A Mechanikai Eljárástechnika Kutatása az Intézetünkben Faitli József1 – Gombkötő Imre2 – Mucsi Gábor3 – Nagy Sándor4 egy. docens – 2egy. adjunktus – 3egy. tanársegéd – 4tansz. mérnök
1
ME, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet
[email protected] Összefoglaló: A mechanikai eljárástechnika az anyagok mechanikai hatásokkal történő átalakításával foglalkozik, a fő részei a keverés és szétválasztás ill. az aprítás és darabosítás. Az elmúlt 10 év során az Intézetünkben számos új eredmény született e téren, mint pl. a pálcás – lamellás zagysűrítő, a paszta technológia kialakítása, új őrölhetőség vizsgálati eszközök és módszerek bevezetése ill. az újrahasznosítás érdekében kifejlesztett eszközök, mint pl. az örvénycső és a magnetohidrosztatikus szeparátor.
Hidromechanizáció A mechanikai eljárástechnika fontos része a többfázisú durva diszperz rendszerek vizsgálata. Az Intézetünknek a megalakulása óta ez fontos kutatási területe, az elmúlt 10 év során, pedig számos kutatás a gyakorlati megvalósításig jutott. Hazánkban a hidraulikus szállítás legnagyobb alkalmazása az erőműi salak – pernye csővezetékben való kiszállítása a zagytérre, a hidraulikus- homok – kavics bányászat ill. iszapkotrás. Az iskolateremtő kutatásokat Tarján és Debreczeni (1) kezdte az Intézetben (akkor Eljárástechnikai Tanszék), amikor szisztematikusan vizsgálták a szemcseméretnek a csőben áramló zagy nyomásveszteségére és az áramlás jellegére gyakorolt hatását. A Mátrai Erőműből származó pernyével 1996 – 98 során elvégzett vizsgálatok jelentős eredménye volt Tarján – Faitli: finom szuszpenzió - durva keverékáramlás modellje (2). A modell alapján méretezett hidraulikus szállító rendszer ma is üzemel, sőt az akkor kialakított eszközök, a csőviszkoziméter és
a hidraulikus mérőkör ill. a modell szerinti mérési protokoll alapján jelenleg is végzünk vizsgálatokat, többek között gyöngyösoroszi anyagokkal a volt cink bánya hidraulikus tömedékelésével kapcsolatban. Jelentősebb vizsgálatok voltak az Indiából, ill. Észtországból ideszállított legalább 1 – 1 t mintákkal elvégzett kísérletek. Amikor szemcsés anyagot vízzel keverünk össze és az elkészített zagyot szivattyúval csővezetékben szállítjuk, alapvetően kétféle áramlási típust kell megkülönböztetnünk: egy meghatározható határ szemcseméretnél finomabb szemcsék, un. finom szuszpenzióáramlásban, míg a határszemcsénél durvább szemek durva keverékáramlásban szállíthatók. Az osztályozás alapja a szemcseméret, nem a koncentrációeloszlás. Amikor szélesebb méret spektrumban vannak jelen a szemcsék akkor durva keverékáramlás valósul meg a finom szuszpenzióáramlásban, azaz a határszemcseméretnél finomabb szemcsék egy finom szuszpenziót képeznek és ez lesz az új hordozó közeg a tiszta folyadék helyett, ami a durva szemcséket szállítja. A modell a szemcsemozgás egy speciális jelenségére is magyarázatot ad, amikor egészen nagy szemcsék mozognak finom szemcsékből és vízből készített finom szuszpenzióban. Ilyenkor, az egy durva szemcse süllyedési sebességét úgy számíthatjuk, mintha az egy egyfázisú tiszta közegben süllyedne, - ez a finom szuszpenzió - csak megváltozott reológiával és sűrűséggel. A modell magyarázatára a következő hipotézist állítottuk fel. A tipikus üzemi viszonyok melletti turbulens áramlásban a szállító cső fala mentén lamináris határréteg alakul ki. A faltörvény miatt a csőfallal érintkező molekularéteg sebessége megegyezik a fal sebességével, azaz zérus, majd a lamináris határrétegben nagy sebesség gradiens mellett növekszik. A lamináris, erősen nyírt határrétegben lévő nagy sebesség gradiens, nagy csúsztató feszültség gradienst is jelent,
