelelően beszélhetünk kompaktálásról vagy brikettálásról (4.8.ábra). Vo , po,Air

.

Air

VAir

m b,o v

R

V, p

.

Air

mb

6.1.1.26. ábra. Az anyagszalag összenyomása a kompaktáló hengerek között A kompaktálási folyamatban a külső terhelés hatására - a pórustérfogat csökkenése révén - az ömlesztett anyag térfogatcsökkenése megy végbe, amely a szilárdanyag mozgásával ellentétes irányú levegőkiáramlásra vezet. A szilárd anyagáram haladási irányának megfelelő anyagrétegekben - a pórustérfogat csökkenésével- az áramlási ellenállás növekszik, a hengerprés feladási oldalán légnyomás-növekedés lép fel, amely a szilárd anyagáram folytonosságát rövid ideig megszakíthatja A hengerek közötti résben a kompaktálas során a végbemenő folyamat alapvető leírása Johansontól származik, amelynek főbb elemei az alábbiak:  A henger-résben három zóna különböztethető meg (4.9. ábra): csúszó-zóna, hatózóna (tömörítő-zóna), és az előresiető zóna (táguló-zóna).

Air

Air Air



Slip Region Nip Region

2 F

Release Region

Air

6.1.1.27. ábra: A csúszó-zóna, a hatózóna és az előresiető zóna

68

 Csúszó-zóna: a kiindulási laza anyagban, a feladási oldalon az adagolás eszköze és a hengerfelület közvetítésével feszültség lép fel, amelyre a poranyag plasztikus folyással válaszol. A hengerfelület által az anyagra gyakorolt súrlódási erő miatt a hengerrés szűkülésének irányában az ébredő feszültség növekszik (4.11.ábra). Ebben a fázisban, mivel az ébredő súrlódási feszültség kicsi, a szilárd anyag lemarad a forgó hengerfelülethez képest.  Hatózóna: a forgó henger felületén - a növekvő normál irányú erő hatására- fellépő súrlódási feszültség a meghatározó tényező (4.10. és 4.11.ábra). Ha ugyanis a súrlódási feszültség egy meghatározott értéket elér, akkor az anyag már nem csúszik meg a hengerek felületén, az anyag sebességkülönbség nélkül együtt mozog a hengerfelülettel és a hengerrés geometriai viszonyainak megfelelően folyamatosan tömörödik.  Előresiető zóna: elasztikus anyagoknál (pl. fémporok) a kompaktált anyag rugalmas tágulása következik be, amikor a kompaktum a legszűkebb rést elhagyta. A tágulás egyúttal az anyag sebességének növekedésével jár. A kompaktálás teljesítményét a következő egyenlet és ábra írja le: dF  p( )dA

Pm  LD n 2

  2

p . cos . sin  .d   0

6.1.1.28. Ábra: Kompaktáló henger Az elérhető tömegáram: QR=vsB(1-ε)ρ ahol v a hengerek kerületi sebessége, s a hengerek közötti résméret, ε a kompaktum porozitása, ρ az anyag szemcséinek sűrűsége

69

Kötés, kötőanyagok A brikettálás az egyik leggyakrabban alkalmazott eljárás a darabosításra. Nagy mennyiségben kerül brikettálásra szén, koksz, faszén, égetett mész, foszfátérc, vasérc, hengerelési reve, szálló pernye, szivacsos fém, öntöttvas forgács, sók és sok egyéb anyag. Alkalmas kötőanyaggal vagy elegendő nyomással, esetleg nagy hőmérséklettel összekapcsolva lehetséges közel az összes finomszemcséjű anyagból brikett készítése. A brikettálandó anyagnak meglehetősen jó folyóképességgel kell bírnia, egyrészről a feladásnak egyenletes sebességgel kell történnie, másrészről biztosítani kell a szemcséknek, hogy a tömörítés közben együtt haladjanak a tömör szoros illesztésű berendezésbe, ahol a nyomási és a nyírási feszültségek egyenletesen oszlanak el a brikett belsejében. Ha az anyag belső súrlódása túl nagy, néhány részen a brikett nem kompaktálódik eléggé, a forma részben kitöltetlenül marad, mialatt más részek túlkompaktálódnak, a brikett elreped. Kenőanyagok keverhetők a feladásba, hogy jól folyóvá tegyék azt, főleg a kompaktálás alatt. Víz a legszokásosabb kenőanyag, de más folyadékok és szilárd anyagok is gyakran használatosak, tipikusan 0,5-2 % arányban (a finomabb vagy porózusabb szemcsék esetében 2 %). Mivel nagy nyomáson történik a brikettálás sok ásvány és fémpor esetében, ezért a szilárd kenőanyagok (grafit, vagy fém sztearátok) hatékonyabbak, mint az olajok, vagy folyékony kenőanyagok. Számos fizikai és kémiai mechanizmus szolgál a brikettben a szilárd szemcsék összekötésére. A finom porokhoz kevert kötőanyag hathat ragasztóként, a részecskék felületére tapad és összetartja a szomszédos részecskéket a kötőanyag felületi feszültsége által. Ebben az esetben a kötőanyag filmként viselkedik, be kell borítania minden szemcsét, amihez keverés szükséges. A víz gyakran hat így kötőanyagként, mellette kenőanyagként is teljesít, így viselkednek a gyanták és egyéb ragadós anyagok is. A szilárd anyagok keverése nagyobb mennyiségű ragadós viszkózus folyadékkal (részben olyanokkal, amik megkeményednek hűtés vagy kémiai kölcsönhatás hatására) mátrixot biztosít, ami cementálja a szemcséket, amikor azok összenyomásra kerülnek. Szurkok és gyanták általában mátrixként hatnak, ahogy a melasz mész, használt nátriumszulfit oldat, és más ragadós folyadékok. A mátrix kötőanyagoknak az aránya a megfelelő szilárdság elérése érdekében a szilárd szemcsék finomságától, porozitásától és sűrűségétől függ. Szén hatékonyan brikettálható 6 % szurokkal, amíg néhány porózus faszénhez 30 % szurok is szükséges a jó brikett eléréséhez. A szemcsék egyenletes befedésének érdekében a keveréket fűteni kell a szurok lágyuláspontjára. A mátrix típusú kötőanyagok alapvető karakterisztikája az alacsony viszkozitás a jó keverhetőség érdekében, a szemcsékre való tapadási hajlam, elegendő viszkozitás a szemcsék összetartásához miután brikettálásra kerülnek. A szurkot (szén kátrány, szurok vagy aszfalt) általában melegítik, hogy folyékonnyá tegyék a keverhetőség miatt, a kész brikettet hűtik, hogy a kötőanyagmátrix megszilárduljon, és így biztosítsa a brikett szilárdságát. Néhány kötőanyag oldószerként hat és anyagot old a szemcsék felületéből, oldat hidakat formálva, amik szilárd kötéssé válnak, mikor az oldószer elpárolog. Az oldat felületi feszültségének össze kell tartania a nyers brikettet, amíg kiszárad. Például vízoldható sók megkötéséhez 0,5-2 % nedvességet használnak. Amíg a kötésnek elég gyorsnak kell lennie, hogy lehetővé tegye a brikett összetartását olyan hamar, amikor az kiesik a présből, sok kötőanyag nem építi fel a teljes igényelt szilárdságot a kezelésig vagy az utókezelésig. Az oldószer típusú kötőanyag elpárolgása egy példa az utókezelésre. Kémiai kölcsönhatás, beleértve a kristályosítást vagy polimerizációt is, erősítheti a kötőanyagot, főleg a mátrix típusú kötőanyagot. Néhány esetben nehéz megkülönböztetni azt a speciális hatást, amivel a brikett adalékanyag bír. A víz kenőanyagként is hat, agyagokhoz adagolva és elő is segíti a kötést. Más esetben hűtőközegként is működhet, ha alacsony olvadáspontú szerves anyag kerül brikettezésre. [3] 70

6.1.1.4. táblázat: Brikett kötőanyagok [3] Típus Példák kőszén Adhéziós és Kőszénkátrány, aszfaltok, mátrixot képző kátrányszurok, fakátrány, bitumen, agyagok kötőanyagok (bentonit), nedves keményítő (faszénhez), melasz, szirup, műgyanta, ligno szulfonát, nátrium szilikát oldatok Felületaktív kötőanyagok Oldószer hatású

Kémiai kötőanyagok

Alkalmazás 5-25 %; általános cél: inert szilárd anyagok kötése briketté; jó nyerspellet-szilárdság, útókezelés lehet szárítás vagy polimerizálása a kötőanyagnak a brikettszilárdság növelésének érdekében; keverés szükséges hogy megfelelően befedje a szemcséket Víz agyag típusú anyagokkal, 2-6 %; Adhézió és a folyadék felületi pl.: foszfátagyag pala, feszültsége a biztosítja a kötést kőszénkátrány szénhez Nedvesség vízoldható anyaggal, Általában 1-2 % oldószer, de finom aceton PVC porral szemcsék esetén akár 10 %; alacsony a nyerspellet-szilárdság; az oldószer elpárolgása után alakulnak ki a szilárd hidak a szemcsék között Mész, mész és melasz Közepes hőmérsékleten MgO és MgCl2, MgO vagy CaO és Fe2O Nátrium szilikát és kalcium Szárítás szükséges a szilárdság klorid nedvességtartalom mellett felépítéséhez Hő hatására keményedő gyanta, Melegen kezelés pl.: fenol vagy polisztirén/polisztirol

Agglomerálás technológiája Az agglomerálás összetett technológiai folyamatban valósul meg (4.15.ábra), amely darabosító berendezésen kívül az agglomarátum végtermék szemcseméreteét beállító szitabrendezést, és a méreten felüli rész letörést szolgáló aprítógépet is tartalmazza. Rendszerhez gyakran anyagelőkészítő folymatok kapcsolódnak, mint a szárítás, előaprítás keverés-homogenizálás, adagolás. A fenti főberendezéseken kívül kívül számos más berendezést is működtetnünk kell.

71

6.1.1.29. ábra. Kompaktálás technológgiája, (1) sima préshenger, (2) törő, (3) szita A feladás, F késztermék kompaktum=granulátum) Irodalom [1] H. Schubert: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1984 [2] Stiess: Mechanische Verfahrenstechnik 2, Springer Lehrbuch 1993 [3] SME Mineral Processing Handbook AIME, 1985. [4] Tarján G.: Ásványelőkészítés II, TK 1989 [5] Csőke B.: Előkészítéstechnika, Intézeti jegyzet

72

6.1.1.3. OSZTÁLYOZÁS Fejezet szerzője: Dr. Gombkötő Imre Számos különböző példát lehet felsorolni, miért is fontos a hulladék feldolgozás tekintetében szétválasztási eljárásokról beszélni. A szétválasztási technológiák sora igen nagyszámú, alkalmazásukra számos példát sorolhatunk. A mechanikai szétválasztási eljárások olyan eljárások, amelyek a diszperz rendszernek tekinthető szilárd szemcsékből álló keverék halmazt, az azt alkotó szemcsék valamely eltérő fizikai tulajdonsága alapján választja szét. A mechanikai szeparátorok a részecskékből (szemcsékből, cseppekből, buborékokból) álló többkomponensű diszperz rendszer fizikai keverék állapotát változtatják meg. A keverékállapot változással járó folyamtok a szétválasztás és keverés. Eredeti kevertségi állapot

Keverés, homogenizálás

Szétválasztás

Szétválasztással a keverék komponenseit fizikai, fizikai-kémiai erők révén külön-külön termékekbe nyerjük ki. SZÉTVÁLASZTÁSTÁS FIZIKAI SAJÁTSÁGOK ALAPJÁN: dúsítás

SZÉTVÁLASZTÁSTÁS RÉSZECSKEméret szerint: osztályozás

Dúsítás: a szilárd keverékek kémiailag egységes komponenseit fizikai, fizikai-kémiai erők révén (a szemcsék fizikai, ill. fizikai-kémiai tulajdonságaiban meglévő különbség alapján) külön-külön, lényegében csak a kérdéses alkotóból álló, termékekbe, koncentrátumokba nyerjük ki. Osztályozás: ha a szétválasztással kapott a termékek csak méretükben különböznek egymástól, azaz a szemcsék szétválasztása méret szerint valósul meg, akkor osztályozásról beszélünk. Fázisszétválasztás során a heterogén keverék komponenseit halmazállapot szerint különítjük el: ekkor szilárd-gáz, szilárdfolyadék, folyadék-folyadék, folyadék-gáz fázisok egymástól való elválasztása történik. Keverés során különböző (kémiailag egységes) anyagokat, komponenseket egyesítünk (közöttük kémiai kötés nem jön létre).

A hulladékgazdálkodásban különösen is fontos szerepet töltenek be a többkomponensű szemcsehalmazok szemcséi között meglévő fizikai különbségen alapuló dúsítási eljárások, és berendezéseik a szeparátorok. 73

Ahogy azt láthattuk, ha a szétválasztás a kezdeti halmaz szemcséinek eltérő méretein alapul, osztályozásról beszélhetünk. Az osztályozási műveletek jellemzően a túlméretes vagy kisméretű szemek eltávolítására az aprítás feladásából, valamilyen egyéb szétválasztási művelet szemcsespektrumának beállítására illetve késztermék előállításra alkalmazzák. Az ipari gyakorlatban ezt vagy szemipermeábilis felületen szitákkal vagy közegáram segítségével végezzük el. Osztályozás szemipermeábilis felületen A szitálás során egy meghatározott nyílásméretű osztályozó felületre (szitalap) kerül feladásra a szétválasztandó anyag, amelyből az elválasztási méretnél kisebb (szitaáthullás) és az elválasztási méretnél nagyobb (szitamaradvány) termékek keletkeznek. A szitálás műveletének előfeltétele a szemeknek a szitalapon való elmozdulása és a szemcsék bizonyos mozgékonysága egymás között. A szitálás eredményességét a feladás szemcseméret eloszlása vonatkozásában elsősorban a szitanyílással közel megegyező méretű szemek, a d szitanyílás fele és másfélszerese közé eső az un. kritikus szemek (0,5 d<xkrit< 1,5 d ) mennyisége határozza meg, e szemcsék igen nehezen esnek át a szitanyíláson, gyakran bennragadnak a szitanyílásban. A szemcsék alakja is szerepet játszik. Gömbölyded és szögletes szemcsék nagyobb valószínűséggel esnek át, mint hosszú és/vagy lapos szemcsék. A szitanyílás alakjának alkalmas megválasztásával (hosszúkás négyszög alakú nyílások) e szemcsék átesésének is nagyobb a valószínűség. A szitára vezetett anyag nedvességtartalma is alapvető tényező. Az 5...15 % nedvességtartalmú anyag szitálásának hatásfoka gyakorlatilag zérus: a kapilláris erők megkötik a szemcséket a szitanyílásban, ehhez társul, hogy a kapilláris erők a finomabb szemcséket egymással és nagyobb szemcsékre is megkötik. A nedvességtartalom okozta problémák leghatékonyabb megoldása az anyag kiszárítása az 5 % alsó kritikus nedvességtartalom alá, vagy nedvesítés (azaz nedves szitálás) a 15...20 % felső kritikus nedvességtartalom felé, esetenként speciális kialakítású szitasíkok (hárfa szita, fűthető szitasík) alkalmazása is szóba jöhet. A feladott anyag alsó szemcsenagyságától (x0) függően beszélünk durva (x0≥20 mm), közepes (1≤x0 <20 mm) és finom szitálásról (x0 <1mm). Jelentős tényező továbbá a szabad szitafelület és ennek megtartása a szitálás folyamán, a szitanyíláshoz közeledő szemcsék mozgásállapota, kinetikai energiája, a szitalappal közvetlenül érintkező szemcsék feletti réteg nyomása, a feladott anyag rétegvastagsága. Az eredményt jelentősen befolyásolja még az osztályozó felület (szitalap) állapota, a beépítés módja, a feszítettség stb. a szitamozgatás milyensége. A szitálás történhet állórácson a gravitációs erő révén vagy mozgatott (profilírozott) rácselemek mozgatásával (kaliber rács), vagy a kézi szitálásra emlékeztető rostálással, amikor a szemcsék a szitalap síkjában mozognak. Hatásos szitálás valósítható meg a rezgőszitálással, amikor a szemcsék többnyire ugrálnak a sík szitalapon (vibrátorok) vagy csúsznak (lengősziták). [2] A hulladék feldolgozás leggyakrabban alkalmazott szitaberendezése az anyag jó áthalmozására képes dobszita illetve újabban a kaliber rácsok kialakításával megegyező csillagrosták valamint kaszkád elrendezésű sziták. Általában elmondható, hogy a szilárd hulladékok száraz állapotban könnyebben kezelhető, mint nedves állapotban. A száraz hulladékok könnyebben tárolhatóak és fajlagos energiatartalmuk is nagyobb. Száraz hulladék szemcsék kisebb szitanyíláson is jól osztályozhatóak és kevesebb átmozgatást igényelnek a megfelelő méret szerinti szétválasztáshoz. Az is elmondható azonban, hogy a száraz szemcsék túlzott szitálásával általában nő a hibás szemek aránya a termékekben, a 74

szemcsék fokozottabb aprózódása következtében pedig nő a finomtermék tömegkihozatala valamint a porképződés mértéke. Dobsziták

6.1.1.30. ábra: Dobszita szitatisztító kefével és sematikus rajza. [12, 8] A hengeres vagy kúpos lyukasztott lemez (ritkábban drótszövet) köpenyt rendszerint 4 vagy 6 küllővel bíró kerékagyak kapcsolják a forgató tengelyhez, amit fogaskerék és szíjtárcsa hajt esetenként görgős alátámasztás centrális csapágyazás helyett. A kúpos és gúlás dobsziták vízszintes tengelyűek, a hengeres dobsziták tengelye kissé ferde.  hajlásszög 5 … 7o . Átmérőjük rendszerint 0,6 … 3 m, hosszuk 1,5… 12 m. Egymás folytatásában fokozatosan nagyobb lyukbőségű vagy egymás köré koncentrikusan belülről kifelé fokozatosan kisebb lyukbőségű szitalapok egy készülékben is összeépíthetők, ennek megfelelően két, vagy több méretfrakció is előállítható. A hulladék feldolgozásban használt dobszita típusokat újabban dobszita tisztító kefékkel (6.1.1.30. ábra) látják el, amelyek üzem közben folyamatosan tisztítják a dobsziták felületét, megőrizve ezzel feldolgozó képességüket. A dobszitákban dobpalástjával (a dob fordulatszámától és a dobban lévő anyag mennyiségétől függően) bizonyos magasságig felszállított szemcsék a szemcsehalmazon lecsúszva-legördülve újra és újra áthalmozódnak. A dobszita készülhet burkolt kivitellel, amely biztosítja a folyamatos porelszívás lehetőségét is. A dobszita fordulatszáma általában 15-20 fordulat/min, azonban a fordulatszám dobátmérőtől függően kell megválasztani. Ha a fordulatszám elég nagy, és eléri, az un. kritikus sebességet, a forgó hengerpalást belső felületén lévő szemcsék a centrifugális erő hatására feltapadnak a palást felületére, megszüntetve ezzel az egymáson történő átgördülést és átesést, s így a szitálás hatásfokát gyakorlatilag zérusnak tekinthetjük. A szitálás hatásfoka tapasztalat szerint akkor a legjobb, ha az anyag a dobban a dob kb. 1/3 –ig emelkedik. [8] n krit 

9,6 v ker D

(6.1.1.x

Kritikus fordulatszám, D – dobátmérő [m],vker – a dob kerületi sebessége, nKrit - kritikus fordulatszám [1/perc] [3] Rácsok

75

A rácsok párhuzamos álló vagy mozgatott rudakból állnak A durva aprításhoz, ill. durvaosztályozáshoz kapcsolódnak, fő feladatuk a törőgépek vagy a szeparátorok mentesítése a finom résztől, nedves anyag előosztályozása illetve a termékek mérethelyességének ellenőrzése. A mozgatás módja lehet egy megfelelően robosztus ház mozgatása illetve a nem kör keresztmetszetű profilokból kialakított rács rudak saját tengelye körüli forgatásával.

6.1.1.31.ábra Mozgatott rácsprofilok [4]

A 6.1.1.32. ábra a mozgatott rácsok leggyakoribb kialakítását mutatja. E mozgatott rácsokat kaliberrácsnak nevezik. A kaliberrácsok felületét forgó kereszt rudak képezik. A rudak vagy a rudakra felhelyezett testek, tárcsák keresztmetszete lehet: pl. kör, ívháromszöges, ellipszis, trapéz, négyszög. E testek, tárcsák kíméletesen „kézről-kézre adják” a szitamaradványt. A forgó rudak hajtása lánckerékkel vagy kúpfogaskerekekkel történik, manapság terjednek a tengelyenkénti hidraulikus hajtással kialakított típusok is. Az egymást követő rudak kerületi sebessége (fordulatszáma) vagy megegyezik, vagy az anyaghaladás irányában kismértékben növekszik. Az anyag haladási (szállítási) sebessége 0,7 és 1 m/s között változik. A berendezés kialakítása alapvetően kétféle: a rácsfelület vagy vízszintes, vagy ferde (a vízszintessel 15….25o szöget bezáró). A kaliberrácsok szélessége leggyakrabban 1000…2500 mm, hossza 2000…7000 mm. Az osztályozó felület nyílásmérete pedig 25 és 100 mm között változik. Kifejezetten előnyős a használatuk, amikor az osztályozandó anyagnak nagy a nedvességtartalma, mivel a betömődés veszélye ezen berendezések esetén kicsi. A feladott anyag a forgó tárcsák hatására mozog keresztül a szitasíkon, miközben a tárcsák közötti réseknél kisebb szemek átesnek rajta. [4]

6.1.1.32. ábra Kaliber rács, tárcsák kialakítása [14] Kifejezetten nyirkos anyagok esetén a kis réstávolságú excenter tárcsaköteges kaliberrács használható. Ezen berendezéseknél a rácshézagokba benyúló pálcák gondoskodnak a tárcsák tisztításáról. Elsősorban a durva frakcióból a finom részek eltávolítására használhatóak. Kialakításukat tekintve léteznek továbbá szalagos kivitelben, ahol két párhuzamos, végtelenített lánc fut, a rácsot a láncok keresztrúdjai alkotják, valamint az un. dobrácsok. [7]

76

Tulajdonképpen ilyen kaliber rácsoknak tekinthetőek a manapság elterjedten használt csillagrosták is, hiszen gyakorlati eltérés a tárcsaprofilok kialakításában tapasztalható. A csillagrosták tárcsái (6.1.1.33. ábra) jellemzően 200 – 300 mm átmérőjűek, a 200 mm átmérőjű tárcsák 0-10 mm közötti, míg a nagyobb átmérőjű tárcsák 0 – 100 mm közötti osztályozást tesznek lehetővé. Jellemzőjük, hogy a gyakorlatban pl. síkszitákkal egyébként szitálhatatlan anyagot is képes osztályozni, az anyag nedvességtartalmára érzéketlen, rendkívül jól kezeli az olyan szemcséket (textil darabok) amelyek nagy felületükkel letakarhatják a szitaréseket, mivel a csillagrosták esetén a forgó csillagtárcsák gyakorlatilag gyorsan elszállítják magukról ezeket a darabokat, szabaddá téve a szitafelületet a többi szemcse számára. A csillagrosta tárcsák kialakítása és anyaga is (gumi, PU vagy acél) kisebb kopással üzemeltethető a hagyományos kalibertárcsákhoz képest. [13]

6.1.1.33. ábra csillagrosta tárcsa és csillagrosta szitafelület. [13, 11] Síksziták A síkszita, egy, vagy több egymás alatt (fölött) elhelyezett osztályozó, szitakeretre rögzített szitafelületből álló berendezés. A szitakeretek a szitaszekrényben kerülnek elhelyezésre. A szitaszekrény mozgatását (elektromágneses meghajtású sziták esetében a szitaszekrény nem mozog!) közvetlen, vagy közvetve oldják meg. A szitaszekrény független mozgást lehetővé téve kelül az álló szitatalpra.