ami a fal menti maximális nyíró feszültség (w) értéktől a sugárral ellentétes irányban csökken, általában a középpontban 0ra, de pl. Bingham – plasztikus folyadékok esetén (o)-ra. Az eltérő szilárd – folyadék áramlási jelleg attól függ, hogy az adott szemcse belefér - e a határrétegbe. Amikor a durva szemcse közel kerül a falhoz, a falhoz közeli végénél az áramló folyadék sebessége kicsi és nagy a nyíró feszültség, míg a faltól távolabbi végénél nagy a sebesség és kicsi a nyíró feszültség. Ez a jelenség a faltól eltaszító erőt eredményez a szemcsére. Minél nagyobb az átlagsebesség a csőben, annál nagyobb a sebesség - és a nyíró feszültség gradiens, ill. a nagyságaik is, azaz annál nagyobb a szemcsét a faltól eltaszító erő. Ez magyarázza azt a számtalanszor mért tényt, hogy durva szemcséket csővezetékben folyadékárammal szállítva, nagy sebességek esetén a nyomásveszteség görbe a tiszta folyadék nyomásveszteségéhez tart, azaz mintha a szemcsék ott sem lennének. Kisebb sebességek esetén ez a faltól eltaszító erő kisebb, így nem tudja megakadályozni a durva szemcsék leülepedését és mechanikai súrlódását a fallal, kisebb sebességeknél a durva keverékáramlás nyomásvesztesége megnő. A finom szemcsék beleférnek a határrétegbe és a méretüknél fogva a sebesség – és nyíró feszültség gradiens miatti sebesség és feszültség különbség a cső közeli és távolabbi végük között is sokkal kisebb, ezért a faltól eltaszító erő is minimális. A lamináris határrétegben lévő szemcsék megváltoztatják a folyadék reológiáját és úgy viselkednek ezek a finom szuszpenziók, mintha önálló egyfázisú folyadékok lennének saját sűrűséggel és folyási viselkedéssel és a nyomásveszteség görbéjük alakja is megegyezik a tiszta folyadékokéval, csak a nagyobb viszkozitás (vagy nem – Newtoni folyási viselkedés) miatt nagyobb meredekséggel. Ezért nagy sebességeknél a nyomásveszteség is nagy.
A finom szuszpenzió áramlási veszteségét az adott koncentrációjú szuszpenzió megmért folyási viselkedése (csőviszkoziméter) alapján számítjuk. Az általunk vizsgált anyagok pl. szénerőműi pernyék, a gyöngyösoroszi meddők jellemzően 20 térfogat % koncentráció felett Bingham – plasztikussá válnak. Annak ellenére, hogy nagy koncentrációban a vizsgált pernyék és a gyöngyösoroszi meddő is Bingham – plasztikus reológiájú, a csőből kifolyva egészen másképp viselkednek. A gyöngyösoroszi meddő kb. 45 térfogat % koncentráció felett paszta állagú, azaz a roskadási teszten „nem roskad” össze, míg az extrém nagy koncentrációjú pernye – víz keverékek szétfolynak. A durva szemcsék jelenléte okozta járulékos veszteség az általánosított Durand egyenlettel számítható: sd f p p f 1 CTd f
n
gD 1 K o v C 0,75 E
sd f f
Az ebben szereplő Ko és n, anyagi paramétereket a hidraulikus mérőkörön kell félüzemi mérésekkel meghatározni az adott anyagra.
Iszapsűrítés, a pálcás - lamellás zagysűrítő Az élővizekben a folyamatosan végbemenő mechanikai, biológiai, kémiai, stb. folyamatok eredményeképp finom szemcsés iszap keletkezik, amely akkumulálódik és rontja az élővíz minőségét. A Balaton esetében kb. 1,5 milliárd m3 felgyűlt iszap veszélyezteti közvetve az emberek, és az élővilág életét ill. jelentősen csökkenti a tó idegenforgalmi vonzerejét. A felgyűlt iszapot időnként el kell távolítani. Az iszapkotrás technológiája, mind a mechanikus és a hidraulikus technológia -, már jól kidolgozott, azonban a jelenleg alkalmazott eljárások közös jellemzője, hogy nincs technológiai zagysűrítés, a kitermelt kis szárazanyag-tartalmú iszapot zagytérre juttatják, amely
víztartalma hosszú idő alatt csökken le. A nagyon finom szemcséket tartalmazó iszap, adalékanyagok nélküli sűrítése igen nehéz feladat. Az élővizek védelme érdekében az alkalmazható adalékanyagok, flokkuláló szerek használata erősen korlátozott, gyakorlatilag kizárt. A technológiai iszapsűrítés megoldása mind gazdasági (nem kell a víz nagy részét a partra szállítani) és az iszap hasznosíthatósága szempontjából is jelentős előnyökkel jár. A feladat megoldása érdekében az „Élővizek iszap-mentesítése hidromechanizációval, komplex iszapkezelés. 3A/068/2004” projekt keretében szisztematikus kutatómunkát végeztünk. A vizsgálatok kiinduló pontja az az ismert jelenség volt, hogy vibráció alkalmazásával a szuszpenziók ülepedése és tömörödése befolyásolható. Ezért automatizált ülepítő hengert (45 l) építettünk, amelyben különféle méretű, alakú és számú pálcákat vibráltattunk, miközben változtattuk a vibráció és a szuszpenzió paramétereit, ill. számítógépes mérésadatgyűjtő segítségével mértük az ülepedő szuszpenzió magasságát az idő függvényében. Az alapvizsgálatokat először referencia anyaggal (üveghomok), majd különféle élővízi iszapokkal is elvégeztük. Az alapvizsgálatok eredményei alapján fejlesztettük ki az un. pálcás – lamellás zagysűrítőt. Az alapkísérletek során megállapítottuk, hogy megfelelő pálcarendszerrel és vibrációs paraméterek mellett az ülepedés minden tartományában, - akár 10 – 40 % - al is -, gyorsítható az ülepedés. Nem megfelelő paraméterek esetén a vibráció nincs hatással az ülepedésre, vagy akár keverés is kialakulhat. Kis kiindulási koncentrációk esetén, az ülepedés kezdetekor, a szabad ülepedés tartományában csak kis mértékben lehet az ülepedést vibrációval elősegíteni, az optimális paraméterek beállítása nagyon nehéz. Érdekes, hogy a kisebb szemcsenagyság tartományban nagyobb növekedés érhető el. Megállapítottuk, hogy a hátráltatott ülepedés tartományában (a kialakuló nagyobb koncentráció miatt a gyorsabban ülepedő szemcsék mozgását hátráltatják a lassabb szemcsék) nagyobb
koncentrációk esetén egyre nagyobb mértékben lehet az ülepedést elősegíteni. Az ülepedés utolsó szakaszában a kompressziós pont utáni tömörödés tartományában a vibrált pálcák segítségével lényegesen megnövelhető a kialakuló maximális koncentráció. Mindezek alapján a pálcás – lamellás zagysűrítő kialakítása a következő elvek szerint történt. A vibrált pálcarendszert a hátráltatott ülepedés tartományában kell alkalmazni, azonban ehhez a pálcákhoz geometriailag illeszthető elősűrítőt kell beiktatni. I. Lamellás elősűrítő I/1 Elősűrítő tartály I/2 Feladó tartályok I/3 Bevezető nyílások I/4 Lamellák I/5 Túlfolyó I/6 Áramlásmérő II. Vibrált pálcás egység II/1 A pálcák tartálya II/2 Főtengely II/3 Pálcarendszer II/4 Fedő II/5 Csapágyazás II/6 Rugó III. Szállító csiga egység III/1 Csiga III/2 Szabályozható szelep III/3 Nyomásérzékelő