6.1.1.34.ábra Síkszita (kétsíkú) felépítése

77

A síkszitákra jellemző technológiai paraméter a szitasík mozgatásának módja, amely alapján alapvető osztályokba sorolhatjuk a szitákat. Ha a tehetetlenségi gyorsulás szitalapra merőleges komponense nagyobb, mint nehézségi gyorsulás hasonló komponense, akkor a szemcse eldobódnak, ugrálva haladnak végig a szitalapon, vibrátorról beszélünk. Ha viszont a tehetetlenségi gyorsulás szitalapra merőleges komponense kisebb, mint nehézségi gyorsulás merőleges komponense, akkor a szemcsék csúsznak a szitalapon, lengőszitáról beszélünk. A hulladék előkészítésben a síksziták alkalmazása problematikussá válhat, mivel a hulladék szemcsék feldolgozásakor az osztályozandó anyag általában jelentős nedvességtartalommal bír. Így a szitasíkokat folyamatosan tisztítani kell a teljes eltömődés megakadályozása ellen. A szitalapok üzem közbeni tisztítására alkalmazhatunk esetenként elektromosan fűthető, vagy nem nedvesedő szitalapokat, vagy a szitanyílások alakjának alkalmas kiképzésével, öntisztító szitalapokat (pl. az umbra-sziták két rácsrendszere úgy mozog egymásban, hogy az általuk képzett szitanyílások automatikusan kitisztulnak). A nedves anyag szitálási teljesítménye és hatásfoka azonban a szitadugulás megszüntetése esetében is romlik a finom és durva szemcsék összetapadása, ill. a finom szemcsék leadásának akadályozása miatt. Ez ellen vagy a tapadó erők csökkentésével (pl. a nedvességnek a kritikus érték alá szorításával, felületaktív anyagok adagolásával) vagy a leszitáló erők növelésével lehet küzdeni. Utóbbinak a konstrukciós elemek szilárdsága szab határt. 6 - 7 g fölé nem ajánlatos menni a szita-gyorsulással. További megoldást jelenthet a szitalapok tisztítására a különböző mechanikai tisztítók, gumi golyók láncok szitasíkba történő megfelelő beépítésével. Ezek a mechanikai szerkezetek a gerjesztés hatására folyamatosan neki ütköznek a szitasíknak, így – időről időre kiütve a szitanyílásba szorult szemcséket.[2, 8]

6.1.1.35. ábra Szitatisztító elemek, és beépítésük [12] Azoknál a válogató rendszereknél, ahol egyidejűleg kétfajta anyag feldolgozására is lehetőség van ( vegyes csomagolóanyag és szelektíven gyűjtött papírhulladék) ott célszerű a papírválogató sorra külön egy vibrációs síkszitát beépíteni. A síkszita feladata az apró rész leválasztása és a válogatásra kerülő papírhulladék fellazítása, folyamatos és egyenletes adagolása. [2] A síksziták hulladék előkészítésben tapasztalható előnytelen tulajdonságait küszöböli ki az a kaszkád elrendezésű hulladékszita, amely immár hatékonyan dolgozza fel a magas szervesanyag tartalmú és nagy nedvességű lakossági és ipari hulladék típusokat. A kaszkád kialakítás lehetővé teszi a helyigényéhez képest nagy osztályozó felület kialakítását úgy, hogy a kaszkád elemek döntésével az effektív résméretnél nagyobb résméretek kialakítására van lehetőség, így az 78

eltömődés valószínűsége csökken. A kaszkád lépcsők végén kialakított tüskék/rudak gondoskodnak az anyagáram folyamatos fellazításáról és a nagy felületű, a szabad szitanyílásokat eltakaró, így a szitálás hatásfokát erősen rontó (pl. textil) szemcsék eltávolításáról. A berendezés effektív szitafelületét összehasonlítva hagyományos dobszitákkal a következő eredményre jutunk. Egy hagyományos 3m x 9m dobszita palásfelülete megközelítőleg 85 m2. A dobszita alsó negyede, ami effektíven részt vesz az osztályozásban, ez 21,25 m 2 effektív felületet jelent, melynek csupán kb. a fele értelmezhető relatív szabad szitafelületként (10,6 m2). Ezzel szemben egy kaszkád rendszerű szitasík teljes felülete részt vesz az osztályozásban, ez egy 2,4m x 7m szitánál 16,8 m2 felületet jelent, amelyen a rés alakjának és a sík kialakításnak köszönhetően a relatív szabad szitafelület a teljes felület kb. 70% -a, azaz ebben az esetben 11,7 m2. A kaszkádok végén kialakított tüskék/rudak azonban egy második, virtuális síkot is alkotnak, amellyel a felület összesen 17,5 m2 –re nő. Az említett szitatípus alkalmas 20 250 mm szemcsenagyságú osztályozásra. Az előbbi példában említett szitamérettel (2,4m x 7m) hulladékok (0,1 – 0,3 t/m3) esetén a feldolgozó képessége 110 m3/óránként [10]

6.1.1.36. ábra Kaszkád hulladékszita és sematikus rajza [10]

Osztályozás közegárammal A légáramban történő szétválasztás elvi alapja az alkotók eltérő süllyedési sebessége, ill. közegben való eltérő mozgása. A szemcsék (mérettől, alakjától, a közeg - és szemcsesűrűségtől függő) mozgását a nyugvó közegben mért maximális sebességével, az un. süllyedési végsebességgel jellemezzük, amelyre jellemző, hogy a nagyobb méretű (és nagyobb sűrűségű) szemek nagyobb sebességgel mozognak, mint a kisebb méretűek (és kisebb sűrűségűek). A szétválasztás áramkészülékekben történik, amelyben a közeg a szemcsékkel szemben vagy szöget bezáróan mozog (ellenáramú, ill. keresztáramú áramkészülék). A süllyedési végsebesség alapján az áramkészülékekben például oly módon valósul meg, hogyha szemcséket mozgásukkal szemben áramló közegbe helyezzük, akkor azok a szemcsék, amelyeknek nyugvó közegben kisebb volt a süllyedési sebessége, mint a közegáram sebessége, azokat a közeg magával ragadja; a közegáramnál nagyobb süllyedési sebességű szemek pedig a közeggel szemben haladva kiülepednek. [4] A közegáramban történő, a szemcsék méret szerinti elválasztás alapja a szemcsék eltérő süllyedési végsebessége. A 6.1.1.37. ábra szemlélteti gravitációs és centrifugális erőtérben a szemcsére ható erőket. A kezdetben (t=0) nehézségi erő és a felhajtó erő, ill. a centrifugális és a 79

felhajtó erő eredőjeként fellépő mozgató erő hatására a szemcsék egyenes vonalú gyorsuló mozgást végeznek. A mozgásba lendült szemcsére az elmozdulás pillanatától hat a közegellenállási erő, amely a szemcsesebesség növekedésével egyre nő. A növekvő mértékű közegellenállási erő eredményeként a mozgató erő és a közegellenállási erő kiegyenlítődik, a szemcse elérti az adott viszonyok közötti végsebességét. Az eredő erők egyensúlyi helyzetre vonatkozó összefüggésből (  F  0 ) a behelyettesítések süllyedési végsebesség meghatározható. Megállapítható, hogy a szemcsék vertikális és radiális irányú süllyedési végsebessége több tényező, nevezetesen d szemcs s szemcse k közegsűrűség viszonyának, a cE közegellenállási tényezőnek (és ezen keresztül a szemcsealaknak), valamint az erőtér gyorsulásának (abszolút értékének és irányának) egyaránt függvénye. Szemcsemozgás gravitációs erőtérben, nyugvó közegben

 dv dt

 F  M 

Fg = Vs s g Fh = Vs k g  v2 Fk  c E A k 2

vo2

4d  s   k  g 3cE k

   

Szemcsemozgás centrifugális erőtérben, nyugvó közegben

 dv 

 F  M dt 

Szemcsemozgás differenciál egyenlete

m

dv  Fg  Fh  Fk dt Fh

Fe  V s R 2  V s Fk  c E A

Fk

v 2t R

 k v 2ro 2

ill. Fc'  V s   k 

2 vro

Fg

v 2t R

4 d  s   k vt2  3 cE k R

Szemcsemozgás differenciál egyenlete m

dv  Fc  Fh  Fk dt

Fk Fc

Fh



6.1.1.37. ábra Szemcsékre ható erők centrifugális és gravitációs erőtérben A szemcse süllyedési végsebessége alapvetően függ a közegellenállási tényezőtől, ami a áramlási viszonyok és a szemcsealak (súrlódásos vagy súrlódásmentes körüláramlás) függvénye. A Stokes - lamináris tartományban a közegellenállási tényező a csak a Reynolds–szám függvénye: CE=24/Re. A Newton – turbulens tartományban CE= 0,44 konstans, a köztes viszonyokra (gömbre) pl. a Kaskas - egyenlet használható [9]

cE 

24 4   0,4 Re Re

Hulladék feldolgozás tekintetében mindenképpen érdemes megemlíteni azokat a légáramkészülékeket, amelyek egyrészt a malomipari alkalmazásokban terjedtek el, illetve energetikai és komposztálási céllal előállított biomassza halmazokban rendszerint alkalmazott kő és egyéb szervetlen anyagrész leválasztására szolgáló légáramkészülékek. Ezen eszközök sokszor megtalálhatóak akár mobil előkészítő egységeken is, mint ahogy jellemzően 6.1.1.38. ábra Mobil dobszita idegenanyag leválasztással

80

megtalálható rajtuk felső szalagos mágneses szeparátor is, ám ezek a légáram készülékek nem elsősorban osztályozási, hanem az anyagok eltérő sűrűsége szerinti szétválasztást valósítanak meg. Osztályozási szempontból fontos eszköz lehet azonban a porciklon, amely a porleválasztás egyik igen elterjedt eszköze, így a hulladék feldolgozásban is elterjedten használják. A porciklonok porleválasztás céljából történő hasznosítása tulajdonképpen osztályozási kérdés, csupán olyan speciálisan kell megválasztani az elválasztási szemcseméretet, hogy az alsó termékben minél kisebb koncentrációban kerüljön szemcse. Ez az elv tulajdonképpen megvalósul minden olyan, egyébként osztályozási eljárásnál, amit fázis szétválasztási alkalmazásokban is felhasználnak. A porciklon olyan hengeres kúpos tartály, amelynek hengeres részén tangenciálisan vezetik be a poros levegőt. A levegő teljes egésze a hengeres rész fedelének centrális kivezetésén az un. örvénykereső csövön távozik. Az örvénykereső csövön távozik a levegővel a ciklon által leválasztott finom frakció (porleválasztás esetén ennek a frakciónak a tömegkihozatala minimalizálandó) míg a durva frakció a ciklon csúcsán (apex) található zárt porgyűjtő tartályba ill. egy légszigetelt adagolón keresztül kerül elvezetésre. A porciklon méretezésekor, vagy kiválasztása során a ciklon geometriai méreteit és a poros gáz sebességét kell meghatározni, valamint a nyomásveszteséget kell megállapítani, amelyek meghatározzák a porleválasztás minőségi jellemzőit is. Az elválasztási szemcseméret meghatározására számos módszer ismert, gyakorlati felhasználásra Rosin – Rammler - Intelmann egyenlet ajánlható [1]

Méretarányok:  df = D/2,8  da = 0,7df  a = 0,6df  b = 1,2df  h = 2,2df  H = 6,1df

6.1.1.39. ábra Porciklon és jellemző méretarányai Irodalom [1] Akira Ogawa, Separation of particles from air and gases, CRC Press, Inc. Boca Raton Florida, 25.oldal, 1984 [2] Bőhm J. Hulladék osztályozása, szétválasztás szitákkal Miskolci Egyetem, Eljárástechnikai Tanszék, Tanszéki jegyzet 81

[3] Csőke B.: Előkészítéstechnika – Aprítás és osztályozás. Miskolci Egyetem, Eljárástechnikai Tanszék, Tanszéki jegyzet [4] Csőke B.: Eljárástechnika alapjai. Miskolci Egyetem, Eljárástechnikai Tanszék, Tanszéki jegyzet [5] Ralph E.H. Sims (Editor) Bioenergy Options for a Cleaner Environment, Elsevier Ltd. 2003 [6] Sunggyu Lee, James G. Speight, Sudarshan K. Loyalka (editors) Alternative Fuel Technologies, CRC Press, 2007 [7] Tarján G. Aprítók és osztályozók. Egyetemi jegyízet, Tankönyvkiadó, 1972 [8] Tarján, G.: Mineral processing. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1981. [9] Tarján I: A mechanikai eljárástechnika alapjai. (Egyetemi jegyzet). Miskolci Egyetemi Kiadó, 1997. ISBN 963 661 316 8 [10] IFE Aufbereitungstechnik GmbH. [11] Doppstadt Calbe GmbH. [12] Isenmann Siebe GmbH [13] Neuenhauser Umwelttechnik GmbH. [14] www.eubema.de

82

6.1.2 Dúsítási eljárások, szétválasztás fizikai tulajdonságbeli különbség alapján: elektromos és mágneses szeparálás, szétválasztás sűrűség szerinti eljárásokkal, optikai és termikus mechanikai eljárások Fejezet szerzői: Dr. Bőhm József, Dr. Gombkötő Imre, Prof. Dr. Csőke Barnabás 6.1.2.1. Bevezetés Az aprítással feltárt komponensek egymástól való szétválasztása a komponensek között meglévő fizikai tulajdonságbeli eltérésen alapul. Ezeket az eljárásokat összefoglalóan dúsításnak nevezzük, mivel az adott komponenseket rájuk nézve nagy koncentrációjú termékekbe választjuk le. Láttuk a dúsítási eljárások a szemcsék (darabok) között meglévő fizikai, fizikai-kémiai tulajdonságbeli különbségen alapszanak. Ily módon lehet elválasztani egymástól pl. a jól mágnesezhető szemcséket a kevésbé mágnesezhetőtől vagy a diamágneses szemcséktől, a jól vezető szemcséket a nemvezetőtől, félvezetőtől. Következésképpen annyi dúsítási eljárás van (lehetséges) ahány fizikai jelenséget ismerünk. A szétválasztásnak az is feltétele azonban, hogy a szemcsék eltérő anyagminőségűek legyenek. A hulladékdarabokban, például számítógépben, monitorokban azonban a szerkezeti anyagok – vas és nemvas-fémek, műanyagok, üveg- egymással szorosan egymással összekapcsolva fordulnak elő, meg kell tehát őket egymástól szabadítani (fizikai feltárás). Ezt aprítással valósítjuk meg. 6.1.2.1.táblázat: Az eredményes szétválasztás érdekében szükséges aprítási, őrlési finomság

Személyautó

Aprítás szükséges szemcsemérete, [mm] 65

Akkumulátor

30

Telefon

5

Komputer

2

Chipek

1

Hulladékfajta

Fémvezetővel rétegelt műanyaglapok (NYÁK)

Az aprítás mértéket az adott elhasználódott eszközben a szerkezeti anyagok legkisebb mérete határozza meg (6.1.2.1.táblázat). A dúsítás tehát az aprítással feltárt komponensek (egykomponensű szemcsék) egymástól való szétválasztása a komponensek (a hulladékfeldolgozásban rendszerint szerkezeti anyagok szemcséi) között meglévő fizikai, fizikai-kémiai tulajdonságbeli különbség alapján.

0,5

A dúsítás rendszerint azon az anyagtulajdonságon alapszik, amelyben az adott szemcseméretnél ( a megfelelő feltáráshoz szükséges szemcseméret) legnagyobb az eltérés a szétválasztandó komponensek között. A fémeket is tartalmazó anyagáramok esetében a különböző alkotóanyagok szétválasztására elsősorban a sűrűség, a mágneses és elektromos tulajdonság eltérése alapján nyílik lehetőség. Megkülönböztetünk egymástól száraz illetve nedves technológiai megoldásokat. A dúsítás száraz eljárásai elsősorban a kézi válogatás, sűrűség 83

szerinti szétválasztás légárammal száraz áramkészülékben illetve légszérrel, a vas mágneses szeparátorokkal a nemvas-fémek leválasztása pedig elektrosztatikus vagy örvényáramú szeparátorok alkalmazásával történhet. Nedves technológia alkalmazásakor a száraz áramkészüléket és a légszért, nedves áramkészülék, ill. az ülepítőgép vagy nehézszuszpenziós készülék, finomabb anyagokra nedves szér váltja fel. A dúsítási eljárások csoportosíthatók a közeg szerint is: ilyen módon megkülönböztetünk száraz és nedves eljárásokat. Száraz dúsítási eljárások - sűrűség szeparálás légárammal (száraz gravitációs eljárások): o száraz áramkészülékben, o légszérrel, o aerocsatornában o légülepítőgéppel, - mágneses szeparálás, - elektromos szeparálás: o elektrosztatikus, o örvényáramú szeparálás. - kézi és gép válogatás optikai és más saját vagy gerjesztett sugárzás érzékelése, elektromos vezetőképesség mérése révén, hőtani sajátságok alapján Nedves dúsítási eljárások: A nedves sűrűség szerint eljárásoknál - a száraz áramkészüléket és a légszért, nedves áramkészülék és szér, - az aero csatornát és légülepítőgépet a nedves csatorna és ülepítőgép - vagy nehézközeges,ill. nehézszuszpenziós készülék váltja fel, - vagy éppen a magnetohidrosztatiklus szeparátor váltja fel. 6.1.2.2. Válogatás A kézi válogatásnál a hatékonyság csak a nagyobb méretű (> 50 mm) anyagok eltávolításánál jelentkezik. Eszköze a kis sebességgel mozgó válogató szalag, amely mellett 1,5…1,8 m széles munkahelyeket alakítanak ki. A szalag szélessége, ha csak az egyik oldalán vannak munkahelyek legalább 0,6 m, ha mind a két oldalon akkor 1,2 m. A kiválogatott anyagokat ledobó aknán keresztül boxokba vagy konténerekbe gyűjtik. A válogatószalagot elsősorban olyan esetekben célszerű alkalmazni, ahol a feldolgozott anyagáram nagymérető értékes komponenseket, illetve kisszámú valamilyen szempontból veszélyes komponenseket tartalmaz. Fémtartalmú hulladékok esetében elsősorban a nemvas-fémek - alumínium, réz, ólom -, valamint a rozsdamentes nem mágnesezhető acél egymástól való elválasztására alkalmazzák. Az üzemekben a kézi válogatást rendszerint megelőzi egy gépi méret szerinti osztályozás (szitálás), amikor is a kisméretű idegen tárgyakat szitálással eltávolítják és a haszonanyag-hulladékot fellazítják. A vas-komponensek leválasztása a kézi válogatás előtt vagy után történik a szalag feletti mágnesekkel (néhány esetben mágneses dobokkal is). Az üzemeltetők gyakran előnyben részesítik a fémeknek a kézi válogatás utáni mágneses leválasztását, mert ekkor a fém-frakciót már nem szennyezik rátapadó anyag szemcsék. A válogatóművet a kialakított területen 84

megépített csarnokba építik be (vagy a csarnokkal egy egységben építik meg). A válogatószalag a csarnokban (vagy közvetlenül a csarnok mellé épített) zárt kabinban, a válogató szalag kiszolgáló egységei pedig a kabinon kívül nyernek elhelyezést[2].

6.1.2.2.1. ábra: Válogató kabin az AWE miskolci telephelyén és szalag[web4]a Pioneer ZRt. szarvasi vetőmag üzemében Manapság, a számítógépek számítási teljesítménye a 10 évvel korábbi kapacitásukhoz képest jelentős növekedést mutatnak, így megnyílt a lehetőség a gépi válogatási technológiák jelentősebb térnyerésének. Az automatikus válogatás során számos részfolyamat követi egymást. Fontos az anyag fellazítása, sorba állítása, hogy minden egyes darab külön vizsgálható legyen (a szemcsék egyedi megjelenítése). Ez a művelet gyakorlatilag szállítószalag, forgó tárcsa vagy egyéb hasonló célú berendezésekkel történik. Ezután a sorba állított szemcséket a felismerő egységhez kell szállítani. Egy jel kibocsátó - jel érzékelő és feldolgozó egység (számítógép) segítségével megtörténik az egyes darabok azonosítása meghatározott szétválasztási tulajdonságok alapján, valamint a kapott mérési jelek kiértékelése. A rendszer automatikusan meghatározza, hogy előre programozott minták alapján a vizsgált szemcse melyik termékbe kell, hogy kerüljön és a cselekvési fázisban beavatkozik. Ez történhet fúvóka sorral, ahol a szabadon eső szemcsék pályáját módosítják légáram segítségével vagy önműködő csapóajtók segítségével terelhetik az egyes szemcséket egyik - vagy - másik termékbe. 6.1.2.3. Sűrűség szerinti szétválasztás A sűrűség szerinti száraz szétválasztás történhet áramkészülékekben süllyedési végsebesség szerint, vagy légáramban fluidizált ágyban sűrűség szerint légszérrel vagy légülepítőgéppel. A légáramban történő szétválasztás elvi alapja a légáramban történő osztályozással azonos módón az alkotók eltérő süllyedési sebessége, ill. közegben való eltérő mozgása. A szemcsék (mérettől és közeg- és szemcsesűrűségtől függő) mozgását a nyugvó közegben mért maximális sebességével, az un. süllyedési végsebességgel jellemezzük., amelyre jellemző, hogy a nagyobb sűrűségű (és nagyobb méretű) szemek nagyobb sebességgel mozognak mint a kisebb sűrűségűek

85

(és kisebb méretűek). A légáramban történő osztályozás esetében elmondott ismereteket azonban szükséges kiegészíteni az együttülepedés fogalmával [2]. Az áramkészülékkel történő szétválasztás feltétele a szemcsék eltérő süllyedési sebessége. Az egykomponensű szemcsék esetén a nagyobb méretű szemcsék nagyobb, a kisebbek kisebb sebességgel mozognak. Többkomponensű különböző méretű szemcsékből álló rendszerben a jelenség összetettebb. Egy kisméretű, de nagy sűrűségű szemcse azonos vagy nagyobb sebességgel mozoghat mint egy jóval nagyobb méretű, de kisebb sűrűségű szemcse. Határeset, azaz az együttülepedés feltétele két eltérő sűrűségű szemcsére v01 = v02. Ebből kifejezhető az együtt ülepedő d1 és d2 méretű szemcsék mérethányadosa. E d1 és d2 szemcse-mérethatárokkal jellemzett rendszerben a szétválasztás áramkészülékben sűrűség szerint elválasztásra vezet. Együttülepedés

d1

vo1 1

1

2 d2

vo1 1 < 2 vo1 = vo2

2

vo2

r

d1 Ce1  s 2   k  d 2 Ce 2  s1   k

6.1.2.3.1. ábra: Együttülepedés [2] Hulladék feldolgozás esetén az ellenáramú légáramkészülékeket és az un Ballisztikus szeparátorokat egyaránt alkalmazzák az egymástól azok sűrűségében jelentős eltérést mutató szemcsék (fémek és műanyagok) egymástól való szétválasztására. Ballisztikus szeparátorokban [1] sokszor nem függőleges, vagy vízszintes, hanem ferde légáram segítségével módosítják az adagolóból hulló szemcsék pályáját. Ekkor a nagyobb sűrűségű szemcsék, nagyobb tömegük miatt tehetetlenebbül viselkednek, így a kisebb sűrűségű frakciótól külön edényzetbe gyűjthetőek.