1. ábra: A pálcás – lamellás zagysűrítő Elősűrítőként, célszerűen átalakított lamellás sűrítőt alkalmaztunk. A lamellás sűrítőknél az ülepedés úthosszát csökkentjük le. Azért, hogy az elősűrített zagy teljes keresztmetszetben a vibrált pálcás iszaptömörítő egységbe kerülhessen, a lamellás sűrítő kialakítását úgy módosítottuk, hogy két oldalról, két külön tartályból, alakos nyílásokon keresztül jut az iszap a lamellákra. Az elősűrített, majd tovább ülepített és tömörödő iszapot mechanikusan kell a sűrítőből eltávolítani, szabad kifolyás, vagy szivattyú, ilyen nagy
koncentrációk esetén már nem alkalmazható. Mechanikus kihordó szerkezetként szállító csigát alkalmaztunk, amely kifolyásához állítható nyitási-nyomású szelepet kell beépíteni, amelyet úgy kell beállítani, hogy a vízzel feltöltött tartály esetén még ne nyisson ki. A tartályban lévő összes szilárd anyag mennyiségének a mérésére holttér nélküli túlnyomás távadót alkalmaztunk, amelyet a tartály aljára kell beépíteni. Kritikus a berendezés megfelelő szabályozása, amely azt jelenti, hogy a szabályozott feladás mellett érzékeljük a tartályban kialakuló koncentrációt, majd ezek függvényében szabályozzuk a tömörített zagy kihordását. A pálcás – lamellás zagysűrítő beépítésével komplett üzemi méretű (Kapacitás: 40 m3/h zagy, 5 térfogat % feladás, sűrített iszap: 70 tömeg %, 2,5 t/h száraz anyagáram, sűrítő teljesítménye: 7 kW) iszapmentesítő technológiát építettünk, amely fő részei a hidraulikus kotróhajót követően a 12 m3-es homogenizáló tartály, a zagyszivattyú, a hidrociklon és a pálcás – lamellás zagysűrítő. A technológia beüzemelését és a félüzemi kísérleteket a Nyékládházi Kavicsbánya mosott iszap retúrcsatornája mellett végeztük el, ahol a csatornában folyó kb. 1 … 2 térfogat %-ban finom iszapot (90 % < 125 m) tartalmazó szuszpenziót vezettük a rendszerre és a sikeres próbaüzem alatt 48 térfogat % sűrített iszapot sikerült előállítani.
Reaktív permeábilis gátak. A talaj és talajvízszennyezés várhatóan a légszennyezéshez és a hulladékkezeléshez hasonló környezetvédelmi problémává válik a közeljövőben a fejlett országokban. A légszennyezés megakadályozására a törvényi szabályozás már elég fejlett az Európai Unióban. Az ivóvíz minőségének jelentőségét is hamar felismerték, a talaj és talajvíz minőségének megőrzése érdekében azonban még a mai napig nem hoztak jelentős irányelveket. A Talajvédelmi Törvényt és a vonatkozó rendeleteket 1998-1999-
ben tárgyalták Németországban. Számos technikai megoldás használható a szennyezett talaj tisztítására, mint a talajvízszennyezés alapvető forrására, pl. a kitermelés és talajmosás, termikus kezelés, szilárdítás és stabilizáció. Azonban, ezen technológiáknak hatalmas az energiaigényük és nem ritkán további környezetvédelmi problémákhoz vezet a használatuk. A talaj és talajvíztisztítás területén igény van egy gazdaságos és hatékony eljárásra. A Permeábilis Reaktív Gát (PRB) rendszerek talajvíztisztításra való felhasználása, új és innovatív módszer. Kevés számú létező, valóban telepített ilyen elven működő rendszer létezik, és az ezekből kapott információ korlátozott. Jelenleg még nem tisztázott, hogy pontosan mennyire