86

6.1.2.3.2. ábra: Műanyag – fém szétválasztásra is alkalmas gabonaipari légáramkészülék [web1], és a Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Laboratóriumában épített légáramkészülék A légszérek[3] szemipermeábilis asztalán a ventilátor által szállított levegő fluid ágyat hoz létre, amelyben a nagyobb sűrűségű szemek az asztalra ülepednek, és e szemeket a vibrációs asztal a lejtőn felfelé kihordja, miközben a kissűrűségű fluidizált szemcsék az lejtő irányába lefolynak a szérasztalról. A légszérek jellemző kapacitása: 1…2 t/h.m2 A kéttermékes légszérrel, ahol a szérlapon a szemcsék a nem legyezően, hanem csak lefelé (könnyűek) és felfelé (nehezek) haladnak a középtermék keletkezése elkerülhető. A légszérek alkalmazása igen széleskörű, elterjedtek az elektronikai hulladékok, az autóroncsok, a kábelek előkészítésében, faforgácsból a fémek, malmokban őrlés előtt a búzából kőzetszemcsék kinyerésére. Megfelelő sűrűségkülönbség esetén alkalmasok műanyagok (PE/PVC) egymástól való elválasztására is.

6.1.2.3.3. ábra. Schomberg légszér és légszér működési elve, ahol L - Légáram, A feladott anyag, L - könnyű termék, S - nehéz termék, 1- lökő-rudazat, 2 – Rúgó, 3 – Ventilátor, 4 – szemipermeábilis asztal

87

Az aero-csatorna (aero-chute) a legutóbbi időkben bevezetett száraz dúsító berendezés, ahol az enyhén dőlt és lefelé szűkülő csatornában az alulról bevezetett levegő hatására fluidizált ágy (és lefelé irányuló szemcseáramlás) alakul ki, amelyben a nehezebb és nagyobb süllyedési végsebességű szemcsék a csatorna aljára dúsulnak fel, miközben könnyebbek és kisebb süllyedési végsebességű szemcsék pedig az ágy felsőrétegébe szállítódnak. Az elkülönült szemcserétegek a csatornavégen terelőlappal egymástól elvezethetők. Hasonló eljárás az ülepítés. Az ülepítés lényege gép szitáján levő szeparálásra feladott szemcsehalmaz periódikus fel-fellazítása és a szitára való visszaülepítése, miáltal az anyagréteg sűrűség szerint rendeződik. A fellazítás vagy szita, vagy pedig a közeg (levegő vagy víz )pulzáló mozgatásával érjük el. A sűrűség szerinti szétrétegződés annak köszönhető, hogy az ülepítőgép szitáján lévő szemcsehalmaz-ágynak a fellazított állapotában is nagy a szilárd részek térfogataránya, amely a rétegek összezáródásakor még nagyobbra növekszik. Minél nagyobb szemcsék a térfogataránya az ágyban, annál nagyobb az ágyat alkotó szilárd szemcsék és a köztük levő közeg sűrűsége, és ezzel együtt az ágy szemcséire gyakorolt felhajtóerő. Az ágy (jelen esetben levegő-szilárd keverék) sűrűségénél nagyobb sűrűségű szemek leülepednek az ágy aljára, a kisebbek pedig felúsznak az ágy tetejére.

6.1.2.3.4. ábra. ALPINE légülepítőgép A légülepítőgép alkalmazása a légszérekével közel megegyező, fő területek például a faforgácsból a fémek és kőzetszemcsék kinyerésére, szilárd települési hulladékból a másodtüzelőanyag előállításakor a kőzetszemcsék leválasztása, de hulladék előkészítésben az elektronikai hulladékok feldolgozása, a kábelek előkészítésében műanyag-fém elválasztás, illetve sárgaréz forgács elválasztása az alumínium forgácstól is. Jellemző kapacitása: 2…4 t/h.m2 . Általában elmondható, hogy a szilárd hulladék száraz állapotban könnyebben kezelhető, mint nedves állapotban. A száraz hulladék könnyebben tárolható és fajlagos energiatartalma is nagyobb valamint a nedves feldolgozás során keletkező szennyvíz kezelésének költsége aránytalanul magas a kapott termék értékéhez képest, ezért feldolgozása során nedves technológiákat csak igen ritkán, indokolt esetben alkalmaznak, így a sűrűség szerinti nedves szétválasztási technológiák, mint a nehézközeges dúsítás ill. nedves szérek elsősorban a nagy értékű fémhulladékok illetve építési, bontási hulladékok feldolgozási technológiájában alkalmazzák.

88

F

k

Kissűrűségű termék

_  < 1 k

A nehézközeges berendezés egy tartály, amelyben a különböző sűrűségű szemcséket kilülepítéssel és úsztatással (sink-float separation) választjuk el k

Nagysűrűségű termék

 2

k

sűrűségű közeget (valódi folyadékot = nehézfolyadékot vagy nehéz finom szemcsékből és vízből vagy jelen esetben levegőből képzett szuszpenziót) vezetünk ill. hozunk létre (6.1.2.3.5.ábra). A közegre feladott szemcsék közül k kisebb szemek úsznak és a közeggel együtt eltávoznak a tartályból, amíg a közeg ) k leülepednek a tartály aljára, ahonnan rendszerint kihordó szerkezettel távolítják el.

6.1.2.3.5.ábra. Szétválasztás nehéz közegben való úsztatással

6.1.2.3.6.ábra. Aeroszuszpenziós készülék

Az aerosuszpenziós szeparátor esetében, a perforált tartály csatornatartályban (6.1.2.3.6.ábra) valamilyen finom nagysűrűségű szemcsék (pl. 100kvarchomok, magnetit, hematit vagy cirkonszilikát) és levegő keverékeke képezik a közegágyat. A közegszemcséit a perforáció nyílásain beáramló levegő fluidizált állapotba tartja.

Erre lebegő szemcsékből álló ágyra (aeroszuszpenzióra) vezetjük a közeg szemcséinél durvább szeparálandó anyagot, ahol az aeroszuszpenziónál nagyobb sűrűségű szemcsék leülepedik a tartály (csatorna) aljára, a kisebbek felúsznak a fluid ágy tetejére. A két terméket a közeggel együtt vezetik el, majd a közeget a könnyű és nehéz termékektől szitával elválasztják. Leggyakrabban 10…50 mm méretű szemcséket adnak fel, de van példa ettől elétérő szemcseméretre: durva >3 mm aprított kábelhulladék, 4-16 mm roncsautó-töret, égetőműi fémtartalmú salak esetében is alkalmazást nyert.

89

6.1.2.4. Szétválasztás a szemcsék eltérő mágneses tulajdonságai alapján A hulladék feldolgozásban a mágneses szeparátorok alkalmazása elsősorban a törő, aprító berendezések védelme érdekében elengedhetetlen[4]. A vas ferromágneses tulajdonságait kihasználva könnyen kiválaszthatóak az anyagáramból a vas tartalmú szemcsék, így elkerülhető, hogy az akár véletlenül (nem az anyagáram tényleges alkotórészeként) odakerült részecskék kárt tegyenek a törő berendezésekben illetve a technológia egyéb berendezéseiben. Fémtartalmú hulladékok feldolgozása esetén a vaskiválasztó mágnesek alkalmazása alapvető. Alapvetően Ferro (erősen mágneses), Para (gyengén mágneses) és Dia (nem-mágneses) mágneses anyagokat a hulladék és hulladék feldolgozásban, a gyakorlatban mágneses és nemmágneses tulajdonságúként soroljuk be. A vas tartalmú szemcsék jó hatásfokkal elválaszthatóak a nem-mágneses szemcséktől szinte bármely szemcseméret esetén, bár a néhány mm-nél kisebb szemcseméret a hulladék feldolgozásra nem jellemző. A szétválasztás hatásfokát jelentősen ronthatja, ha a feladott anyag nedves, mivel a nedvesség miatt a kis sűrűségű hulladék szemcsék könnyen rátapadnak a vas szemcsék felületére, és mivel tömegük csekély, könnyen a mágneses termékbe kerülhetnek.

Fm

Fm>Fc + cos Fg

Fc

Fg

Fm

L v0

H

Fg

6.1.2.4.1. ábra: Mágneses szeparátorok vaskiválasztásra[3, web2, web3] A vaskiválasztó mágnesek 2 fő típus terjedt el a gyakorlati alkalmazás terén: szalagos és dobszeparátorok [2]. Mind két típus esetén állandó ill. elektromágnesek biztosítják a mágneses 90

teret. Az állandó mágnesek előnye, hogy működésükhöz nem igényelnek elektromos energiát, így üzemeltetésük olcsóbb. A szalagos szeparátorok egyik típusa a kereszt szalagos szeparátor. A szétválasztandó anyagáram fölé egy az anyagáramra merőlegesen elhelyezett szalagot helyezünk, melynek közepébe, az anyagáram fölé egy mágnest helyezünk. Az anyagáramból a ferromágneses szemcsék felugranak a mágnesre, ahol a keresztáramú szalag elszállítja az anyagáram fölül. ahol a felső szalag már nem tartózkodik a mágnes alatt, a szemcse leesik a szalagról. Ezt a megoldást akkor célszerű alkalmazni, amikor a feldolgozandó anyagáram viszonylag kis mennyiségű vas szemcsét tartalmaz. Keresztszalagos szeparátorok tulajdonképpen bármilyen konvencionális szállítóeszköz fölé szerelhető, azonban kerülni kell vibrációs adagolók fölé történő szerelését, mivel a berendezés csapágyazása átmágneseződhet jelentős kopást okozva a berendezés csapágyaiban. Szalagos szeparátor elhelyezhető szállítóheveder ledobó végénél a szállítóhevederrel egyenáramban. Ebben az esetben, ellentétben a keresztszalagos szeparátorral, olyan mágnest kell alkalmazni, melynek szélessége megegyezik a szállítóheveder szélességével, amely megoldás sok esetben gazdaságtalan. A mágneses dobszeparátorok hasonló elven működnek a szalagos szeparátorokhoz. Álladó mágnest helyezünk el a szállítóheveder ledobó végénél található feszítő dobba, úgy hogy a mágnes a dob csupán egy szeletét töltse ki. Ekkor a ferromágneses szemcsék rátapadnak a ledobó végen a szalagra és nem repülnek le róla, mint a többi, nem-mágneses szemcse. Amint a ferromágneses szemcse eléri azt a kerületi pontot - rendszerint immár a szállító heveder alsó felén - ahol a mágnes már nincs felette, elengedi azt és egy külön gyűjtő edényzetbe hullik. A hasonló elven, mágnes hengercikkel szerelt dob - rendszerint rozsdamentes acélból készült elhelyezhető a szállítóheveder ledobó végénél a szalag felett. Ekkor a heveder fölé helyezett dob lassan forog, így távolítva el az anyagáramból a dobra felugró mágneses szemcséket. A dobszeparátor esetében a szemcse kinyerésének feltétele, hogy Fm mágneses erő nagyobb legyen az Fc centrifugális erőnek, valamint az Fg nehézségi erő radiális komponensének az összegénél: Fm  Fc  Fg cos

91

6.1.2.5. Szétválasztás a szemcsék eltérő elektromos tulajdonságai alapján Az elektromos szeparálás igen fontos szerepet tölt be a fémtartalmú hulladékok szétválasztásában elsősorban a vezető és nemvezető anyagok egymástól való elkülönítésében. A durvább szemcséket örvényáramú szeparátorokkal, a finomabbakat elektrosztatikus berendezésekkel választhatjuk el egymástól (6.1.2.5.4.ábra). Az elektromos szétválasztás eljárásait és berendezéseit 6.1.2.5.1 –6.1.2.5.8. ábra mutatja be.

6.1.2.5.1. ábra. Lorentz-féle erő

Az örvényáramú szeparálás azon jelenségen alapszik, hogy B mágneses indukciójú térben v sebességgel mozgó vezetőben a Lorentz-erő (merőleges esetben: F= QBv=IB ) a töltést körpályára kényszeríti (6.1.2.5.1.ábra), és a keltett örvényáram mágneses tere éppen ellenkező hatású, mint az őt létrehozó B mágneses tér, miáltal a vezetődarab a B és v által meghatározott síkra merőlegesen elmozdul (elhajítódik), x.ábra. Mindez a nemvezető anyag szemcséinek, darabjainak mozgására nincs befolyással.



6.1.2.5.2.ábra. Örvényáramú lapszeparátor

6.1.2.5.4.ábra. Különböző mágneses póluskialakítások az örvényáramú dobszeparátornál

6.1.2.5.3.ábra. Örvényáramú dobszeparátor A legelterjedtebben alkalmazott örvényáramú dobszeparátorok póluskiképzést a 6.1.2.5.4.ábra szemlélteti. Az Örvényáramú szeparátorok alkalmasak nemcsak a nemvezető (műanyagok, gumi, üveg, kőzet) és vezető, hanem a különböző vezetőképességű nemvas-fémek (Al-Cu, Alsárgaréz) szemcséinek egymástól való elválasztására is.

A feladás szemcsemérete leggyakrabban 10…70 mm, de élesebb, pontosabb elválasztás valósítható meg, ha a szemcsehatárok szűkebbek (pl. 5-15, 15-35, 35-70 mm). Az újabb generációs szeparátorok alkalmasok 3 mm-ig történő szétválasztásra is (Lindemann - szeparátor). Az örvényáramú szeparálást a vasleválasztás (mágneses szeparálás) előzi meg. A fenti lap és dob szeparátorok mellett számos más kialakításuk is ismert attól függően, a mágneses teret, ill. annak időbeli vagy térbeli változást hogyan valósítják meg: a változó mágneses teret forgó permanens mágnessel (dob-, tárcsaszeparátor), mechanikusan mozgatott egyenáramú (dob-, forgószeparátor) vagy rögzített váltóáramú (pl. lineáris motor) mágnessel hozzák-e létre. Az vezető-nemvezető szemcsék szétválasztását szolgáló, koronaelektródás dobszeparátorok működése, a szemcsék eltérő koronafeltöltődése (elektronok megtapadása a szemcsék felületén a korona elektróda által ionizált térben) és eltérő töltésvesztésén (áttöltődésén) alapszik, amelynek eredményeként fellépő eltérő elektrosztatikus (főként FC = Q E Coulomb-) erők révén a vezető szemcsék a dobbal érintkezve vele azonos töltésre tesznek szert, és a dobról eltaszítódnak. A 92

szigetelő szemcsék megtartván töltésüket a dobhoz tapadnak, amely magával szállítja őket (6.1.2.5.5.ábra). Az elektrosztatikus koronaelektródás dobszeparátorok elektromos tere 5…20 kV, feldolgozó képessége 0,5…1 t/h.m (1 m dobszélességre).

Feladás

Ionizáló elektróda Statikus elektróda Elektromos tér

Földelt forgó dob

Szigetelő

Févezető

Vezető

Vezető szemcsék

Elektromos tér

Földelt forgó dob Nemvezető szemcsék

6.1.2.5.5.ábra. Koronaelektródás elektrosztatikus szeparátor A megfelelően tiszta terméket – tekintettel a kevert féltermékekre – rendszerint többlépcsős szeparálással érhetjük el. 6.1.2.5.6.ábra. Többlépcsős szeparálás módjai: vezető-termék tisztítás (bal ábra), nemvezető termék tisztítása

A tribo-elektromos szeparátor működése az érintkezési elektromosság (dörzselektromosság) jelenségén alapszik. Két különböző fajta anyag érintkezésekor ugyanis érintkezési potenciál keletkezik, amelynek következtében az egyik anyagról a másikra elektronok lépnek át, módon miáltal az egyik anyag negatív, a másik pozitív töltéshez jut. A szigetelők esetében általában az a szabály érvényesül, hogy a nagyobb dielektromos állandójú szemcse pozitív a kisebb negatív töltésre tesz szert (Coehn-féle szabály). A műanyagok esetében érvényes sorrendet a 6.1.2.5.7.ábra szemlélteti. A célra alkalmas lapszeparátort a 6.1.2.5.8.ábra tűnteti fel.

93

x.ábra. Műanyagok tribo-elektromos feltöltődési sorrendje

6.1.2.5.7.ábra

A megfelelő feltöltődés tiszta nemvezető felület igényel (6.1.2.5.8.ábra), ezért keverék (1) a szemcséinek felületét meg kell tisztítani, kondicionálni (2) kell, majd intenzív keveréssel ütköztetni (feltölteni -3) szükséges, csak ezek után következhet a szeparálás (4).

6.1.2.5.8.ábra. Tribo-elektromos szeparátor

94

6.1.2.6. Nedves sűrűség szerinti dúsítási eljárások A nedves eljárások alkalmazásával lehet a legjobb minőségű végterméket előállítani. Az eljárás során azonban a keletkezett szennyvíz tisztításáról és az iszap elhelyezéséről külön gondoskodni kell. A nedves eljárásokat elsősorban az értékes fémeket tartalmazó elhasznált eszközök (autóroncs, elektronikai hulladék) és az építési hulladékok előkészítésénél alkalmazzák (6.1.2.6.1.táblázat). Az ülepítésben, a szérelésben és a nehézközeges dúsításban egyaránt az anyagdarabokra ható súlyerő, a közeg felhajtóereje és a közegáramlás következtében fellépő erőhatás határozza meg az egyes szemek elhelyezkedését, ill. mozgását a dúsító készülékekben, ezért az egyes eljárások alkalmazási területét a szemcseméret alapvetően meghatározza.

95

6.1.2.6.1.táblázat Nedves sűrűség szerint szétválasztó dúsítási eljárások alkalmazási területe [6] Dúsítási eljárás

Dúsítási feladat

Szemcse méret [mm]

Műanyagok egymástól

Alumí-nium hulladék

Ólom akkumulátor hulladék

Kábel hulladék

+

+

Elektrotechnikai hulladék

Könnyű acélhulladék (autó-hull.)

Úsztató eljárások

 

++

Nehézfolyadékban Nehézfszuszpenzióban  Nehézségi erőtérben  Centrifugális erőtérben

Dúsítás nedves ülepítőgéppel Dúsítás nedves széren Dúsítás nedves ellenáramú áramkészülékkel

5 ... 150

++

++

+

+

+

++ +

+

++

<2…15 2 ... 50

<8

5 ... 150

++

++

++

+

+

Az. 6.1.2.6.1.táblázatból kitűnik, hogy legszélesebb körben a nehézközeges, ill. nehézszuszpenziós nedves dúsítási eljárások alkalmazhatók, de elterjedtek a nedves áramkészülékek is. 6.1.2.6.1. Nehézközeges szétválasztás A nehézszuszpenziós berendezés tartályból és a kihordó szerkezetből áll. A dúsító berendezésbe a fémtartalmú hulladékok elválasztásánál rendszer omokot, baritot, ferroszilicium vagy magnetit és víz keverékéből képzett előírt sűrűségű szuszpenziót vezetnek (6.1.2.6.1.1.táblázat). A műanyagok egymástól való elválasztása általában CaCl2 - vagy ZnCl2 ból képzett valódi oldatot alkalmaznak. A polietilén és a polipropilén kinyerésére tiszta víz is alkalmazható tekintettel a víznél kisebb sűrűségükre.

96

6.1.2.6.1.1..táblázat. A nehézszuszpenzió ill. nehézközeg előállítására használt anyagok Anyag

Kvarchomok Barit (BaSO4) Magnetit (Fe3O4) Pirit (FeS2) Galenit (PbS) Ferroszilicium (FeSí, 15 % Si) Ferrokróm (15 % Cr) Kalciumklorid (CaCl2.6 H2O) Cinkklorid (ZnCl2.1,5 H2O) Víz Etilalkohol

Szemcse ill. anyagsűrűség, [kg/dm3] 2,65 4,3 - 4,7 4,9 - 5,2 4,9 - 5,2 7,4 – 7,6 6,9 7,5 1,68 2,91 1,0 0,81

Szuszpenzió- ill. közeg maximális sűrűsége, [kg/dm3] 1,6 2,0 2,4 2,4 3,3 3,5 4,2 1,2 1,9 – 2,07 1,0 0,81

6.1.2.6.1.1. Gravitációs nehézszuszpenziós szeparátorok 6.1.2.6.1.1.1.ábra Nehézszuszpenziós készülékek: a) láncos vonszoló és b) kerekes kihordással [6]

A - feladás; N - nagysűrűségű termék; K kissűrűségű termék

Az 6.1.2.6.1.1.1.ábra elsősorban a hulladék-előkészítésben leggyakrabban alkalmazott készülékeket mutatja be. A közegnél nagyobb sűrűségű anyag leülepedik a tartály aljára, amit a kihordó szerkezet távolít el a tartályból. A kis sűrűségű (könnyű) anyagokat a tartály túlömlésén elfolyó szuszpenzió ill. oldat szállítja el. A nehézszuszpenziós berendezések egységnyi kádfelületre fajlagos feldolgozó képessége egyszerű csúcskád esetén 5…10 t/(m 2.h), emelőkerekes szeparátoroknál 15…25 m3/(m2.h). A szuszpenzióigény egységnyi tömegű szeparálandó anyagra 2…8 m3/t.

97

6.1.2.6.1.2. Centrifugális nehézközeges szeparátorok A finomabb szemcsék hatékony szeparálása érdekében a mozgató erő növelése szükséges, amelyet centrifugális erőtérrel - ciklonokkal, örvénycsövekkel vagy centrifugákkal - valósítanak meg. Nehézközeges ciklonok Egy-egy egymáshoz csatlakozó hengeres és kúpos részből álló tartály (6.1.2.6.1.2.1.ábra), amely hengeres részébe tangenciálisan vezetik be a közeget és a szeparálandó különböző sűrűségű szemcséket. A közeg örvénypályán halad a ciklon tengelye felé, magával ragadva a közegnél kisebb sűrűségű szemcséket, és kihordva őket a tengelyvonalban beépített felső henger un. keresőcső segítségével, miközben a közegnél nagyobb sűrűségű szemcsék a ciklon falán ülepednek ki, és az alsó kúppal hordódnak ki a ciklonból. A ciklon tengelyvonalában légmag alakul ki. Könnyű, kicsi Könnyű, nagy Nehéz, nagy Nehéz, kicsi

Könnyűtermék Kereső cső Felülfolyás

Henger Feladás

Például egy D=250 mm átmérőjű nehézszuszpenziós feldolgozó képessége 20…30 m3/h tömör szilárdanyag 0,5…10 mm feladási szemcseméret mellett. A ciklonok kapacitása az átmérővel négyzetesen arányos. A ciklonok szuszpenzió igénye egységnyi térfogatú szeparálandó anyagra 3…6 m3/m3. A nehézközeges ciklont alkalmazzák poliolefinek és a PVC (és nem-poliolefin) egymástól való elválasztására

Kónusz

Alulfolyás Nehéztermék

6.1.2.6.1.2.1.ábra Nehézközeges ciklon

Örvénycsövek Az örvénycsövek egy hengeres testből álló tartály, amelynek alsó vagy felső részén tangenciálisan vezetik be a közeget. A közeg örvénypályán végig halad a hengerben, a tengelyvonalban légmag alakul ki (6.1.2.6.1.2.2.ábra). Az egymástól szeparálandó különböző sűrűségű szemcséket a tengelyvonalban, a légmagba adjuk fel. A közeg, a bevezetésének módjától függően, vagy egyező irányban, vagy pedig ellenáramban (6.1.2.6.1.2.3.ábra) halad a szeparálandó szemcsékkel. A közegnél kisebb sűrűségű, abban úszó szemcséket a tengelyvonalban beépített csővel vezetjük el, miközben a közegnél nagyobb sűrűségű szemcsék az örvénycső falán ülepednek ki, és örvénycsőhöz tangenciálisan illeszkedő kihordó csövön (vagy csöveken) keresztül távoznak. Az ellenáramú készülék esetében háromtermékes szeparálás is megvalósítható, ha a hengert két részre osztjuk, és az egyes szakaszokra eltérő sűrűségű közeget vezetünk (x.ábra: Tri-Flo szeparátor).

98

Feladás

Nyers feladás Kiülepedett - 1

Kiülepedett - 2

Közeg – 1

Kiülepedő szemcsék, nagysűrűségű termék

Közeg – 2 Úszó termék

Úszó szemcsék, kissűrűségű termék

6.1.2.6.1.2.3.ábra. Nehézközeges Tri -Flo örvénycsö

6.1.2.6.1.2.2.ábra. Nehézközeges örvénycsövek

Feladás

[7]

Mind a ciklonok, mind pedig az örvénycsövek esetében rendszerint többlépcsős szeparálás valósítanak meg, amikor az úszó és kiülepedett terméket egyaránt tisztításnak vetik alá (6.1.2.6.1.2.4.ábra)

Úszótermék

Ülepedett termék

6.1.2.6.1.2.4.ábra. többlépcsős szeparálás

7]

Dúsító nehézközeges centrifuga A centrifugával a műanyagokat igen hatásosan (95 % alkotórész-kihozatallal) és nagy tisztasággal (99,9 %) lehet egymástól elválasztani. A ciklonoknál és örvénycsöveknél hatásosabb elválasztás oka, hogy a centrifugában nagyobb centrifugális erő (centripetális gyorsulás a nehézségi erő ezerszerese: c ≈1000 g, a ciklonoknál pedig c < 100 g) miatt a kiülepedés sebessége nagyobb, ugyanakkor a centrifugáéban a szemcsék tartózkodási ideje - szemben a ciklonokkal , ahol 1 s – nagyobb, 20 s körüli. A dúsító nehézközeges centrifuga-szeparátorban (6.1.2.6.1.2.5.ábra) végbemenő szétválasztási folyamat hasonló az örvénycsövekéhez. Az örvénycsövek esetében a hengeres test áll, a centrifugák esetében azonban a hengeres test, benne lévő a szuszpenzióval együtt, nagy kerületi sebességgel forog.

Feladás

Úszótermék

Ülepedett termék

6.1.2.6.1.2.5.ábra. Nehézközeges dúsító centrifuga (CENSOR), [7]

99

A közeget a szeparálandó szemcsékkel együtt a centrifuga tengelyén vezetik be. A közegnél kisebb sűrűségű, abban úszó szemcséket a tengelyvonalban beépített kisebb átmérőjű csiga hordja, miközben a közegnél nagyobb sűrűségű szemcsék a centrifuga falán ülepednek ki, amit egy nagyobb átmérőjű csiga szállít ki a centrifugából.

Centrifugákra alapozott üzemet épített a RETHMANN Plano GmbH [7] Lippewerk Lünen-ben, amelynek kapacitása 12 000 t/év. A feladott anyag ipari és szelektív gyűjtésből (DSD-ből) származó csomagoló műanyagok (fóliák, palackok, poharak, tartályok). A szeparálás két lépcsőben történik, az első aprítást követően < 50…100 mm-es, a második vágómalmi aprítás után < 15 mm méretű szemcsékkel. Az aprítást minden esetben előtisztítás követi a papír, a kőzet- és a fémszemcsék leválasztására, végül a centrifugákkal csekéllyel nagyobb mint 1 kg/dm3 sűrűségű közeggel a poliolefineket (LDPE, HDPE és PP) elválasztják a nem-poliolefin (PET, PVC PS és más nem poliolefin) szemcséktől. A termékeket szárítják és extrúderrel granulálják. Valamennyi nehézközeges szeparálás szerves része a közegnek (valódi folyadék vagy nehézszuszpenzió) a szilárd szemcséktől szitával való az elválasztása, majd a közeg tisztítása, regenerálása: valódi folyadéknál szűréssel és bepárlással, mágnesezhető szemcsékkel (magnetit, ferroszilicium) képzett szuszpenziónál mágneses szeparálással, végül a tisztított, és sűrűsége szerint beszabályozott közeget a folyamatba visszavezetik. 6.1.2.6.2. Dúsítás ülepítő géppel Az ülepítés lényege a gép szitáján levő anyagréteg szakaszos fel-fellazítása és a szitára való visszaülepítése, miáltal az anyagréteg sűrűség szerint rendeződik Az anyaghalmaz fellazítása álló szitán át való vízáramoltatással vagy álló vízben a szitának fel-le mozgatásával történhet, e szerint lehetnek állószitás vagy mozgószitás ülepítő gépek. Leggyakrabban állószitás ülepítőgépeket alkalmaznak, ahol a vízszintes vagy közel vízszintes szita egyik végén folyamatosan történik az anyagfeladás, a szita túlsó végén levő résen át - ha van ilyen ugyancsak folyamatosan távozik az alsó, nagysűrűségű réteg, és túlömlő élen át a felső, kissűrűségű réteg. Az ülepítésnél a közeg (víz) mozgatására dugattyút vagy membránt, vagy pedig sűrített levegőt használnak. Ezzel az eljárással nagy kapacitás és éles szétválasztás érhető el. Az üzemeltetési és beruházási költség is alacsony. Elterjedt az alkalmazása az építési hulladékok előkészítésére, továbbá alkalmazzák az autóroncsok feldolgozására is. 6.1.2.6.3. Szétválasztás nedves szérrel és csatornával Az előkészítéstechnikában a finomabb (< 8…10 mm) szemek nedves sűrűség szerint elválasztására szérek terjedtek el, elsősorban a kábelelőkészítésben a légszérek középtermékének (kevert műanyag-réz), valamint az alumínium és réz szétválasztására. A szér egy enyhén dőlt és hosszirányban mozgatott (lökött) lapból áll (6.1.2.6.3.1.ábra), amelynek felső sarkában adják fel a szeparálandó anyagot, miközben a szérlapon a lejtő irányában vékony vízáram folyik le. A széren a szétválasztás sűrűség alapján történik úgy, hogy a szérlapon a vékonyvízárammal fellazuló anyagágyban a szemcsék egyrészt a szér hosszirányában (a szérlap-mozgatás irányába) a tömegerők révén, másrészt a szérlap dőlése irányában a víz szállító ereje hatására eltérően mozognak: a nagyobb szemek a szérlap dőlése mentén, a nagyobb sűrűségűek a hosszirány (lökés irányában) haladnak nagyobb sebességgel. A bordázott szérek esetében a

100

bordázat (vagy keresztlécek) megakadályozzák a bordázatba beülő finom nehéz szemeknek a lejtő irányba való haladását, s ezáltal a szérlap legtávolabbi pontján hagyják el szérlapot.

101

A

Víz

Vízfolyás iránya

Finom nehéz szemcsék

K

Kicsi könnyű és a nagy nehéz szemcsék

Nagy könnyű szemcsék

N

Q = 0,4 x0,5 [t/h.m2] t/h.m2] x – maximá maximális A - feladás; N - nagysűrűségű termék; szemcsemé szemcseméret, [mm] mm] K - kissűrűségű termék P = 0,5… 0,5…0,8 kW Löket adatok: n = 130… 130…380 min-1

Nedves lökött szér

l = 12… 12…36 mm

6.1.2.6.3.1. ábra: Nedves szér és működési elvének sematikus rajza

Csatorna sűrűség szerint szétválasztásra

102

A spirális nedves csatorna működése nagyban hasonlít a szérekéhez, bár a szeparálás vastagabb vízáramban valósul meg. A centrifugális erő hatására a víz áramlása a csatorna tengelyétől kifelé irányul, magával ragadva a nagyobb méretű és kisebb sűrűségű szemcséket, miközben a nagyobb sűrűségűek a csatorna tengelyvonalának közelében dúsulnak fel, ahonnan elvezethetők. A csatornákat a értékes nehézfémtartalmú ásványok meddőkből való kinyerésére, nehézfémekkel szennyezett talajok tisztítására alkalmazzák előszeretettel.

6.1.2.6.4. Szétválasztás nedves áramkészülékkel A nedves áramkészülékekben történő szétválasztás elvi alapja, ugyanúgy, mint a száraz áramkészülékek esetében a különböző sűrűségű szemcsék eltérő süllyedési sebessége, ill. közegben való eltérő mozgása. Elsősorban vegyes hulladék szétválasztására alkalmazott az eljárás. A legfontosabb nedves áramkészülék típusokat az alábbi 6.1.2.6.4.1.ábra mutatják be. Ellenáramú hidraulikus áramkészülék Tartály-áramkészülék (ellenáramú, hátráltatott ülepedésű) Csatorna-áramkészülék (ellenáramú, szabad ülepedésű)

Csatorna-áramkészülék kihordó szerkezete

B)

A)

6.1.2.6.4.1..ábra. Mozgóalkatrész nélküli ellenáramú (A) és keresztáramú mechanikus (B) áramkészülékek [8] Alkalmazásuk elsősorban az építési hulladékok előkészítésére (mechanikai eljárásokkal történő feldolgozására) terjedtek el, de találkozunk velük a kábel-, az akkumulátor és a műanyaghulladékok hasznosításra való előkészítésekor is. 6.1.2.6.5. Speciális dúsítási eljárások

Feladás

Z

Úszó Leülepedett

Fg

NASA-szeparátor

6.1.2.6.5.1.ábra. A magnetohidrosztatikus (MHS) jelenség és a NASA MHS-szeparátorának vázlata 103

A magnetohidrosztatikus jelenséget (MHS) tapasztalhatjuk akkor, amikor egy paramágneses testet (amit levegőben egyébként az inhomogén mágnes térben vonz a mágnes), olyan közegben helyezünk (ugyanabban az eredeti mágneses térbe), amelynek mágneses szuszceptibilitása nagyobb mint a szemcséé, akkor e testet a mágnes (a közeg „kiszorítván” magából) eltaszítja. A 6.1.2.6.5.1.ábrán látható mágneses térben a folyadékok felhajtó erejéhez hasonló jelenséget tapasztalunk, a szemcsék függőleges irányba felfelé mozdulnak el. Az MHS mágneses erőt a nehézségi erő egyenlíti ki, s mivel a mágneses tér inhomogén (Z vertikális irányban csökkenő), a különböző sűrűségű szemcsék különböző magasságban foglalják el egyensúlyi helyzetüket, ahonnan elvezethetők. A mágneszhető közeg lehet mágnesezhető fémsók (pl. vas-, nikkelklorid…) oldata, vagy nanoméretű magnetit részecskékből képzett stabil szuszpenzió (ez utóbbiak a leghatásosabbak). Összefoglalásként érdemes megemlíteni, hogy manapság igen elterjedtek a hulladék és hulladék előkészítés területén olyan kombinált mobil egységek, amelyek aprítógép vagy osztályozó szitaberendezés, felsőszalagos mágneses szeparátor és légáramkészülék egybeépítésével in-site megoldást biztosítanak a hulladék helyben történő feldolgozására. Egy ilyen osztályozó berendezés látható a x. ábrán, ahol egy mobil osztályozó szita feladási pontjánál lehetőség van a kőzetanyag eltávolítására egy légáramkészülék segítségével, a termék kihordó szalagok kialakítása pedig olyan, hogy egy felsőszalagos szeparátor könnyedén elhelyezhető föléjük úgy, hogy a szalag meghajtása a fő egységéről biztosítható. A berendezés könnyen átalakítható dobszitával történő üzemelésre is.

6.1.2.6.5.2. ábra: mobil többfunkciós hulladék feldolgozó egység 6.1.2.6.6. Hivatkozások [1] Bőhm József: Szétválasztás közegáramban. Oktatási segédlet, kézirat [2] Csőke B.: Eljárástechnika alapjai. Miskolci Egyetem, Eljárástechnikai Tanszék,Tanszéki jegyzet [3] Csőke B.: A hulladékfeldolgozás szeparátorai, Hulladéksors 2009. X évfolyam 5. Szám pp 20-23 [4] Nagy, S.: Hulladék hulladék aprítása/Comminution of waste biomass material, BIOhulladék/BIOwaste 3-4/2008, 37-44.

104

[5] Sunggyu Lee, James G. Speight, Sudarshan K. Loyalka (editors) Alternative Fue Technologies, CRC Press, 2007 [6] Tarján,G.: Mineral Processing II. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1981 [7] Bertram, A.-Unkelbach, K.H.: High Duty Plastics Recycling with the Aid Sorting Centrifuges. Proceedings of the XX IMPC – Aachen, 21-26 September 1997, 373-382 [8] Dalmijn, W.L.: Dry Density Separation of 4-16 mm of Non.ferrous Car Scrap. XX. International Mineral Processing Congress, Aachen, September 21-26, 1997.pp. Proceedings.Vol. 5., pp.189-200 [9] Verfahrenstechnik.Mechanische.Verfahrenstechnik I./II. (Schubert, H.führ. Autor) eutscher Verlag für Grundstoffindustrie.Leipzig , 1979. [10] Tarján I: A mechanikai eljárástechnika alapjai. (Egyetemi jegyzet). Miskolci Egyetemi Kiadó, 1997. ISBN 963 661 316 8 [11] Schubert, G.: Aufbereitung metallischer Sekundärrohstoffe.Band.I.VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Lepizig.1983 [12] Nijkerk, A.A.- Dalmijn, W.L.: Handbook of Recycling Techniques. NOVEM/NOH (ISBN 90-802909-3-9). Hague, 2001 [13] Schubert, H.: Auberetung fester Stoffe,Band II> Sortierprozesse, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie.Leipzig ,1996 [14] Schubert, G.: Automatische Klaubung der Metalle, des Glases und der anderen Abfälle Vorlesung für ungarische Studenten. Miskoci Egyetem. Eljárátechjnikaim Tanszék Miskolc, 16 May 2000 [15] Schubert, G.: Processing of scrap and metalliferous waste material - communities and specialities by contrast with mineral raw material processing. XVII. International Mineral Processing Congress, Dresden, September 23-28, 1991.pp.Preeprints.VII., pp.1-19. [16] Schubert, G. – Warlitz, G.: Sortierung von Metall-Nichtmetall-Gemischen mittels Koronawalzenscheider. Aufbereitungs-Technik 35 (1994) Nr.9, p. 449-456. [17] Schubert, H.: Wirbelstromsortierung - Grundlagen, Scheider, Anwendungen. Aufbereitungs-Technik 35 (1994) Nr.11, p. 553-562. [18] Schubert. G.: Aufbereitung der NE-Metallschrotte und NE-metallhaltigen Abfälle - Teil 1. Aufbereitungs-Technik 32 (1991) Nr.2, p. 78-89. [19] Schubert, G.: Aufbereitung der NE-Metallschrotte und NE-metallhaltigen Abfälle - Teil 2.Aufbereitungs-Technik 32 (1991) Nr.7, p. 352-357. [20] Spaniol, H. – Koch, P.: Automatische Klaubung beim Werkstoffrecycling mittels Thermographie. XLVI. Berg- und Hüttenmännischer Tag Juni 1995, Freiberg, Kolloquium 8. NOELL ABFALL-UND ENERGIETECHNIK GMBH [21] Koch, P. – Köhler, F.: Ergebnisse bei der Dichtesortlerung von Elektronikschrotten. XLVI. Berg- und Hüttenmännischer Tag Juni 1995, Freiberg, Kolloquium 8. NOELL ABFALLUND ENERGIETECHNIK GMBH [22] Csőke, B. - Egyedi, Cs.: Autóhulladék-komponensek száraz szétválasztásának kísérleti vizsgálata. BKL Kohászat, (1994) 127.évf. 11-12.sz. p. 478-481. [23] Hans, J. L. – Wijnand, V.- Dalmijn, L. – Willem, P.- Duyvesteyn, C.: Eddy-current separation methods with permanent magnets for the recovery of non-ferrous metals and alloys. Erzmetall 41 (1998) Nr.5, p. 266-274. [24] Morgan, D.G. – Bronkala, W.J.: The Selection and Application of Magnetic Separation Equipment. Part I. Magnetic and Electrical Separation, Vol. 3. pp. 5-16. 105

[25] Veasey, T.J.-Wolson, R.J.- Squires, D.M.: The Physical Separation and Recovery of Metals from Wastes. Gordon and Breach Science Publishers. Switzerland, Australis…, USA. 1993. Cop. OPA (Amsterdam). ISBN 2-88124-916-7 [26] Dalmijn, W.L.: Development in Sorting Technologies for Non.ferrous Scrap Metals. XVII. International Mineral Processing Congress, Dresden, September 23-28, 1991.pp.Preeprints.VII., pp.81-98 [27] Bevilaqua, P. Bozzato, P- Ferrara, G.: Analysis of Dense Medium Circuits for Separating Plastics. Proceedings of the XX IMPC – Aachen, 21-26 September 1997, 383394 [28] Schubert, G.: Vorlesung für ungarische Fachleuten „Aufbereitung der kommunalen Abfälle”. TU Bergakademie Freiberg. 15-19. Juli 1997 [29] Schubert, G.: Processing of scrap and metalliferous waste material - communities and specialities by contrast with mineral raw material processing. XVII. International Mineral Processing Congress, Dresden, September 23-28, 1991.pp.Preeprints.VII., pp.1-19. [30] Csőke, B. - Bőhm, J. - Tarján, I.: Separation of scrap and other wastes in air-flow. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, Tom 11- Zeszyt 4, Kraków, 1995. [31] Schubert, G. – Warlitz, G.: Sortierung von Metall-Nichtmetall-Gemischen mittels Koronawalzenscheider. Aufbereitungs-Technik 35 (1994) Nr.9, p. 449-456. [32] Schubert, H.: Wirbelstromsortierung - Grundlagen, Scheider, Anwendungen. Aufbereitungs-Technik 35 (1994) Nr.11, p. 553-562. [33] Schubert. G.: Aufbereitung der NE-Metallschrotte und NE-metallhaltigen Abfälle - Teil 1. Aufbereitungs-Technik 32 (1991) Nr.2, p. 78-89. [34] Schubert, G.: Aufbereitung der NE-Metallschrotte und NE-metallhaltigen Abfälle - Teil 2.Aufbereitungs-Technik 32 (1991) Nr.7, p. 352-357. [35] Spaniol, H. – Koch, P.: Automatische Klaubung beim Werkstoffrecycling mittels Thermographie. XLVI. Berg- und Hüttenmännischer Tag Juni 1995, Freiberg, Kolloquium 8. NOELL ABFALL-UND ENERGIETECHNIK GMBH [36] Hans, J. L. – Wijnand, V.- Dalmijn, L. – Willem, P.- Duyvesteyn, C.: Eddy-current separation methods with permanent magnets for the recovery of non-ferrous metals and alloys. Erzmetall 41 (1998) Nr.5, p. 266-274. [37] Böhringer, P.- Höff, K.: Baustoffe wiederaufbereiten und verwerten. AVS-Institut GmbH. Verlag 82008 Unterhaching. 1994.