alkalmasak a reaktív falak talajvíztisztításra, és keveset tudunk ezek hosszú távú működéséről is, azonban a PRB rendszerek ígéretes új, hatékony talajvíz-tisztítási eljárásnak látszanak, főleg olyan területeken, ahol a hagyományos „Pump & Treat” módszerek nem használhatóak sikeresen, pl. ahol a szennyező-forrásból lassan kimosódó nehézfémek, heterogén üledékek szennyezői, különböző alacsony bio - elérhetőségű szerves anyagok. A Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kara részt vett egy nemzetközi, az Európai Unió 5. keretprogramja által támogatott PEREBAR nevű kutatási projektben, melynek fő célja a PRB rendszerek hosszú távú viselkedésének megfigyelése és becslése, a célszennyező nehézfémekkel, kiváltképp urán vegyületekkel lejátszódó kicsapatási/szorpciós mechanizmusokra fókuszálva. A kutatás eredményei azt mutatták, hogy a PRB rendszerek kapacitása és hatékonysága jelentősen függ az alkalmazott reaktív anyag hidraulikai tulajdonságaitól és a talajvíz kémiai összetételétől. Bizonyítottuk, hogy a vas és alkáli földfém sók kicsapódásával a talajvízből a reaktív fal pórusainak eltömődése és a hidraulikai tulajdonságok drasztikus romlása következik be,
amely folyamatokat a gát tervezésénél és kialakításánál is figyelembe kell venni, hiszen jelentős hatással van a gát várható élettartamára. Nehézfémek megkötésére elemi vas helyett hidroxi-apatit is használható, ahol nem mérhető hasonlóan drasztikus csapadékképződés, ezért a hidroxi-apatit alapú gátak hidraulikai tulajdonságai nem változnak drasztikusan az élettartamuk során. Kimutatható azonban, hogy a hidroxi- apatit nehézfémekre vonatkoztatott megkötő képessége jelentős mértékben korlátozott.
2. ábra: Csapadékkal telített pórusok és a kísérleti félüzemi gát modellje betöltés után
Zagytározók biztonsága A TAILSAFE program szintén az Európai Unió 5. keretprogramja által támogatott kutatási program volt, amelynek a célja a zagytározó létesítmények biztonságának a növelése volt. A zagytározó létesítmények esetén különösen oda kell figyelni a zagytározó gátaknak és a tározott zagynak a stabilitására, valamint figyelembe kell venni az ágazat specifikus kockázati tényezőket. A Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának kutatócsapata alapvetően a sűrűzagyos és un. paszta technológia alkalmazási lehetőségeinek kutatásával foglalkozott a projekt keretein belül. A projekt eredményei két fő területen foglalhatók össze. A sűrűzagyos- és paszta-technológia
elengedhetetlen része a megfelelő zagysűrítő berendezés. Az ásványelőkészítési meddők jelentős része kifejezetten finom szemcseméretű anyag, amelynek sűrítése, víztelenítése nehéz feladat. A projekt során kifejlesztettünk egy olyan számítógépi támogatású tervezői rendszert, amely a hagyományos "batch", vagy más néven ülepítő hengeres mérések alapján lehetővé teszi a zagysűrítő berendezések méretezését és tervezését. Az ülepedési görbére spline függvényt illesztve az ülepedési magasság és a koncentráció időbeli változása deriválható, az első és második deriváltakból a szükséges zagysűrítő jellemzői számíthatók. A folyamat megértéséhez automatizált ülepítőhengert fejlesztettünk, amely lehetővé teszi a zagysűrítők működésének pontosabb megértését azáltal, hogy az ülepedési zóna és az ülepedő zagy koncentráció eloszlása folyamatosan monitorozható. Az eredmények alapján, - adott esetben - a