[web1] [web2] [web3] [web4]

http://www.magmilling.hu/ http://img.directindustry.com http://www.buntingmagnetics.com http://hungary.pioneer.com

106

6.1.3. Folyékony és szilárd fázisok szétválasztása (ülepítés, szűrés, centrifugálás) Fejezet szerzője: Dr. Takács János, Dr. Faitli József A víz nagyon jó oldószer, de emellett legtöbb esetben egy kétfázisú rendszerként kisebbnagyobb koncentrációban szilárd fázist is tartalmaz. A víz felhasználás, szállítás, elhelyezés egyik fontos problémája éppen ez a szilárdanyag tartalom. Szükséges a szilárdfázis leválasztása, amely a két fázis különbözőségén alapszik. A vízben azokat a különálló részecskéket nevezzük szilárd anyagnak, amelyek egy 0,45µm porozitású lappal leválaszthatók. A felső mérethatár egzaktul nem meghatározható. A folyékony és szilárd fázisok szétválasztása a fázisok különbözőségén, a természetes öntisztulás megismerése, optimálása útján lehetséges. A fázisszétválasztást befolyásoló anyagi tulajdonságok:  A szilárdfázis jellemzői: o Szemcsemérete o Szemcsealakja o Sűrűsége o Vízben való viselkedése (duzzadóképessége, kompresszibilis jelleg, stb.)  A folyadékfázis jellemzői: o Sűrűsége o Viszkozitása  Egyéb körülmények o Erőtér jellege, nagysága Az anyagi tulajdonságok, és az alkalmazott körülmények hatására a vizek öntisztulását is tekintve, két szétválasztási alapelv vehető figyelembe. Ezek az ülepedés, és a szűrés. Az ülepedés alapelve az, hogy a vízben levő szilárd szemcsék anyagi tulajdonságuk és a folyadékfázis sűrűségétől eltérő sűrűségük, valamint a ható erőtér következtében, a víz közegben kialakuló un. ülepedési végsebességgel jellemezhetők, melyek következtében a szilárd szemcsék a folyadékfázistól elválnak, annak alsó részében koncentrálódnak, illetve a felszínre emelkednek. A szűrés alapelve szintén származtatható a természetből, amikor is a folyadékban levő szilárdanyagot az áramlás útjában található, rögződött élő vagy élettelen anyag (a szétválasztásban résztvevő harmadik anyag) visszatartja, megfogja, amit kiszűrődésnek nevezhetünk. Ezen folyamatokat megfigyelve, a törvényszerűségeket feltárva, optimálva a folyadék- szilárd rendszerek jó hatásfokkal egymástól elválaszthatók az ülepítés és a szűrés segítségével. A szennyvizekben levő szilárd szennyező anyagok leválasztása az első, legfontosabb feladat, amelynek oka a csatornákban, csővezetékekben való lerakódás, a szivattyúk védelme, az egyéb szennyvíztisztítási fokozatok gazdaságosabb megvalósítása. Az alkalmazható fázisszétválasztási módszert elsősorban a szilárd szemcsék mérete határozza meg. A nagyobb, d > 0,1 mm szemcsemérettel rendelkező anyagoknál hatásos, gazdaságos elválasztást eredményez az ülepítés, míg az annál kisebbek inkább szűréssel távolíthatók el gazdaságosabban, illetve 107

koagulálás, flokkulálás után alkalmazható az ülepítés is. Az ülepítés önmagában nem eredményez éles fázisszétválasztást. A szennyvizek tisztításánál első lépésként célszerű a nagyobb méretű szilárdanyagokat ülepítéssel leválasztani. 6.1.3.1 Ülepítés Az ülepítés feladata a víz-, szennyvíztisztítási folyamatokban, a vizes közegben kialakuló, érvényesülni tudó ülepedési végsebességgel jellemezhető szilárd szemcsék leválasztása. A folyamat két terméket eredményez, úgy mint egy kis térfogatú, nagy szilárdanyag tartalmú koncentrátumot, amit iszapnak nevezünk, és nagyobb térfogat arányú „tisztított” vizet (ülepítői túlfolyás), amely tartalmaz még olyan szilárd fázisú anyagot, melynek az ülepedési sebessége nem elegendő értékű a fázisszétválasztás végbemeneteléhez (6.1.3.1. ábra). szuszpenzió

Ülepítés

iszap

„tisztított víz”

6.1.3.1. ábra: Az ülepedési folyamat sémája Az ülepítés szó helyett többször alkalmazzák a derítés kifejezést. Ez nem egy különböző jelenség, csak általában akkor alkalmazzák az ülepítés folyamatában, ha a kis ülepedési sebességgel rendelkező szilárd anyag szemcsékből vegyszerek hozzáadásával (koagulálás, flokkulálás, lásd a … fejezetben) csomósítjuk, pelyhesítjük a nagyobb ülepedési végsebesség kialakulása, az eredményesebb ülepítés érdekében. A vízben levő szilárd anyagot az ülepedés jellegétől függően két csoportra oszthatjuk: -

Különálló, meghatározható állandó szemcsemérettel ülepedő szemcsék; Könnyen összetapadó, pelyhesedő, vagy koagulálás, flokkulálás alkalmazásával nyert, több egyedi részecskéből álló, de együtt ülepedő szilárdanyag rendszer.

Az első esetben a szemcsék ülepedési sebességét gömb alakot feltételezve, a különböző áramlási viszonyok figyelembevételével az alábbi képletekkel számítható: 1. turbulens áramlás esetén ( Re > 1000 ): d    g vü  1,74 

k

108

2. lamináris áramlásnál ( Re < 1 ):

vü 

d 2   sz   f  g 18 

3. átmeneti tartományban (1 < Re < 1000):

vü 

4  d    g 3 c   f

Ahol: vü = ülepedési sebesség, m/s d = szilárd anyag szemcsemérete, m ρsz = szilárd szemcse sűrűsége, kg/m3 ρf = folyadék fázis sűrűsége, kg/m3 ∆ρ= a szilárd szemcse és a folyadék fázis sűrűségének különbsége, kg/m3 g = nehézségi gyorsulás, m/s2 η = dinamikai viszkozitás, Pa·s = kg/m·s c = közegellenállási tényező Amennyiben az ülepítendő szemcsék nem gömb alakúak, az ülepedési sebességet egy alakfaktorral (υ) kell beszorozni. Az alakfaktorok értékei a tapasztalatok szerint: - gömb alaknál υ = 1 - lekerekített szemcsénél  = 0,8 - sarkas szemcséknél  = 0,7 - hosszúkás szemcsénél  = 0,6 - lapkás szemcsénél  = 0,4…0,5 Azaz: vüsz = vü· φ A második esetben az ülepedő „pelyhes” rendszer pontos mérete, sűrűsége nehezen meghatározható, ezért ez esetben az ülepedési sebesség laboratóriumi kísérlettel felvett ülepedési görbe segítségével határozató meg (6.1.3.2. ábra)

109

h ho

szuszpenzió (iszap) magassága

Állandó sebességű, „gátolatlan” ülepedés

Gátolt ülepedés

hZ0

Iszaptömörödés (sűrítés)

h z

τ Ülepedési idő

6.1.3.2. ábra: Ülepítés, ülepedési görbe gravitációs erőtérben Az ülepedési görbe alapján az ülepedést három szakaszra bontható, úgymint: - állandó sebességű, „gátolatlan, azaz szabad” ülepedés, - hátráltatott, vagy gátolt ülepedés, - iszaptömörödés, sűrítés. A gyakorlatban az ülepedés a szabad ülepedést, az ülepedési görbe lineáris szakaszát jelenti, ezért a tényleges ülepedési sebesség a h = f(τ) függvényből számítható: h  Az ülepítéssel történő fázisszétválasztás végbemehet nyugvó folyadék közegben (statikus ülepítés), illetve áramlás közben (dinamikus ülepítés). Az első esetben az ülepítést különböző tényezők nem befolyásolják, míg a másodi esetben igen. Ezek a tényezők a következők: - a folyadék fázis áramlás iránya, sebessége, - az áramlási viszonyok, Re-szám, - a szuszpenzió bevezetés, a túlfolyás elvétele, - a folyadék, víz sűrűségének (hőmérséklet, sótartalom) változása, - a gátolt ülepedés fellépése, - nyitott ülepítő berendezés esetén a szél, illetve napsugárzás következtében fellépő szekunder áramlások. vü 

A 0,1-0,2 mm-nél nagyobb szemcseméretű ásványi anyagok esetén az ülepítő reaktort homokfogóknak, míg az ennél kisebb szemcseméretű, illetve koagulált anyagok esetén egyszerűen ülepítőnek nevezzük.

110

6.1.3.1.1 Homokfogók A szennyvizekben, mint szilárdfázis, ásványi anyag és szerves lebegőanyag fordul elő. A leválasztott szilárdanyag elhelyezése, hasznosítása miatt, a fő cél az, hogy az ásványi anyagot valamint a rothadóképes, kissűrűségű, lényegesen kisebb ülepedési végsebességgel rendelkező szerves szilárdanyagot külön válasszuk le. Ez valósítható meg az úgynevezett homokfogó segítségével, amelyben az áramlási viszonyokat úgy valósítjuk meg, hogy a homok, és egyéb ásványi anyag kiülepedjen az áramló folyadék fázisból, míg a rothadó, szerves szilárdanyagot az áramlás magával ragadja, tovább viszi a reaktorból. A homokfogók szokásos méretezési alapelve a d = 0,2 mm-es homokszemcse (ülepedési sebessége kommunális szennyvízben 82 cm/s) visszatartása, kiülepedésének feltételeinek biztosítása. A hatásos ásványi anyag leválasztás érdekében, a homokfogót 10 – 30 cm/s sebességű folyadék átáramlási sebességgel méretezik. Ennél a sebességnél még nem olyan nagymértékű a turbulencia, hogy a d > 0,2 mm ásványi anyagok kiülepedését megakadályozná. A homokfogóknak több típusa lehetséges: 

Hosszanti vagy vízszintes átfolyású homokfogók

Gúlafenekű, mechanikus kotrószerkezet nélküli homokfogóra a 3. ábra, hosszanti átfolyású medencére a 4. ábra mutat példát.

6.1.3.3. ábra: Gúlafenekű homokfogó

6.1.3.4. ábra: Hosszanti átfolyású, kotrószerkezetes homokfogó

111

A homokfogó alján a homokot összegyűjtik, esetleg egy kotró segítségével egy zsompba kotorják, ahonnan leeresztik, vagy markolóval távolítják el. 

Dorr-rendszerű homokfogó

Különleges típusa a vízszintes átfolyású homokfogóknak, egy kis mélységgel rendelkező ülepítőnek fogható fel (5. ábra).

6.1.3.5. ábra: Dorr-rendszerű homokfogó A víz a négyzetes alaprajzú homokfogó egyik teljes oldalszélességén folyik be, és a szemközti oldal bukóélén távozik el. Egy forgó kotró tolja a kiülepedett homokot és egyéb anyagot egy oldalzsopmba, ahonnan osztályozás után a homokot eltávolítják. 

Köráramlású homokfogó

A homok illetve egyéb ásványi anyag leválasztását a tangenciális bevezetésből eredő centrifugális erő teszi hatásossá. Ennek köszönhető, az is, hogy a homok könnyebben lejut a medence közepébe, ahonnan a homokot, illetve egyéb ásványi anyagot elszállítják (6. ábra). A medencében kialakuló turbulens áramlás a kis sűrűségű szerves anyagok kiülepedését erősen hátráltatja. A működésének néhány fontos paramétere: a. A szennyvíz feladási sebesség: v = 0,75 – 1 m/s b. A szükséges tartózkodási idő: kb. t = 30 – 45 s c. A homokfogó medence térfogata: V = Q · t m3

112

6.1.3.6. ábra: Köráramlású homokfogó 

Függőleges átfolyású homokfogó

A függőleges átfolyású homokfogó legjellegzetesebb képviselője a Blunk-féle homokfogó (6.1.3.7. ábra) szennyvíz bevezetését szolgáló csillapító hengerben az áramlási sebesség 0,5-1 m/s legyen. Egyszerű merülő-falas kialakítás esetén az áramlási sebességet 0,3 m/s értékűre kell beállítani. A vizet a középen elhelyezett hengeren keresztül (csillapító henger) kell bevezetni, és a peremen körbefutó bukó-élen át kell elvezetni. A csillapító henger minimális hossza: 3 m. A homok gyűjtésére szolgáló tér fenékhajlása minimálisan 1:1,6 legyen.

6.1.3.7. ábra: A függőleges átfolyású, Blunk-féle homokfogó A homok kiemelése zagyszivattyúval vagy homokkihordó csigával történik. A tömörödés elkerülése érdekében, a tölcsérszerű gyűjtő zsompban légbefúvást, és nyomás alatti vízzel történő fellazításhoz csőrendszert kell biztosítani. Homokkihordó csiga alkalmazása esetén nem szükséges a homok fellazításának biztosítása.  Légbefúvásos homokfogó 113

A homokfogó reaktorba, a vízfelszín alatt meghatározott mélységbe levegőbuborékot juttatnak a vízbe, melynek következtében a medence keresztmetszeti síkjában, a fő áramlási irányra merőlegesen egy köráramlás alakul ki. A kialakuló áramlások nagysága a levegő bevezetés paramétereinek függvénye (8. ábra). A levegő befuvás előnye, hogy a kis sűrűségű szerves lebegőanyagok, szilárdanyagok kiülepedése nem játszódik, le, ezáltal a kiülepedett homok lényegesen tisztább lesz, ami az elhelyezését, hasznosítását kedvezően befolyásolja. Fontos, hogy a medence alján kialakuló „tangenciális” áramlási sebesség kisebb legyen az un. lebegtetési, valamint a kritikus fenéksebesség (ez utóbbi az a sebesség, amely a kiülepedett szemcséket a folyadékáramba emeli fel). 6.1.3.8. ábra: Légbefúvásois homokfogó A légbefúvásos homokfogó egyik kialakítása és fő paraméterei láthatók a 6.1.3.9. ábrán

6.1.3.9. ábra: A légbefúvásos homokfogó kialakítása A légbefúvásos homokfogó néhány legfontosabb működési jellemzője:     

A lég-befúvás és a hosszirányú áramlás együttes hatásaként a szennyvíz zavartalan csavarvonalú áramlás alakul ki. A levegő bevitel mértékétől függ a hosszirányú áramlási sebesség – flexibilisen szabályozható Ált. 4:3-as magasság:szélesség arányú A homokgyűjtő vályút célszerű a befúvás oldalán, a teljes fenék-szélesség 1/3-án belül kialakítani. Eredő hosszirányú sebesség: 0.3 m/s 114

  

Spirális áramlási sebesség: 0,45-0,6 m/s Fajl. levegő bevitel: 2-12 dm3/m,s Tartózkodási idő: 3-5 min

Ez a fajta működés, azaz a csavarvonalú mozgatás felszíni forgólapátos keverővel is kialakítható, de az kevésbé rugalmas, kevésbé szabályozható működést eredményez a kedvezőtlenebb kialakítás mellett. A homokfogók egyik terméke az átfolyó, a szilárdanyagtól részben megtisztított folyadék fázis, amely rendszerint további tisztítási folyamatba jut. Másik termék a leválasztott „homok”. Kitermelés, víztelenítés (szállítás, átmeneti tárolás: konténerben) után szikkasztóágyra vihető (itt tovább víztelenedik). Fertőző, rothadó anyagtartalom esetében mosással (pl. hidrociklonnal), fertőtlenítéssel javítható a hasznosítás (a mosott homok felhasználható építkezéseken ágyazatokban, feltöltésekben) illetve a lerakás. 6.1.3.1.2 Ülepítők Az ülepítők feladata a szennyvízben levő maradék szilárd anyag visszatartása, leülepítése, hogy a következő, rendszerint a hatásosabb biológiai tisztítást vagy a különböző membrán eljárások alkalmazhatóságát megalapozzuk, azokat lehetővé tegyük. Az ülepítés hatásossága függ az ülepítő reaktor kialakításától, valamint az ülepítési paraméterektől. Az ülepítő reaktorok áramlás technikai szempontból két nagy csoportba sorolhatók:  Statikus ülepítők;  Dinamikus rendszerű ülepítők. A statikus ülepítőknél az ülepítés álló közegben, szakaszosan végrehajtott ülepítés, legegyszerűbb készüléke az ülepítő tartály. A szuszpenziót a tartályba töltjük, majd magára is hagyjuk. Adott idő eltelte után a szuszpenzió alkotói a szilárd anyagok ülepedési végsebességének megfelelően szétválnak, felül helyezkedik el a kitisztult folyadék, annak felszínén esetlegesen a víznél kisebb sűrűséggel rendelkező anyag (ez lehet felúszó olaj is a szilárdanyag mellett), alul pedig az üledék (iszap) található. A termékek mechanikusan (lefölözők, csonkok, szelepek segítségével) szétválaszthatók. Egy munka ciklus a 10. ábrán látható. Folyadék fázis Szuszpenzió

Töltés

Iszap

Folyadék eltávolítás

Ülepedés

Szilárd fázis elvétel

6.1.3.10. ábra: A statikus ülepítés sémája

115

Az ülepítő tartály számát a feladásra kerülő szuszpenzió térfogatárama, a tartály mérete, az ülepedési sebesség (ülepítési idő), az ülepítés utáni tartály ürítés ideje határozzák meg. A több tartály sorba kapcsolásával biztosítható a szakaszos ülepítésnél a folyamatosan érkező szuszpenzió folyamatos ülepítése. Ez a fajta ülepítés kis mennyiségben keletkező szennyvizek esetén, és éles fázisszétválasztásra alkalmas. A dinamikus ülepítést megvalósító ülepítőknél az áramló folyadékból, nagyobb feladási térfogatáramnál kell a szilárdanyag kiülepedését biztosítani. Ez esetben az ülepítőket a folyadék áramlási iránya, illetve kialakítása szerint osztályozhatjuk. Az áramlási irány szerint megkülönböztethető: - vízszintes átfolyású: - hosszanti átfolyású ülepítők, (pl.: Lipcsei medence) - sugárirányú átfolyású ülepítők, ( pl.: Dorr medence) - függőleges átfolyású ülepítők, (pl. Dortmundi medence) Kialakítás szerint: - egyszintes, - kétszintes, (Imhoff medence, Emscher kút) - többszintes (lemezes, csöves ülepítők) A hosszanti átfolyású medencék általában téglalap keresztmetszetűek (Lipcsei-típusú ülepítő medence, 6.1.3.11. ábra). A medencébe érkező szennyvíz egyenletes elosztását vályú biztosítja. A medence fenekén összegyűlő iszap eltávolítása az iszaptölcséren keresztül valósítható meg, ahová azt a folyamatos működésű kaparólemezek juttatják.

6.1.3.11. ábra: hosszanti átfolyású ülepítő A hosszanti ülepítő hatékony működése olyan bevezetést igényel, amely biztosítja a reaktorban a lamináris áramlást. Ilyen bevezetési lehetőségeket mutat a 6.1.3.12. ábra.

116

6.1.3.12. ábra: Különböző ülepítői bevezetési mód (T-idomos, lyuksoros, Stengel, stuttgarti) A centrális betáplálású, sugárirányú átfolyású (Dorr-típusú) ülepítő (6.1.3.13. ábra) medencék henger alakúak, amelyek fenekét kúposan képezik ki. Átmérőjük a 30 m-t is elérheti, mélységük pedig 4 m is lehet. A medence közepén lévő kis hengeres térbe vezetett szuszpenzió sugárirányban a medence pereme felé áramlik. Dorr-ülepítők:

D = 20…50m !

V = 4000…5000m3

H = 1,5…2,5m



HD

V

6.1.3.13. ábra: A sugárirányú átfolyású ülepítő sémája Az ülepítőből a tisztított folyadék túlfolyással, a peremen kialakított körkörös csatornán át távozik. A diszperz részecskék a vékony, lassan áramló folyadékrétegből az álló folyadékrétegbe, majd a berendezés aljára ülepednek. A kúpos részben összegyűlő üledéket körpályán lassan mozgó terelőlapátok (iszapkotró) továbbítják az iszapleeresztő vezetékhez. Kisebb ülepítő térfogat esetén a függőleges átfolyású, ún. Dortmundi-medencét (6.1.3.14. ábra) használják, amelyek térfogata a 100 m3-t általában nem haladja meg. A medence közepén elhelyezett ejtőcsőben a lefelé mozgó víz megkerüli az a cső alsó peremét, majd az ülepítő térbe jut, ahol már felfelé áramlik, végül a kitisztított folyadék a túlcsorduló élen átbukva távozik. A medence alsó, kúpos felületén az iszap lecsúszik a tölcsér legmélyebb pontjára, ahonnan iszapelvezető csövön át eltávolítható. A függőleges ülepítők jó működésének feltétele, hogy a felfelé áramló folyadék sebessége kisebb legyen a kiülepítendő szemcs ülepedési sebességénél, azaz: v ü = β · va ahol β az ülepítő átmérő:magasság (D/H) viszonytól függő konstans, éttéke1,5 – 2,5 közötti. 117

több óra is lehe

6.1.3.14. ábra: Dortmundi medence

6.1.3.15. ábra: Graever-ülepítő (ülepítő kúp)

A függőleges áramlású ülepítőkben nagy gyakorlattal kialakítható egy lebegő iszapágy (6.1.3.15. ábra), amely a rajta átáramló folyadék „szűrésével” még tisztább túlfolyást eredményez. A lamellás ülepítő (6.1.3.16. ábra) kiválóan alkalmazható kommunális szennyvíztisztítóknál, az iszapkoncentráció beállítására a reaktor terekben. Használatakor jelentős utóülepítőtérfogatok, valamint energia takarítható meg. Más esetekben használható ipari vízelőkészítésnél, kémiailag előkezelt vizek intenzív ülepítésére.

6.1.3.16. ábra: A lamellás ülepítő működési elve A lemezek készíthetők PP-ből, PVC-ből, PS-ból és PC-ból, a tartószerkezet és az elfolyóvályúk pedig szerkezeti, illetve rozsdamentes acélból egyaránt. Ez ülepítőknél az ülepedési úthossz a lamellák beépítésének hajlásszögétől, a lamellák távolságától függ, és lényegesen, nagyságrenddel kisebb, mint a hagyományos ülepítőknél. A hajlásszögnek olyannak kell lenni, hogy a lemezre ülepedő iszap arról könnyen lecsússzon, azaz öntisztuló legyen. A szilárd szemcsék leválasztása mellett eredményesen alkalmazható az olaj leválasztására (6.1.3.17. ábra) is. 118

6.1.3.17. ábra: Olajcsepp leválasztás lemezes ülepítővel 6.1.3.1.3 Derítés, derítőberendezések A derítés nem más, mint koaguláló-, flokkulálószerek felhasználásával végzett ülepítés. A szennyvíztisztításban használt mechanikai ülepítők teljesítményét különféle vegyszerek hozzáadásával növelhetjük, ezek a pelyhesítő anyagok (flokkulálószerek) adott körülmények jelentős mennyiségű kolloid anyagot képesek „pelyhes” állapotba hozni, ami a méretnövekedés révén nagymértékben növeli az ülepítés hatásfokát. A flokkulálószerek nagy molekulatömegű, hosszúszénláncú polimerek, amelyek a szennyvízben diszpergált különböző töltésű részecskékhez nagy aktivitású oldalláncokkal kapcsolódnak, azokat pelyhekké gyűjtik, s ezáltal önmagukban, vagy más részecskékhez kapcsolódva megnövelik a rendszer ülepedési sebességét. Napjaink legfontosabb derítőszerei a polimerizált alumíniumvegyületek, a polialumíniumkloridok, például a BOPAC elnevezésű készítmény. Ezek használatakor a vízben kolloidiálisan diszpergált részecskék koaguláltatása eredményeként gyorsan ülepedő és jól szűrhető flokkulátumokat kapnak, melyek alacsony hőmérsékletű vizek kezelésére is alkalmasak, azok pH-jától gyakorlatilag függetlenül. A derítőberendezések tulajdonképpen az előzőekben is ismertetett ülepítők. Az ülepítés, derítés egyik terméke a tisztított víz, a másik pedig egy híg iszap, amely tovább vízteleníthető az iszapsűrítés által. Ez a folyamat az ülepítés folytatása, csak a gazdaságosság érdekében egy másik berendezésben, reaktorban. 6.1.3.1.4 Iszap sűrítés Az iszap sűrítés egy hátráltatott ülepítés. Emiatt a sűrítést megvalósító műtárgyban, berendezésben, reaktorban a leülepedett szilárd részek „átrendezésével” lehet kisebb sűrített iszap térfogatot elérni. Ez az átrendezés a leülepedett szilárd szemcsék kis sebességű mozgatása, amely közben a kisebb, később leülepedett szemcséknek, a nagyobb szemcsék által képződött pórusokba irányuló átrendeződése történik meg. Ez a mozgatás pálcás keverővel (18. ábra), vagy kisebb méretek esetén rázással, rezegtetéssel biztosítható.

119

6.1.3.18. ábra: Pálcás iszapsűrítő vázlata és képe A sűrítés terméke egy nem kellően tiszta túlfolyás, valamint egy sűrű iszap, amely már ülepítéssel tovább nem vízteleníthető. Az ülepítés időigénye, hatásossága függ az erőtér mértékétől, így a centrifugális erőtér jobb hatásfokú szétválasztást biztosít, mint a gravitáció. 6.1.3.1.5 Ülepítés centrifugális erőtérben A centrifugálás művelete a centrifugális erőtér kihasználásán alapuló hidrodinamikai fázisszétválasztási művelet. A centrifugális erőtérben a szétválasztás lényegesen gyorsabb mint a gravitációs erőtérben. A centrifugákra az a jellemző, hogy bennük a közeg állandó szögsebességgel együtt mozog a centrifuga forgórészével. A forgás miatt a szemcsékre a centrifugális erő hat, melynek következménye, hogy a sűrűségük, és méretük függvényében kisebb nagyobb gyorsulással, sebességgel (ülepedési sebességgel) jellemezhető mozgásra tesznek szert 6.1.3.19. ábra). A szemcsék a folyadékban erőteljes mozgással a forgó palást felé igyekeznek, ahonnan a folyadékfázist kiszorítva, nagy koncentrációval feldúsul, és ezáltal a folyadék és szilárd fázis elválaszthatóvá válik.

6.1.3.19. ábra: A részecskékre ható erők a centrifugális erőtérben A centrifugában kialakuló ülepedési sebesség is a hatóerők egyensúlyából számítható:

120

vü 

d 2   sz   f  r   2 18 

A centrifugális erőtér r2 –el arányos ereje nagyobb, mint a nehézségi erőtér g-vel arányos ereje. Az r2 /g viszonyszám a centrifuga jelzőszáma, mely megmutatja, hogy hányszor nagyobb erőt képes a készülék létrehozni a gravitációhoz viszonyítva, elősegítve ezáltal a fázisszétválasztás időigényét, hatásosságát. A centrifugák lehetnek szakaszos üzemű (szűrő- és ülepítő-) centrifugák, folytonos üzemű szűrő- és ülepítő-centrifugák, derítő- és emulzióbontó centrifugák. A centrifugák fő részei a hajtómotor, valamint a telipalástú, vagy perforált dob, amely lehet: hengeres vagy kúpos. A centrifuga elhelyezkedése lehet függőleges, vagy vízszintes. A szakaszos üzemű centrifugákat minden ürítéshez le kell állítani, és az újabb üzembe helyezéshez fel kell gyorsítani, mindkét művelet energiaigényes. A folyamatos üzemű centrifugák esetén a töltési és ürítési műveletek forgás közben szakaszosan vagy folyamatosan megoldhatók. Függő centrifugánál (6.1.3.19. ábra) a centrifuga tengelyét a felül elhelyezett hajtómotor tengelyéhez hajlékony tengelykapcsolóval csatlakoztatják, és önbeálló csapágyazással látják el. A dob felül és alul nyitott, az alsó nyílás esetlegesen kúpos zárószerkezettel zárható. A szuszpenziót lassú forgás közben táplálják be. A 20. ábrán vázolt függőleges tányéros centrifuga jó hatásfokkal olajemulzió bontására is alkalmas.

6.1.3.20. ábra: Függőleges, tányéros centrifuga Sokkal elterjedtebb berendezések a folyamatos üzemű csigás centrifugák (6.1.3.21. ábra). Ezek a készülékek kettős forgórésszel készülnek: a gyorsan forgó kúpos ülepítő dobon belül egy valamivel lassabban forgó (fordulatszáma 1-2 %-kal kisebb) csigás ürítő dob is van. A centrifugák tetszőlegesen indíthatók és leállíthatók. A centrifugákat elterjedten használják az iszapok víztelenítésére

121

A: szuszpenzió feladás B: sűrített, víztelenített iszap C: szuszpenzióból leválasztott víz 6.1.3.21. ábra: Egyenáramú és ellenáramú csigás centrifuga A centrifugák teljesítménye szennyvíziszap víztelenítése esetén 1,5 – 160 m3/h. Álló berendezés estén, amikor is a közeg végez forgó, spirális mozgást ciklonáramlásról beszélünk. Berendezései a ciklonok ill. hidrociklonok. 6.1.3.1.6 Hidrociklonok Itt ugyanúgy centrifugális erőtérben történik az elválasztás, de más szerkezeti megoldással. Míg a centrifugákban a dob forgásával hozunk létre centrifugális erőteret, és ennek hatására a dobba juttatott folyadék adott, a viszkozitással arányos veszteséggel felveszi a dob fordulatszámát és vele együtt forog, addig a hidrociklon esetén az álló dobba nagy sebességgel betáplált szilárd-folyadék szuszpenzió körpályára kényszerül, és fékeződik (a viszkozitásával arányosan). A készülékben az örvénylő áramlást a nyomás alatt tangenciálisan bevezetett folyadék alakítja ki, a hengeres, majd kúpos falak pedig megvezetik, irányítják az áramlást a feladási nyomás függvényében, és megtörténik a feladott szuszpenzió két termékre bontása. Három fő erő hat a folyadékban levő szilárd anyagra: - centrifugális erő, - súrlódási erő, - nehézségi erő, Az erők eredőjeként egy kialakuló választó felület a szuszpenziót két részre bontja. A feladott anyag egy része a hidrociklon falához közelít, majd alul távozik, míg a másik része a ciklon tengelye felé vándorol, és az örvénykereső cső segítségével választódik le. Az elválasztási szemcseméretet, sűrűséget, iszap sűrítés jellegét, mértékét a ható erők mellett a ciklon geometriája befolyásolja. A 6.1.3.22. ábrán egy hidrociklon látható, valamint a hidrociklon működési elvét figyelhetjük meg.

122

Örvénykereső cső

Alsó kifolyó csonk Feladás

6.1.3.22. ábra: A hidrociklon és működési elve A ciklonban történő szétválasztás ugyanolyan feladási sebesség mellett annál jobb, minél kisebb a ciklon átmérője. A feladási nyomás behatárolt, maximális értéke 5 bar, de ettől általában kisebbek dolgoznak, függ a hidrociklon funkciójától. A hidrociklon több funkciójú lehet. Ezek a következők:  osztályozás,  sűrűség szerinti dúsítás,  sűrítés, iszapvíztelenítés. A funkciók az üzemi paraméterek, ciklon geometriája által meghatározódnak. Főbb funkciós paraméterek az alábbiak (1. táblázat). Funkció Osztályozás Dúsítás Sűrítés

Feladási nyomás, bar 2 -3 0,5 – 0,8 2-3

Kúpszög Hegyesszög Tompaszög is lehet 15 - 20°

6.1.3.1. táblázat: A hidrociklon funkciós feltétele. A hidrociklonban történő határ-szemcseméret, -sűrűség (az elválasztási szemcseméret, sűrűség) az üzemi paraméter mellett összefügg a teljesítménnyel is. Nagy teljesítményű feldolgozás egy ciklonban nagy elválasztási szemcseméretet eredményez. Így nagy teljesítményigény esetén, ha kis szemcseméretnél szeretnénk a szuszpenziót szétválasztani, párhuzamosan kapcsolt kis ciklonokat kell alkalmazni. Ez az un. multiciklontelep (23. ábra).

123

6.1.3.23. ábra: Hidrociklontelep A hidrociklonok elválasztási „élessége” lényegesen kisebb, mit a centrifugáké, ezért csak nagy sűrűségkülönbségek esetén használhatók eredményesen. A hidrociklonban a feladott szuszpenzió koptatóhatású, ezért ennek megfelelő szerkezeti anyagból kell készíteni (acél, üveg, porcelán, illetve műanyag, gumi béléssel kell ellátni. A nagy kopás miatt a hidrociklonokat kisebb részekből, egységekből állítják össze, és mindig csak a kopott részt érdemes és gazdaságos kicserélni. Alkalmazásának előnye, hogy olcsó, finom elválasztást eredményez, és nagy szilárdanyag tartalom mellett is alkalmazható. 6.1.3.1.7 Flotáció A flotáció, mint fázisszétválasztási művelet, a folyadékban szuszpendált szilárd, vagy folyadék részecskének, gázbuborékokkal elősegített folyadékfelszínre emelését jelenti. Az alkalmazott gáz legtöbb esetben levegő. A levegő buborék a felszínen nem törik szét, stabil habot alkot, amely magába foglalja a leválasztásra kerülő részecskéket, így van idő arra, hogy a habot a részecskékkel együtt a víz felszínéről lefölözhető. Az anyagok nedvesíthetősége különböző. Vannak könnyen nedvesíthető hirofil és nehezen nedvesíthető vagy hidrofób anyagok. A nedvesíthetőség mértéke a három fázis határfelületén kialakuló szöggel (6.1.3.24. ábra) jellemezhető:  < 90o  < 90o

hidrofil

hidrofób

6.1.3.24. ábra Hidrofil és hidrofób anyagok nedvesítési szögei Ha a folyadékban gázbuborékokat diszpergálunk, akkor a hidrofób tulajdonságú anyagok (szilárd részecskék, olajcseppek) a buborékokhoz tapadva felúsztathatók. A flotálást különböző adalékokkal segítik elő:  Habképzők: a légbuborékok diszpergált állapotban tartását a képződő hab stabilitását segítik. Ezek a víz felületi feszültséget csökkentik.  Gyűjtő reagensek: a hidrofób jelleg növelésével hatnak. Ilyen anyagok petróleum, zsírsavak.  Módosító reagensek: elsősorban pH szabályozók. A flotálást ércek dúsítására már a múlt században is alkalmazták. Az utóbbi időben a szennyvíz technológiákban a jelentősége növekedett, mert a szennyező anyagok jelentős része annyira hidrofób, hogy adalékok nélkül is flotálhatók. A flotálás eredményesen 124

alkalmazható az olaj leválasztás elősegítésére. A légbuborékok hatására az apró olajcseppek felúszási sebessége sokszorosára növelhető ( húsipari, tejipari, konzervipari baromfiipari szennyvizek).Leggyakrabban alkalmazott berendezés típusok:  Légbefúvásos flotálók: Buborékképzés perforált, porózus anyagokkal vagy keveréssel.  Oldott levegős flotálók: A 4 - 6 bar nyomáson telített folyadékot atmoszférikus nyomásra expandáltatva a levegő buborékok kiválnak (6.1.3.25. ábra). Szennyvíztisztításban leggyakrabban ezt alkalmazzák.

6.1.3.25. ábra: Oldott levegős flotálás vázlata 

Elektroflotálás: 5-10V-os egyenárammal, elektrolízissel bontják a vizet, a felszálló gáz buborékok hidrogén és oxigén molekulák (6.1.3.26. ábra). Energia igénye: 0,5-0,7 kWh/m3. A vízbontás következtében bizonyos oxidációs folyamatok is lejátszódhatnak.

1:Szennyvíz bevezetés 2:Flotálócella elektródákkal 3: Tisztított víz elvétele 4: Flotálási hab levétele, pl. vákuum segítségével 5: Hab leválasztó ciklon 6: Leválasztott szennyező anyag



6.1.3.26. ábra: Az elektroflotálás elve Biológiai flotálás során az anyagcsere termék gázok (növények légzése, illetve lebontásnál keletkező biogáz) segítik a vízből leválasztandó részecskék felúsztatását.

A flotáció néhány előnnyel rendelkezik a tényleges ülepítéssel szemben, pl.: - A 100 µm alatti részecskéket jobb hatásfokkal választja le, - Kevésbé érzékeny a feladási koncentrációra, - Kisebb helyigényű. Alkalmazási területe:  Kommunális szennyvíztisztítás közben az elő illetve utóülepítés helyett, valamint iszapsűrítés, 125

 

Olaj és zsírtartalmú szennyvizek tisztítása, Szálas és pelyhes anyag tartalmú cellulóz-, textil- és papíripari szennyvizek kezelése.

6.1.3.2. Szűrés A szűréssel történő fázisszétválasztás esetén, a szuszpenzióban levő szuszpendált szilárd részecskéket nyomáskülönbség segítségével porózus közegen való átáramoltatás közben választjuk le (6.1.3.27. ábra). Szuszpenzió

Szűrőközeg és visszatartott ∆p

szilárd részecskék, iszap, koncentrátum

Szűrlet (részecske szegény folyadék fázis)

6.1.3.27. ábra: A szűrési folyamat sematikus ábrázolása A folyamat során a szűrőközeg pórusaiban, felületén, vagy kisebb térfogatú folyadékban marad vissza. Szűrőközegeknek nevezzük összefoglaló néven azokat az anyagokat, amelyek a rajtuk keresztül átáramló fluidumokból leválasztják a pórusméretüknél nagyobb (néhány esetben a kisebbeket is) méretű részecskéket. A leggyakoribb szűrőközegek:  Rácsok: fémpálcák párhuzamosan elrendezve szűrőközeget, rácsot alkotnak, de az 1mm-nél nagyobb méretű szilárd anyagok leválasztására szolgálhatnak lyukasztott lemezek, dob-, illetve ívsziták. 

Szemcsés anyagok laza halmazán belül a durvaszemcsés halmazok, általában kavics, szűrőhomok, de antracit, sziderit, barit, műanyag is használható szűrőközegként, többnyire víz-, szennyvíz tisztítások esetében. A finomszemcsés halmazokat szűrési segédanyagként a szűrendő szuszpenzióba bekeverve alkalmazzák.



Szűrőszövetek: fémszálakból, természetes textilszálakból, üvegből, ill. műszálakból szövéssel előállított szűrőszövetek az általánosan használtak: o pamutból: jól mosható és lúgálló, olcsó. Nem hőálló, nem saválló; o gyapjúból: rugalmas, kopásálló, de nem lúgálló és penészedik, forró vizes kezelésre zsugorodik; o műszálból: jól állja a savakat, vegyszereket, kopásálló, mechanikai szilárdsága nagy. o A fémszálakból szőtt szöveteket durva szűrésre már régóta használják. Ma már 2 μm nyílású szövetet is gyártanak. A fémszöveteknél gyakran használnak olyan vászonkötést, amelynél a lánc vastagabb szálból van, mint a vetülék. A szövetek szövésformája (28. ábra) erősen befolyásolja a szűrési tulajdonságokat is: pl. vászonszövés: rossz folyadékáteresztő, nagy eltömődési hajlam, 126

sávolykötés: közepes áteresztő, közepes szemcsefogó, atlaszkötés: jó áteresztő, kicsi eltömődési hajlam (6.1.3.2. táblázat).

6.1.3.28. ábra: Szűrőszövet szövési formák (vászon-, sávoly-, atlaszkötés)

6.1.3.2. táblázat: A szövési formák hatása a szűrés tulajdonságaira 

Membránok: természetes vagy műanyagokból, öntéssel, húzással, elemi részecskék bombázásával előállított szűrőközegek. Kerámiából, fémekből, szénszálakból is készítenek ma már szűrőmembránokat.

Az alkalmazott szűrőközeg függvényében megkülönböztetünk rácson történő durva szennyeződés leválasztást, mélységi (térfogat) szűrést és felületi szűrést. Ez utóbbi még két féle lehet. Amennyiben a szűrőfelületen a szilárd fázis különálló részt, lepényt képez lepényszűrésről, amennyiben nincs lepényképződés és a szilárd részecskében dús szuszpenzió távozik a berendezésről, akkor keresztáramú, vagy membrán eljárásról beszélünk. Szűrés rácson, rácsszerű berendezések A szennyvízben úszó 1 mm vagy annál nagyobb terjedelmű lebegőanyagok visszatartását biztosítják, aszerint, hogy a rácspálcák távolsága milyen értékű, illetve milyen előtisztítást kívánunk megvalósítani. A rácsok feladata, hogy a rács mögötti technológiai berendezések megvédje a nagyméretű, vagy tömeges uszadék által okozott mechanikai rongálódástól,eldugulástól, eltömődéstől, a további mechanikai, biológiai, kémiai vízkezelési műveletek tehermentesítése, jobb hatásfokú működésének elősegítése. A rácsokat többféleképpen csoportosíthatjuk: 1. Pálcaköz szerint: a. Durva rács: 20-100 mm b. Finom rács: 8-20 mm c. Finomabb rács: 1-8 mm 2. Elhelyezés szerint (29. ábra) a. Sík rács (függőleges, ferde rács) b. Íves rács 3. Tisztítási technológia szerint: a. Kézi tisztítású rács 127

b. Gépi tisztítású rács c. Mozgó rács A kézi tisztítású rácsok egyenes pálcából állnak, beépítési hajlásszöge 30-45°. Gyakori ellenőrzést igényel, általában csak 45 dm3/s vízhozam esetéig alkalmazható. A gépi tisztítású rácsok szintén rögzítettek, és ehhez kapcsolódik a mozgó gereb, amely a rácsszemetet a rács felső szintjén található rácsszemétgyűjtőbe továbbítja, azaz elvégzi a rács tisztítását.

6.1.3.29. ábra: A sík illetve íves rács vázlata A síkrács beépítési hajlásszöge 60-90°. Méretezésénél fontos szempont, hogy a vízáramlási sebessége, v, max. 0,7m/s, és a hv visszaduzzasztás mértéke kisebb legyen, mint 5 cm, de semmiképpen ne haladja meg a 10cm-t.

hV    (

dp kp

)

4

3

 sin  

ahol: : A rácspálca alaktényezője (6.1.3.30. ábra) dp: Rácspálca szélessége kp: Rácspálcaköz : A rács beépítés hajlásszöge v: A rács előtti átlagos sebessége

128

v2 2g

6.1.3.30. ábra: Rácspálca keresztmetszet típusok, és az áramlás szempontjából jellemző alaktényezői Az íves rácsok néhány száz m3/nap térfogatáramtól néhány ezer m3/nap szennyvízmennyiségig alkalmazható. E felett a sík rács alkalmazása kerül előtérbe. A rácsok által leválasztott nedves szilárdanyagot rácsszemétnek nevezzük. Összetételét, minőségét alapvetően a szennyvíz keletkezési helye határozza meg. Kommunális szennyvizek esetében, mennyisége a pálcaköz függvénye (6.1.3.31. ábra), nagy nedvesség és szerves anyag tartalmú, és fertőző, és gyakorlatilag mindenféle anyag megtalálható benne, ami az ember mindennapjaiban használatosak (6.1.3.32. ábra)

6.1.3.31. ábra: A rácsszemét fajlagos mennyisége a pálcaköz függvényében

6.1.3.32. ábra: Jellegzetes kommunális eredetű rácsszemét

Ipari szennyvizek esetében a mennyiségi és minőségi adatok egyediek, még tájékoztató adatok sem adhatók. A kommunális, és hasonló jellegű szennyvizek tisztítása közben keletkező rácsszemetet kezelni, elhelyezni, vagy hasznosítani kell. Ezek a következők lehetnek: 1. Biológiai kezelés (biológiai stabilizálás, fertőtlenítés): a. Rothasztás, b. Nedves aerob lebontás, c. Komposztálás, d. Fertőtlenítés,

129

2. Mechanikai eljárások (jobb kezelhetőség, szállíthatóság, termikus hasznosításra való előkészítés): a. Aprítás, b. Gépi víztelenítés, 3. Termikus eljárás (energetikai hasznosítás, ártalmatlanítás): a. Égetés szerves hulladékkal, b. Önálló égetés 4. Elszállítás, elföldelés, hulladéklerakóba helyezés. A rácshoz hasonló feladatra más eszközök, berendezések is alkalmazhatók. A szakirodalmak megemlítik a rácsszemét aprítókat (pl. komminutor), amelyek kisebb méretben benntartják a rácsszemetet a szennyvízben. A szennyvíz mozgatása így kedvezőbbé válik, de a szennyvíz minősége szempontjából ez kifejezetten káros (a kisebb szemcseméretek nehezebben válaszhatók le, megnő a szilárdanyag fajlagos felülete, a hidrolízis és a beoldódás mértéke. Használata nem előnyös, lehetőség szerint mellőzni kell. Rács helyett a különböző nagyobb méretű szilárdanyag leválasztásra alkalmas berendezés az ívszita (6.1.3.33. ábra), amelynél a pálcák vízszintes elhelyezésűek, és egymás alatt úgy helyeznek el, hogy azok egy íves felületet képeznek. A szilárdanyag tartalmú szennyvizet, vizet a felső részen adják fel, amely gravitáció hatására lefelé áramlik. Közben a víz a réseken átáramlik, a szilárdanyag pedig egyre lejjebb sodródik a szitafelületen, és alul eltávolítható. Az ívszita már alkalmas 1mm alatti szilárd szennyező leválasztására is. Kialakítása miatt öntisztítónak mondhatjuk, nincs szükség rendszeres tisztításra, odafigyelésre.

6.1.3.33. ábra: Ívszita kialakítása, működési elve Kisebb térfogatáramnál, illetve szilárdanyag tartalommal rendelkező vizeknél a rácsszemét leválasztására rácskosár is alkalmazható (tározói vízkivétel, kisebb vízfogyasztással rendelkező felhasználók, de kisebb méretekkel az utcai lefolyok védelmére is használhatók). A rácskosár egy perforált hengerfelülettel rendelkezik, a víz átfolyik, míg a szilárdanyagot a szitafelület visszatartja. A szilárdanyagot tartalmazó rácskosár üríthető, illetve pl. tározói vízkivételnél visszamoshatók. Hasonló „szűrőbetét” alkalmas csővezetékben szállított vizek tisztítására is (6.1.3.34. ábra).

130

6.1.3.34. ábra: Szilárdanyag leválasztásra szolgáló szűrőkosár és szűrőbetét A szennyvizek előkezelésére gyakran alkalmazzák a HUBER ROAMAT Ro 1, Ro 2, Ro9 típusú szitaberendezést (6.1.3.35. ábra).

6.1.3.35. ábra: Huber ROTAMAT Ro rácsszemét leválasztó vázlata A berendezés egy perforált, vagy pálcából készült hengerfelülettel (szűrőközeg) (rácskosár) rendelkezik. A hengeres részbe áramlik be a szennyvíz, amelyből a víz a hengeres felületen átszűrődik, elfolyik, míg a visszatartott szilárdanyagot egy belső csiga folyamatosan elszállítja, tömöríti, vízteleníti (kb. 30% szilárdanyag tartalomig). A berendezés alkalmazható ipari szennyvizek és kommunális szennyvizek kezelésére. A leválasztott szilárdanyag szemcseméretét a perforáció illetve a pálcaközök határozzák meg, amely 0,25-30 mm lehet a gyártói prospektus szerint. A fázisszétválasztás, tisztítás teljesen automatikus. Szükség esetén fűthető kivitelben is elkészíthető. A dobszita egy szita felülettel rendelkező forgó dob (6.1.3.36. ábra). A vízszintes tengely körül forgó dobszitába befolyt szennyvízből a lassan forgó hengeres szitafelület választja le a szilárd fázist. A víz átfolyik, a szilárdanyag a szitafelületre tapadva feljut a felület legfelső részére, ahol mosóvíz segítségével eltávolítják a dob felületéről.

131

6.1.3.36. ábra: a Forgó dobszita és működési vázlata A dobszűrők palástjának résnyílása, porozitása 0,5-2 mm. A leválasztott „rácsszemét” vízzel kerül elszállításra, kezelését, elhelyezését ezt figyelembe véve kell megoldani. A rácsok, rácsszerű berendezések közüli választást a szennyvíz szilárdanyag tartalma, annak fizikai jellemzői, vízben való viselkedése, a szennyvíz mennyisége, térfogatárama, és egyéb körülmények határozzák meg. A kisebb méretű szennyezők leválasztása már a mélységi szűrés, lepényszűrés, illetve a membránszűrés feladata (6.1.3.37. ábra). Az alkalmazott szűrő típusa a szilárdanyag méreteitől, koncentrációjától függ. A 6.1.3.37. ábrában látható, hogy a részecske mérete függvényében milyen szűrési típus választható, milyen szűrőközeg porozitásra, illetve milyen féligáteresztő membránra (szűrőközegre) van szükségünk a jó hatásfokú fázisszétválasztás megvalósítása érdekében.

132

6.1.3.37. ábra: A kismérető szennyezőanyagok szűréssel történő leválasztási lehetőségei 6.1.3.2.1. Mélységi szűrés Szemcsés anyagon (halmazon) végzett szűrés (mint technológiai művelet), a víztisztításban döntő jelentőségű. Vízben vagy szennyvízben levő (viszonylag kis koncentrációjú: 10 -20 mg/l) finom lebegőanyagok eltávolítása, beleértve a kellemetlen szag, íz eltávolítását is. Mélységi szűrés esetén a részecskék a szemcsés vagy szálas szűrőközeg belsejébe hatolnak és ott, annak szabálytalan alakú, de a leválasztandó részecskéknél nagyobb keresztmetszetű csatornáiban, üregeiben a tehetetlenségi és a felületi erők hatására kiválnak, lerakódnak. A mélységi szűrő egy beton medence vagy egy tartály reaktor, amelyben egy szűrőgyertyákat (fejeket) tartalmazó állfenék fölött található a szűrőközeg (anyag halmaz), mint ahogy az a 37. ábrán is látható. A szűrő felületét a feladásra kerülő víz lebegőanyag tartalma befolyásolja. A szűrő felületi terhelése lebegőanyag tartalomra: 0,4…2 kg/m2d. A szűrés szempontjából nagyon fontos a szűrőközeg, melynek a legfontosabb tulajdonságai: -

d 60 egyformasági tényező (d10 d10 pedig a 60%-os szemcsemérete) minél jobban

Szemcsemérete lehetőleg szűk szemcsefrakciójú, a ef = a szűrőközeg frakció 10%-os, a d60

133

-

közelítsen az 1-hez. 1,5 fölött célszerű, 2 fölötti értéknél (ez már nagyon rossz érték) viszont szükségszerű a szemcseelosztást szitálással javítani. Kémiailag semleges, oldhatatlan legyen, ne okozzon másodlagos elszennyeződést, Mentes legyen szűrést zavaró szennyeződésektől, Kopásálló legyen, Egyenletes minőség, megfelelő szemcsealak, Kis hidraulikus ellenállást okozzon a folyadék átáramlással szemben.

A mélységi szűrés szűrőközege lehet kvarchomok, finom kavics, barit, antracit, magnetit, kerámia, sziderit, műanyag granulátum, aktívszén, stb.

6.1.3.37. ábra: A mélységi szűrő felépítése és működési elve (szűrés, visszaöblítés) A szűrés alkalmából a szűrőközeg kapillárisainál kisebb méretű részecskék az iránytörés, ill. a csatorna keresztmetszet változásának hatására válnak le. A felületen csak jelentéktelen lepény képződik. Az igen finom szemcsék leválasztásakor adszorptív megkötés, visszatartás, valamint a kapilláriserők jutnak szerephez. A mélységi szűrés több hatás következménye, mint pl.: 

Szita (szűrő) hatás: A szűrőágy pórosától nagyobb szemcseméretű szilárd részecskék visszatartása.



Ülepítő hatás: A szilárd szennyezők a mélységi szűrő pórusaiban ülepedik ki.



Befogás: ha a részecske és a szűrőközeg részecskéjének távolsága kisebb, mint az ütközési átmérő: (dr +dm)/2



Tehetetlenség: ha a részecske sűrűsége nagyobb, mint a fluidum sűrűsége, úgy nem követi az áramvonalakat, azok divergálását, hanem a tehetetlenségi erőnek engedve egyenes vonalban haladva leválnak:



Adszorpciós hatás: A szűrőközeg és s szilárd szennyezőanyag között fellépő határfelületi erők következménye. Függ a felületaktivitástól, szennyezettségtől,

134

érintkezési időtől, - gyakoriságtól, szűrési sebességtől, a szűrőközeg fizikai, és felületi tulajdonságaitól. 

Kémiai hatás: Kémiai reakció a víz anyagtartalma és a szűrőközeg között.



Biológiai hatás: Lassúszűréseknél a kiszűrt mikroorganizmusok anyagcseréjük közben a szűrőágyban tisztító hatást eredményeznek.

Szűrés közben a szűrőközeg halmaz eltömődik, és nagy ellenállást eredményez a fázisszétválasztási folyamattal szemben. Az optimális üzemeltetéshez érdemes megismerni szűrésre jellemző nyomás (nyomásveszteség) görbét, melyet Michau-görbének (6.1.3.38. ábra) nevezünk.

6.1.3.38. ábra: Egy mélységi szűrő elvi Michau nyomás-diagramja Az ábrában a mélységi szűrő mélységének függvényében látható a szűrési nyomásveszteség és nyomás az idő függvényében. A szűrés igénye, hogy a ciklus alatt, egy szükséges mértékű nyomáskülönbség megmaradjon, és a szűrőközegben ne keletkezzen vákuum tartomány, ami a szűrés leállásával jár. Amennyiben a szűréshez szükséges nyomás minimumra csökken, a szűrőközeg mosásával, tisztításával, regenerálásával állíthatjuk helyre a szűrési teljesítményt, hatásfokot. A szűrőközeg visszaöblítésére, mosására van szükség akkor is, amikor a pórusok telítődnek a kiszűrődött szilárdanyaggal, és már jelentősen csökken a szűrés hatásfoka, azaz a szűrt víz szilárdanyag tartalma megnő, nem megfelelő. A szűrőközeg pórusaiban megfogott szennyeződések a szűrőréteg 5 – 7 percig tartó, alulról felfelé irányuló, vízzel (a visszaöblítő közeg lehet víz-levegő keverék is) történő visszaöblítéssel távolíthatók el. A visszaöblítés sebességét úgy kell megválasztani, hogy a szűrőközeg 30 – 50 %-os expanzióját idézze elő, melynek következménye a hatásos szűrőközeg tisztítás. A kis térfogatú, de nagy szilárdanyag tartalmú szuszpenzió, iszap víztelenítés után, mint hulladék deponálható, esetleg hasznosítható. A mélységi szűrésnek két jellemző típusa különböztethető meg. Ezek a gyors és a lassú szűrés. A gyorsszűrők a vízben levő szilárd (lebegő) anyagok, kolloidok leválasztására alkalmazhatók, többször a vízben levő nagyon kis szemcseméretű szilárdanyagának koagulációja után. Helyes, megfelelő üzemi paraméterek melletti üzemeltetés a szűrt víz 1 135

mg/l-nél kisebb szilárdanyag tartalmát eredményezi. Fontos paraméterek a szűrőközeg szemcseeloszlása, közepes szemcsemérete, a töltet vastagsága. A gyorsszűrők esetében a töltet szemcseeloszlása 1 - 2 mm közötti, a szűrőréteg vastagsága 1 – 1,5 m, de szennyvizek utótisztításakor 2 m is lehet. A jellemző szűrési sebesség 4 – 12 m/h. Az alkalmazott szűrési sebesség meghatározza a töltet vastagságát, a lebegőanyagnak a szűrőágyba való behatolását. Ez nagyon jól látható a 6.1.3.39. ábrából.

6.1.3.39. ábra: A szűrési sebesség és a közepes szűrőközeg szemcseméret hatása a lebegőanyag szűrőközegbe való behatolási mélységére A gyorsszűrő lehet nyitott, vagy zárt, a szűrést eredményező nyomáskülönbséget eredményezheti gravitációs, illetve tényleges nyomás. Alkalmazása elsősorban ivó és ipari víz előállításánál jellemző, de szennyvizek utókezelésére, tisztítására is felhasználható a különböző finom kolloidális, nehezen ülepíthető részecskék jó hatásfokú leválasztására. A lassú szűrők a kis zavarossággal, nagyon finom mérettel rendelkező szennyező részecskékkel rendelkező vizek kezelésére alkalmasak. Lassú szűrés előtt nem jellemző a szennyezőanyagok koagulálása. Az alkalmazott szűrőközeg szemcseeloszlása 0,3 – 1 mm közötti, a réteg leggyakoribb vastagsága 0,8 – 1,2 m. A szűrésnél megengedett szűrési sebesség a kezelendő víz zavarosságától függ, a szokásos sebesség 0,1 – 0,4 m/h. Amennyiben a víz szilárdanyag tartalma 50 mg/l-nél nagyobb, célszerű lassú szűrés előtt egy előkeválasztást is alkalmazni (ülepítés, előszűrés). A lassú szűrőket a gyorsszűrőkkel ellentétben nem öblítik rendszeresen, hanem a szárazzá tett szűrőfelületről a felső 20 – 30 mm vastag, erősen elszennyeződött szűrőközeg réteget leválasztják, majd ezt átmossák, majd visszaterítik a szűrőre. A tisztítási műveletre a tapasztalatok szerint 1 – 6 hónaponként van szükség, a szűrendő víz minősége függvényében. Alkalmazása elsősorban ivó és ipari víz előkészítésénél jellemző.

136

6.1.3.2.2. Lepényi szűrés A lepény szűrés (40.ábra) egy átmeneti szűrési művelet, amelynél a felületi szűrési elv valamint a mélységi szűrési elv egyszerre érvényesül. Feladás Szuszpenzió Szűrőlepény ∆p

Szűrőszövet Szűrlet

6.1.3.40. ábra: A lepény szűrés elve és fogalmai A szűrés indulásakor a szuszpenzióban levő durva szemcsék a szűrőszövet felületére rakódnak, a finomak vagy fennakadnak, vagy átmennek a szűrőközegen. A szűrési folyamat alatt folyamatosan nő a keletkező lepény vastagsága, amikor a finom szemcsék a durvább szemcsék által alkotott lepény pórusaiban fennakad (mélységi szűrés elv). Az alkalmazott szűrőközeg lehet szűrőlemez, különböző szövésű mono-filament, multi- filament, vagy sodrott (spun- staple) szűrőszövet, illetve szűrőtestek (lapok, gyertyák, hengerek, kúpok). A szuszpenzió fázisszétválasztása energiát igényel, amely nyomáskülönbség (∆p) létrehozásával valósítható meg. A szűrést létrehozó hajtóerőt képviselő nyomáskülönbség alapján megkülönböztetünk:  Gravitációs szűrést, amelynél a szűrőközeg felett levő folyadékoszlop hidrosztatikai nyomása hozza létre a szűrési folyamatot.  Vákuumszűrést, ahol a szűrőközeg alatti térben vákuumszivattyú segítségével előállított vákuum biztosítja a szűrési hajtóerőt.  Nyomó (prés) szűrést, amikor is a feladási oldalon szivattyúval, kompresszorral, vagy egyéb módon hozzuk létre a szuszpenzióra ható nyomóerőt.  centrifugális szűrést, amelynél a centrifugális erő hatására áramlik át a szűrlet a szűrőközegen. A szűrési folyamat alatt egy fizikai folyamat, mechanikai jelenség, a fázisszétválasztás játszódik le, de ezen túlmenően egyéb fizikai, kémiai, bizonyos esetekben akár biológiai folyamatok is lejátszódhatnak. Minden szuszpenzióra jellemző a szűrhetőség, ami lehet jó, vagy nagyon rossz. A szűrhetőség azonban az anyagi tulajdonságok fizikai, kémiai változtatásával jelentősen javíthatók:  A folyékony fázis viszkozitásának megváltoztatása, csökkentése hőmérsékletnöveléssel, hígítással. (Vegyszeres kezelés a viszkozitás növelését idézi elő).  A finom szemcsék, részecskék koaguláló- flokkulálószerek adagolásával történő aggromerálásával, melynek következtében a szűrőlepény pórusmérete nő, kisebb lesz 137

a szűrőlepény fajlagos ellenállása, és gyorsabb szűrési folyamatot jön létre. A kiszűrendő részecskék koagulált állapotban jobb hatásfokkal választhatók le.  A kiszűrendő képlékeny, kompresszibilis anyagok jobb leválaszthatósága szilárd szűrési segédanyag hozzáadásával érhető el. A bekeverés hatására egy erős vázú szűrőlepény keletkezik, amely időben állandó, a szűrési segédanyagok által meghatározott porozitással biztosítja a gyorsabb szűrést. A szilárd szűrési segédanyag legfontosabb tulajdonságai a következők: o Szemcsemérete lehetőleg szűk szemcsefrakciójú, egyenletes minőségű, megfelelő szemcsealakú legyen kellő szilárdság mellett. o Kémiailag semleges, oldhatatlan legyen, ne okozzon másodlagos elszennyeződést, o Mentes legyen szűrést zavaró szennyeződésektől, o Kis hidraulikus ellenállást okozzon a folyadék átáramlással szemben. o Kis térfogatsűrűség, rossz ülepedő képesség. A legismertebb szilárd szűrési segédanyagok a kovaföld, kalcinált kovaföld (a szűrés közben az adszorpciós képessége is érvényesül), duzzasztott perlitpor, cellulóz-, aktív szén por.  Egyéb lehetőségek a szuszpenziók szűrhetőségének javítására a felületaktív anyagokkal a szilárd szemcsék felületi tulajdonságainak befolyásolása. A lepényszűrés elmélete a Darcy-, Poiseuille-egyenletekből vezethető le. Ezek szerint a pillanatnyi szűrési sebesség: 1 dV K P 1 P v=      A dt L  R  Ahol:

o o o o o o o o

A = szűrőfelület, cm2 V = szűrlettérfogat, cm3 t = szűrési idő, s K = permeabilitás, cm2 P = szűrési nyomáskülönbség, Pa η = szűrlet dinamikai viszkozitása, Pas L = szűrőlepény vastagság, cm R = szűrő össz-ellenállás, cm-1, amely a szűrendő szuszpenzió jellemzőit,    V behelyettesítve: R= + Ro, A α : a fajlagos lepényellenállás, cm/g ω : a szilárd/szűrlet arány, azaz a lepény száraz szilárdanyag tömegének viszonya a hozzátartozó szűrlet térfogatához, g/cm3 Ro : a szűrő kezdeti ellenállása, cm-1

Behelyettesítve a kiindulási képletben a lepényszűrés általános differenciál egyenlete: v=

1 dV 1 P    A dt      V    Ro   A  

Ezt az egyenletet rendezve a reciprok szűrlet térfogatáram egyenlete. 138

  Ro dt 1      V  2 dV q P A P A Az egyenletben szereplő paraméterek alapján a szűrés lehet:  állandó nyomású szűrés (a szűrési sebesség a szűrési idő függvényében csökken),  állandó sebességű szűrés (a szűrés ideje alatt a szűrési nyomáskülönbség nő),  folyamatosan változó nyomású és szűrési sebességű szűrés, (pl. nyomószűrésnél pl nem egyenletes a szivattyúval a feladás),  lépcsőzetesen változó nyomású és sebességű szűrés. Az előző egyenlet mind a négy szűrésre megoldható, felírható. A szennyvíztisztításnál elsősorban az állandó nyomású szűrést alkalmazzák. Ez esetben a szűrőegyenlet a következő: t

V

 dt   0

  

0

PA

2

Azaz:

t

   2P  A

2

V 2 

V

dV  V   0

  Ro P A

  Ro P A

dV

 b1  V 2  bo  V

Valamint:

 b1  V  bo V Ebben a szűrési egyenletben a b1: iránytangens szűrletállandó, az egységnyi szűrlettérfogatra eső reciprok szűrlettérfogat áram, azaz egyenesen arányos a szűrőlepény fajlagos ellenállásával, s/cm2, bo: ordináta-metszék szűrletállandó, a szűrés kezdeti ellenállásával arányos érték, s/cm A konstansok a szűrési görbe ábrázolásából meghatározhatók (41. ábra): t

t/V

α

tgα=b1

bo V

6.1.3.41. ábra: optimális szűrési görbe, a szűrőegyenlet konstansainak értelmezése állandó nyomáskülönbség mellett Vannak olyan szuszpenziók (iszapok), amelyek kompresszibilis jellegű kiszűrhető anyagot tartalmaz, illetve szűrésközben a szűrőlepényben „átrendeződés”, deformáció, tömörödés játszódik le. Ebben az esetben a szűrőlepény fajlagos ellenállása a vastagsága függvényében nem konstans, a szűrési görbe ez esetben nem egyenes (6.1.3.42. ábra), hanem egy másodfokú függvénnyel közelíthető,

139

t/V

tgα=b1 α b0 V

6.1.3.42. ábra: A szűrési görbe alakulása kompresszibilis anyag kiszűrésekor, Állandó nyomáskülönbség mellett tehát a szűrési egyenlet sem az előbb vázolt egyenlet, hanem: t  a V 2  b V  b 1 o V Ahol a: a szűrőlepény fajlagos ellenállás változására jellemző mérőszám. A lepényszűrés berendezései A lepényszűrésre nagyon sok szűrőberendezést alakítottak ki a különböző nyomáskülönbségű szűrések megvalósítására, amelyek a környezetvédelemben illetve az ipari folyamatok során alkalmasak a hígabb, sűrűbb szuszpenziók hatásos fázisszétválasztására. A nyomószűrőknél (6.1.3.43. ábra) a fázisszétválasztást a feladó szivattyú nyomása biztosítja.

6.1.3.43. ábra: nyomószűrő típusok (gyertyás, táskás, tányéros) és működési elveik

140

A szűrőelemek több félék lehetnek, mint pl. gyertya, táska, lap stb.. A kialakítás szerint a szuszpenzió feladása bevezetése történhet a berendezés alján vagy a felső részén, és természetes, hogy a szűrlet kivezetése az ellentétes részen, mint az a 43. ábrában látható. A nyomó szűrőket, a tiszta szűrlet nyerése érdekében előlepényes (segédlepényes, pre-coat) szűrőként használják. Ez esetben a szűrőtartályt először szűrési segéanyagokból képezett szuszpenzióval (szilárd szűrési segédanyag, víz, koaguláló és/vagy flokkulálószer keveréke) töltik meg, a szűrőlapok felületén ebből egy 1-2 mm vastag finom porozitású segédlepényt képeznek (ez lesz a tényleges szűrőközeg), majd a szuszpenziók cseréje után következik a tényleges szűrés. A keletkezett szűrőlepény eltávolítása sűrített levegő, vagy mosóvíz segítségével (mint iszap) történik. A nyomószűrők jellegzetes képviselője a keretes és kamrás szűrők (6.1.3.44.-45. ábra), amelyek a nagy szűrőfelületükhöz képest kis helyigényűek.

1- álló fejrész, 2- mozgó fejrész, 3- szűrőlap, 4- mosólap, 5- keret, 6- szűrőszövet, 7szűrőlepény, 8- szűrlet elvétel, 9- szűrendő szuszpenzió bevezetés, 10- mosófolyadék bevezetés, 11- mosófolyadék elvezetés 6.1.3.44. ábra: A keretes nyomószűrő vázlata és működési elve

141

1- álló fejrész, 2- mozgó fejrész, 3- szűrőlap, 4- szűrendő szuszpenzió bevezetés, 5- szűrlet elvezetés, 6- szűrőlepény, 7- szűrőszövet 6.1.3.45. ábra: A kamrás nyomószűrő vázlata és működési elve Szakaszos üzeműek, szűrőlepényük földnedves állapotú, jól szállítható, tárolható. Önműködő nyitásuk, ürítésük, zárásuk, feltöltésük komoly gépészeti kivitelt, és vezérlőegységet igényel. Hasonló elven működő könnyebb szerkezetű, automatikus működésű típusok kerültek forgalomba. A présszűrők esetében a szűrésnél jelentős hatása van a különböző módon kialakított (mechanikus, hidraulikus, pneumatikus) préselő erőknek. A leggyakrabban használatos présszűrő a szalagprésszűrő. A 46. ábra egy ilyen szűrő elvét, fontosabb kifejezéseit mutatja be, míg a 47. ábra Voest- Alpine szalagprés-szűrőjének sémáját vázolja. Fordítódob

Gravitációs zóna

Feladás Préselő szalag

1

2 Lepény leszedés Szűrőszalag

1. jelű: Ékzóna; 2. jelű: Gyúró (préselő) zóna állandó nyomással, szabályozható nyomógörgőkkel, gyúrással utópréseléssel, nyírással, nagy nyomással (pl. dupla henger alkalmazásával) és erős nyírással.

6.1.3.46. ábra: a szalagprés-szűrő vázlata és működési elve

142

1- iszapfeladás; 2- gravitációs szűrőzóna; 3- iszaplepény; 4- ékzóna; 5. T-dob a szűrlet optimális eltávolítására; 6- növekvő nyomás a hengerátmérők csökkentésével; 7- intenzív gyúrási zóna; 8- az iszap kivezetése az utóvíztelenítő fokozatra 6.1.3.47. ábra – Szalagszűrőprés (Voest-Alpine VDB-2. típusú) Az egyik legelterjedtebb szűrő típus az iszapok víztelenítésére. Nagyon fontos a jó fázisszétválasztás érdekében a víztelenítésre kerülő iszap erős flokkulációja, amely a szabadvíz gravitációs zónába történő leválasztásának feltétele. A szabadvíz leválasztása az ékzóna előtt nagyon fontos, feltétele a jó működésnek. Ennek megfelelően olyan iszapok víztelenítésére használható, ahol nem okoz problémát a flokkulálószerek jelenléte. A fázisszétválasztás közben keletkező lepény szilánkosan törik, viszont a szűrletvíz a lebegőanyag tartalma miatt a szennyvíztisztítási technológiába kerül vissza. A lepény nedvességtartalma tovább csökkenthető a gyúrózónába dupla (egymás fölötti) nyomásfokozó hengerek beépítésével, ahol a préselő erők kb. egy nagyságrenddel (1-1,2 bar helyett akár 10 bar is elérhető) növelhető egy rövid időtartamban. A présszűrők egy következő típusa a nagynyomású csöves szűrő (6.1.3.48. ábra), amelynél a szűrés hidraulikus nagy nyomással, hidraulikus préseléssel (80-100 bar) fejeződik be, és eredményez kis nedvességtartalmú szűrőlepényt.

143

6.1.3.48. ábra: a nagy nyomású csöves présszűrő és működési elve Ez a szűrés elsősorban nehezen vízteleníthető iszapok, pl. agyagásványt tartalmazó iszapok víztelenítésére alkalmas. A lepényszűrés egyik gyakran alkalmazott változata a vákuumszűrés, amely egy folyamatosan üzemelő szűrési eljárás (49. ábra).

6.1.3.49. ábra: A vákuumszűrési technológia és eszközei A vákuumszűrés a nyomószűrésnél bonyolultabb technológia. A feladás az 1 jelű keverős tartályból szivattyú (2) segítségével történik a szűrőre (3). A szűréshez szükséges vákuumot egy vízgyűrűs vákuumszivattyú állítja a szűrletgyűjtő tartályba (5), melynek következménye a szűrés. A lepény leszedésére több lehetőség létezik. Elsősorban nagy szilárdanyag tartalmú szuszpenziók víztelenítésére alkalmas, a szűrőlepénye felhasználható (összetételének megfelelően) a szűrlete még jelentős finom szilárdanyagot 144

tartalmazhat, melynek koncentrációja a szűrő típusától függ. Több típusa közül néhány, a következő: A vákuum tárcsás-szűrő (6.1.3.50. ábra) egy egyszerű felépítésű szűrő, kis helyen aránylag nagy felülettel. Minél véknyabb a tárcsa vastagsága annál több tárcsával lehet a szűrést egy tengelyen elvégezni. A legnagyobb tárcsaátmérő 6 m, amely közel 50 m2 aktív szűrőfelületet jelent. Elsősorban iszapok víztelenítésére, szűrésére alkalmas. A szűrlet a csőtengelyen keresztül egy vákuumszivattyú szállítja egy vákuum tartályba, ahonnan a megfelelő helyre továbbítják. A szűrlet, jelentős szilárdanyag tartalmú lehet. A szűrőlepényt pedig a tárcsáról egy hirtelen ellennyomás és leszedő kés segítségével távolítják el. A szűrési folyamat a szűrőfej segítségével vezérelhető.

6.1.3.50. ábra: A tárcsás vákuumszűrő sémája, működési elve, a tárcsa egy eleme A vákuumszűrők következő népes csoportja a vákuum dobszűrők, amelynél a szűrőfelület egy perforált dob henger palástfelülete, amelyre kifeszítik a szűrőszövetet. Több féle kivitelben készül, mint pl.: belső, illetve külső felületű, cellanélküli és sokcellás, fix vásznas vagy lefutóvásznas dobszűrő (6.1.3.51. ábra). A dobszűrőknél nagyobb lehet a szűrőfelület kihasználás, mint a tárcsás szűrők esetében, és jobban optimálható, gazdaságosabban üzemeltethető.

145

6.1.3.51. ábra: Néhány vákuum dobszűrő típus sémája A dobszűrőkkel igény esetén nagy tisztaságú szűrlet nyerhető a vastag illetve vékony segédlepény (előlepény) alkalmazásával. Akár közvetlenül felhasználható ivó- vagy ipari víz is, illetve iszap víztelenítéskor befogadóba engedhető a keletkezett szűrlet. A szűrésnél gondot jelent a szűrőlepény jó leszedése, illetve a szűrőszövet tisztántartása az állandó teljesítmény érdekében. Erre láthatunk megoldást az 6.1.3.52. ábrában.

6.1.3.52. ábra: Szűrőlepény leszedési lehetőségek vákuum dobszűrőnél 146

Az ábrán vázolt leszedési módok közül a segédlepényes, illetve a lefutóvásznas leszedés a kedvezőbb a folyamatosan állandó szűrési teljesítmény szempontjából. Segédlepényes szűrésnél a szűrő ellenállása állandó az elszennyeződött segédlepény folyamatos leválasztása következtében, az utóbbi esetben pedig a lefutóvászon lehetőséget ad a szűrőszövet tisztítására, tisztántartására. A vákuum szalagszűrő (6.1.3.53. ábra) elsősorban nagy szilárdanyag tartalmú iszapok, szuszpenziók víztelenítésére alkalmas.

6.1.3.53. ábra: Vákuum szalagszűrő sémája és a szűrőszövet vezetési lehetőségek A vákuum szalagszűrő folyamatos üzemű szűrőszövetes szűrő, ahol a szűrőelemek vízszintesen egymás mellett vannak rögzítve. Egy perforál gumilemez futószalagszerűen a szűrőelemek fölött csúszik, azokhoz hozzásimulva. A gumiszalag szélei felhajlanak, így vályút képeznek. A szűrőelem egy részét csökkentett nyomású szűrlettartállyal, más részét mosófolyadék-tartállyal csővezeték köti össze. A szuszpenziót a szalagra szórófejeken keresztűl adagolják. A szűrlet a szöveten áthaladva a szűrletgyűjtőbe jut, a szűrőiszap pedig tovább halad a „futószalagon“, ahol megszárad, majd a végén leválik. A szűrőszövetet állandóan mossák és szárítják. A szűrés elején jelentős lehet a szűrlet szilárdanyag tartalma, amely a feladással (segédlepény képzéssel, akár a feladásra kerülő szuszpenzióból egy hidrociklonnal történő nagyogg szemcsefrakcióval rendelkező szuszpenzióból) javítható. A centrifugális erő hatására bekövetkező fázisszétválasztás egyik módja a centrifugális szűrés, ahol a szétválasztást egy perforált dob köpenye, illetve annak belső felületén elhelyezett szűrőszövet biztosítja. A centrifugális erő hatására, a dob belsejébe bevezetett szuszpenzióból a víz, mint szűrlet a perforált dob palástján, szabadon áthalad, miközben a szilárd fázis, mint szűrőlepény a dob belsejében a szűrőszöveten marad, ahonnan valamilyen módon eltávolítják.

147

A szűrőcentrifugáknak is több típusa van. Néhányat az 6.1.3.54. ábra (pulzáló vagy toló centrifuga, csigáskihordású, illetve hámozó centrifuga) szemléltet. Pulzáló vagy toló centrifugáknál a dob a forgatott csőtengelyhez kapcsolódik. A cső-tengely belsejében ide-oda mozog a vele együtt mozgó forgó tengely Ennek egyik vége a tolólap (5) másik vége a dugattyú. A tolólap axiális mozgását hidraulikus berendezés (4) biztosítja. A dob belső palástján a szilárd anyagot, szűrőlepényt, a tolólap előrehaladva eltolja a szűrőfelületen, és kihordja a dob belsejéből. Visszafelé mozgáskor a közelében lévő dobrész megtelik anyaggal, amely azután a legközelebbi előremozgásnál az előbbivel együtt továbbjut. A dobok 160...1400 mm átmérővel készülnek. Jelzőszámuk: 250...800. A csigás kihordású centrifuga az előzőtől eltérően függőleges tengelyű, ahol a szűrőlepény kihordását a csiga és a gravitáció biztosítja.

6.1.3.54. ábra: Különböző szűrőcentrifuga (csigás, pulzáló, hámozó) sémája A hámozó szűrőcentrifugánál minden részművelet az üzemi fordulatszámon történik. Ürítésnél sem állítják le, le sem lassítják, állandó fordulatszámmal forog. Mégis szakaszos üzeműnek tekintik, mert az egyes munkaciklusok (töltés, szűrés, esetlegesen a lepény mosása, szárítása, leválasztása és ürítése) ugyanúgy követik egymást, mint a szakaszos üzemű centrifugáknál. A belső köpenyre, szűrőszövetre lerakódott szilárd anyagot, szűrőlepényt hámozókéssel választják le. A hámozó centrifugák 300...2600 mm dobátmérővel készülnek.

148

6.1.3.2.3. Membránszűrés A membránszűrési eljárás a szűrés azon fajtája, melynél egy jól megválasztott porózus lap, membrán segítségével a feladott szuszpenzióból, szennyvízből a kívánt méretű részecskék, nagymolekulák, sók, vegyszeres kezelés és általában lepényképződés nélkül, nyomáskülönbség segítségével, leválaszthatók. Eredményeként részecskementes szűrlet (permeát) és egy nagy koncentrációjú retentát képződik (55. ábra). Szuszpenzió feladás

Koncentrátum, retentát

Szűrlet, permeát

Porózus membrán, szűrőközeg

6.1.3.55. ábra: A membránszűrés általános modellje A membránszűrés helye a fázisszétválasztásban az 1-2 mikronnál kisebb méretű anyagok leválasztásának tartományában van. Az eljárás előnye:  A szétválasztási művelet nem igényel szűrési segédanyag (koaguláló-, flokkulálószer, szilárd szűrési segédanyag) felhasználást;  Folyamatos eljárás, jól automatizálható;  Kis fajlagos energia igényű. Hátránya: A keletkező nagy koncentrációjú retentát további kezelést igényel. A membrán pórus méretét általában μm-ben adják meg, de a kisebb méretek helyett leginkább a D (Dalton) vagy MWCO mértékegységet használják. Ez esetben a membránok pórusméretének jellemzésére a vágási értéket (cut off) alkalmazzák. A vágási érték Daltonban kifejezett, globuláris fehérjére vonatkoztatott móltömegérték, amelyet a membrán az anyagtranszport során 90 %-ban visszatart. Dimenziója: Dalton. Az alkalmazott membrán pórusméretétől függően a membránszűrésnek több fajtája ismert, úgymint mikro-, ultra-, nanoszűrés és fordított ozmózis. Az egyes membránszűrési típusokat az általuk leválasztott részecskék, ill. az alkalmazott nyomás alapján osztályozhatjuk (3. táblázat). Megnevezés

Jellemző nyomás, (bar) Leválasztási tartomány, (m)

Hagyományos szűrés

1-4

10-100

Mikroszűrés, MF

2-6

0,1-10

Ultraszűrés, UF

2-10

0,5-5˙10-3

Nanoszűrés, NF

6-40

10-2-10-3

Fordított ozmózis, RO

8-70

5˙10-2-5˙10-4

6.1.3.3. táblázat: A különböző membránszűrési módok és főbb jellemzőik 149

A méret szerinti szűrési tartományokat az 6.1.3.56. ábra szemlélteti.

6.1.3.56. ábra: A membránszűrések szűrési tartománya Az ábrán ölelkező intervallumokat találunk, ez arra enged következtetni, hogy nem egyszerű mechanikus szitahatás érvényesül, hanem más mechanizmusok is érvényesítik hatásukat e folyamatban. Ezen más mechanizmusok feltételezése annál is inkább reális, hiszen a 10-4 m már a molekulák mérettartományát jelöli. A mikroszűrést (MF) egyértelműen a klasszikus szűrési műveletekhez kell sorolnunk, hiszen ez olyan áramlástani művelet, melynél a szétválasztás határértékét a pórusméret szabja meg hajtóerőként pedig a nyomás a dominánsan meghatározó tényező. Az ultraszűrés (UF) és a nanoszűrés (NF) olyan anyagátadási művelet, amelyet az alkalmazott nyomás mellett jelentősen befolyásolhatnak az áramlási műveleteket jellemző paraméterek, pl. áramlási sebesség, viszkozitás. A művelet végrehajtásának körülményei határozzák meg, hogy melyik hatás érvényesül elsősorban. A fordított ozmózis (RO) tisztán anyagátadási folyamatnak tekinthető, melyben a diffúzió, a kémiai potenciálkülönbség, az elektrosztatikus kölcsönhatások játsszák a meghatározó szerepet.

A szűrési tartomány a mikro és a nano tartomány közé esik. A szűrés hatásosságát a jól megválasztott membrán határozza meg, amely anyagát morfológiáját, előállítási módját figyelembe véve különböző lehet (6.1.3.57. ábra).

150

Membrán típusok

Eredet

Anyag

Biológiai hártya

Szintetikus

Folyadék

Szilárd

Szerves polimer

Nem porózus, RO-nál, elektrodialízisnél

Asszimetrikus

Kompozit

Szervetlen nemesacél,üveg,szén, kerámia

Porózus

Szimetrikus

Fázis átalakítással gyártott

Morfologia, struktúra Asszimetrikus

Előállítás módja

6.1.3.57. ábra: A membránok típusai, osztályozása A membrán, az anyagát tekintve lehet porózus szerves vagy szervetlen test, porózus műanyag - polikarbonát, poliészter, cellulóz, cellulózacetát (CTA), politetrafluoretilén (PTFE), PVC, nylon, poliamid, poliszulfon. Az első alapanyagok, melyeket a membrán-szeparációs műveletekhez sikeresen felhasználtak, a cellulóz észterei voltak. Ezek a membránok viszonylag szűk pH - (pH 3-7) és hőmérsékleti (maximum 35-40°C) intervallum mellett voltak alkalmazhatók. Hátrányos tulajdonságaik miatt kiszorultak a piacról a sokkal előnyösebb hőmérséklet- és pH tűrő, poliszulfon alapanyagból készített membránok megjelenésével. Az első membránok izotróposak (szimetrikusak) voltak, vagyis a pórusnyílások a membrán mindkét oldalán azonos méretűek. Később megjelentek az asszimetrikus (anizotrópos) membránok (58. ábra), melyeknél a pórusnyílások átmérője különböző a membránok két oldalán, a permeátum oldal félé növekednek. Ez a szerkezeti felépítés sokkal nagyobb áramlási sebesség kialakulását teszi lehetővé.

6.1.3.58. ábra: Aszimmetrikus membrán felépítése A legújabb technológiai fejlesztések eredményeként néhány speciális UF membránoknál, az RO membránoknál pedig általánosan jellemző a membránok réteges felépítése. Az első réteg egy maximum 0,5- 1,0 m vastag film, ez követi egy porózus polimer támasztó réteg (50100 m), majd egy megfelelő mechanikai szilárdsággal rendelkező hordozó réteg(100 m). 151

A leválasztott részecske méretét mindig a membrán legfelső, „szűrendő” anyaggal érintkező oldalán kialakított film tulajdonságai határozzák meg. A szervetlen alapanyagú hordozó anyagok felületén kialakított un. kompozit membránok (ezüst, acél, üveg, cirkónium oxid) kifejlesztésével tovább szélesedett a membrán-szeparációs eljárások felhasználási területe, hiszen mind mechanikai szilárdságukat, mind sav-, lúg- és hőmérséklet állóságukat tekintve minden feltételt kielégítenek. A folyadék membránok működési elve többféle csoportjuk ellenére azonos, a transzportálódó anyagnak a két különböző folyadék fázisra jellemző, eltérő diffúziós és megoszlási hányadosán alapul, léteznek duzzasztott-, hordozós és felületi folyadék membránok. A membránok előállítási módja éppen olyan változatos, mint az alapanyagaik. A membránok készülhetnek öntéssel olvadékukból vagy oldatukból, extrudálással, sajtolással, kilúgzással, temikus kicsapással, lézersugárral, vagy elemi részecskékkel történő bombázással. A membrán, szűrőközeg felülete használat közben, különösen a szilárd szennyezőanyagok leválasztásakor (MF-nél) elszennyeződik, következményeként csökken a szűrési sebesség (permeátum áram) a szűrési ciklus alatt (59. ábra), ezért tisztítani kell.

6.1.3.59. ábra: Szűrési ciklusok A tisztítás kétlépcsős:  Rövid időközönkénti tisztítás folyadék visszaöblítéssel vagy sűrített levegővel, a pórus felületére kiülepedett szilárd szennyezőknek a feladott szuszpenzióba való visszavitele (60. ábra).

6.1.3.60. ábra: Modulöblítés lehetőségei

152



Nagyobb időközönkénti vegyszeres tisztítás a membrán felületére adszorbeálódott, a szennyvízből kicsapódó anyagok leoldása érdekében. Az alkalmazható vegyszerek és oldatainak koncentrációja a membrán típustól függ, a gyártó adja meg.

A membránszűrés teljesítményét, hatásfokát nagymértékben befolyásolja:  A feladásra kerülő szuszpenzió, oldat kémiai, fizikai tulajdonságai;  A membrán típusa, felülete, anyaga, pórusmérete;  Alkalmazott nyomáskülönbség;  A szűrőben a feladási oldalon kialakuló áramlási viszonyok (sebesség). A membránszűrők több üzemmódban alkalmazhatók. Ezek a keresztáramú-, statikus (DeadEnd)-, és bemerülő üzemmód (6.1.3.61. ábra). Közülük a keresztáramú és bemerülő üzemmódnál nem szabad hogy lerakódás legyen a membrán felületén (természetes , hogy bizonyos mértékű lerakódás előfordul, ami miatt rendszeresen kell tisztítani. A statikus, DeadEnd üzemet csak nagyon kis lebegőanyag koncentráció esetén alkalmazzák, mert a leválasztott anyag a membrán felületén jelentősen növeli a szűrési ellenállást.

6.1.3.61. ábra: Keresztáramú, Dead – end és bemerülő membrán üzemének sematikus ábrája A különböző üzemmódhoz megfelelő membrán modulokat (6.1.3.62. ábra) alakítanak ki. Műszaki és gazdasági szempontból fontos a modulok nagy fajlagos felülete. A visszatartandó szilárdanyagokat el kell távolítani a modulból, azaz a modulnak könnyen öblíthetőnek kell lennie, ami a fajlagos felülettel nehezen összeegyeztethető. Bizonyos esetekben a koncentrációnak illetve a hőmérsékletnek a polarizációs hatása döntő szereppel bír, és a permeátum áramlását drasztikusan csökkentheti, turbulenciával csökkenthetők ezek a polarizásciós hatások, ám a turbulencia növeli a nyomásveszteséget.

153

6.1.3.62. ábra: Membránmodulok elvi felépítése A modulokkal szemben támasztott követelmények:        

egyenletes átáramlás a membránon mechanikai, kémiai, termikus stabilitás nagy térfogati sűrűség magas szilárd anyag terhelhetőség kis költségigény jó tisztíthatóság kis nyomásveszteség könnyen és gyorsan cserélhető membránt tartalmazzon.

A modulok alapvetően két fő osztályba sorolhatók, és több építési módja különböztethető meg (6.1.3.63. ábra).

6.1.3.63. ábra: Modul kialakítások Csőmembrán (6.1.3.64. ábra) modulokban a membránokat 12-20mm átmérőjű hordozócsövekben helyezik el. A csőmembrán modulok nagy előnye, hogy közel turbulens áramlás hozható létre, így nagy szárazanyag tartalmú és viszkózus folyadékok szűrésére is alkalmasak, könnyen tisztíthatók.. Hátrányuk viszont a kisebb fajlagos szűrőfelület, a nagy helyigény. Üreges szálas,, vagy kapillár modulok (6.1.3.64. ábra) a csőmembránoktól alapvetően a membráncsövek átmérőjében különböznek. Itt az átmérő 0,8-1,5 mm-ig változhat. További

154

különbség még, hogy ezek a modulok nem tartalmaznak tartó vagy hordozó réteget, hanem a speciálisan kialakított csőfal struktúrája adja a szükséges mechanikai stabilitást. A szálmembránok falvastagsága 120-180 m közötti érték és kb. 250-1000 db. alkot egy-egy modult. Ez az elrendezés ötvözi a spiráltekercs-, valamint a csőmodul előnyeit.

6.1.3.64. ábra: A cső és kapillár modulok felépítése

6.1.3.4. táblázat: Csőmodulok ismertetőjegyei

6.1.3.5. táblázat: A kapillár – és üregszálmodulok előnyei, hátrányai és alkalmazási területei

155

6.1.3.6. táblázat: Modultípusok különbségei a tömlőmembránokhoz képest Lapmembránok (6.1.3.65. ábra): A méretre és formára szabott membrán lapokat porózus lapok és távtartók választják el egymástól. Ezek különleges bordázata és kiképzése teszi lehetővé az optimális áramlási viszonyok kialakítását. A lapmembránok előnye, hogy viszonylag kis térfogatba nagy membránfelület építhető be, hátrányuk viszont az, hogy nagy szárazanyag-, ill. kolloid terhelés esetén a megfelelő áramlási viszonyokat nehéz tartani, a membránok eltömődésre hajlamosak. Ez a konstrukció mind a keresztáramú (cross-flow), mind a hagyományos (dead-end) szűréshez alkalmas.

6.1.3.65. ábra: Lap (lemez), és a párnamodul sémája

6.1.3.7. táblázat: A lap (lemez) modulok előnyei, hátrányai és alkalmazási területei

156

6.1.3.8. táblázat: A párnamodulok előnyei, hátrányai és alkalmazási területei Spiráltekercs (csiga) modulok (66. ábra): a lapmembránoknak, a nagyobb fajlagos szűrőfelület elérése érdekében, továbbfejlesztett változati. A modulok ugyanis a síkmembránokat és a közéjük helyezett távtartó és szűrletelvezető rétegeket egy perforált cső köré tekerik fel. A szűrendő anyagot a tekercs egyik végén táplálják be, a szűrletet a perforált csövön, a sűrítmény a tekercs másik végén távozik. Mivel a konstrukció relatíve nagy keresztáramú áramlási sebesség kialakulását teszi lehetővé, ezért a membránok eltömődési hajlama közepes.

6.1.3.66. ábra Csiga modul (spirál) felépítése

6.1.3. 9. Táblázat: Csigamodulok előnyei, hátrányai és alkalmazási területei

157

A membránszűrési eljárásokat ma már nagyon széles körben alkalmazzák a környezetvédelemben illetve ipai technológiákban, amelyek röviden az alábbiakban foglalható össze:  Kommunális szennyvíztisztítás, ivóvíz előállítás során szilárd szennyezők eltávolítására, csírátlanításra, oldott, kis koncentrációjú, egészségre veszélyes szerves anyagok leválasztására, előtisztítás a fordított ozmózis alkalmazhatóságához, kicsapatott, nagyon finom szemcseméretű anyagok (foszfátok, arzén stb.) leválasztására.  Csurgalékvizek hatásos kezelésére, szükség szerint biológiai tisztítási folyamattal kombinálva.  O/V emulzió koncentrálására, tisztavíz kinyerésére, zsírtalanító fürdők kezelésére  Gyógyszergyártási részfolyamatként,  Élelmiszeripari hasznosítás a koncentrátumok előállítására, borszűrés, stb.  Iszapsűrítésre Természetes, hogy az alkalmazás a kutatómunkák eredményeként folyamatosan bővülnek. A membránszűrés ma már nélkülözhetetlennek mondható, hisz annak segítségével lehetséges az embereket tiszta, egészséges ivóvízzel ellátni. Az alkalmazandó membrán és modul kiválasztását mindig a szűrendő szuszpenzió, oldat jellemzői, valamint az elérendő cél határozza meg.

158

159