flokkuláló szerek adagolási mennyiségének jelentős csökkentését tudtuk elérni. A kutatási munka másik fontos irányvonala a paszta jellegű anyagok csővezetékben történő szállítása és üzemi paramétereinek meghatározása volt. Félüzemi méretű kísérleteket folytattunk a pasztaszállítás vizsgálatára átalakított hidraulikus mérőkörön, sikeresen megvalósítottuk a nagy, 48 – 52 térfogat % koncentrációjú zagyok csővezetékben történő szállítását. Meghatároztuk a nagy koncentráció hatását az egyes, eltérő elven működő szivattyú típusokra. A pernye – víz szuszpenziók jól szállíthatók voltak a forgólapátos és a membrán dugattyús szivattyúval, a gyöngyösoroszi meddőhöz viszont csak a csigaszivattyú volt alkalmas. Megállapítottuk, hogy a paszta szállítás tervezésére jól használható a korábbiakban ismertetett Tarján – Faitli: finom szuszpenzióáramlás modellje. Megállapítottuk, hogy pusztán a zagy nagy nyugalmi határfeszültsége (o) nem elegendő a paszta állapot
kialakulásához, mivel a pernye – víz és a gyöngyösoroszi meddő – víz szuszpenziók is Bingham – plasztikus viselkedésűek (C > 20 tf %) a csőviszkoziméterben és a rotációs viszkoziméterben mérve is, nagy o értékkel, viszont a pernye szétfolyik a roskadási teszten.
3. ábra: Paszta állapotú szuszpenzió ŐRÖLHETŐSÉGVIZSGÁLATI MÓDSZEREK Az őrlés az aprítás finom termékeket előállító fokozata, amellyel < 0,5 mm, leggyakrabban < 100 μm szemcséket állítunk elő, rendszerint > 5 mm-es szemcsékből. E műveletnek igen fontos szerepe van az érc- és ásványbányászat, a vegyipar, a gyógyszeripar, a cementipar és az ásvány-feldolgozóipar, élelmiszeripar és állati eledelgyártás, valamint biomassza- és a hulladékfeldolgozás területén is. Az aprítás, az őrlés – különösen a finom őrlés – nagyon energiaigényes folyamat, mely irodalmi adatok szerint a fejlett országok teljes energiafelhasználásnak 3-5 %-át teszi ki. Éppen ezért az őrlés fajlagos energiaszükségletének meghatározásának igen nagy gyakorlati jelentősége van. Ezzel kapcsolatosan a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete több évtizedes kutatási tapasztalattal rendelkezik, amelynek végeredményeként két laboratóriumi berendezést fejlesztett tovább.
(a) (b) 4.ábra: Az univerzális Bond- (a) és Hardgrove-malom (b) Az elvégzett vizsgálatok, kutatások során kifejlesztettük az Univerzális Bond- és Hardgrove malmokat, melyek egyaránt alkalmazhatók: - az őrölhetőség meghatározására az érc- és ásványbányászatban, az ásványfeldolgozó-iparban, a cementiparban, a hulladékfeldogozásban stb.; - az őrölhetőség különleges őrlési körülmények között - nedves, lúgos vagy savas közegben, 20…200 °C hőmérsékleten történő meghatározására; - változó, ill. tetszőleges feladási szemcseméretű anyagok őrölhetőségének vizsgálatára; - a fajlagos őrlési energia meghatározására (malom őrlőtestösszetétel, töltési fok, az osztályozó berendezés működése). A bauxitok őrölhetőségének vizsgálata során megállapítottuk, hogy az autogén szövet-fajtájú bauxitminták esetében jelentős őrölhetőség javulás – fajlagos őrlési energia csökkenés következett be 20 °C-os lúgban történő őrlés során a szárazon végzett őrléshez képest, mely javulás 60 °C-os lúgban történő őrléskor még ennél is nagyobb mértékű volt. Ugyanakkor a pelitomorf szerkezetű görög karszt bauxitoknál a szárazon
végzett őrléshez képest az őrölhetőség javulása 60 °C-os lúgban történő őrlés során is csak kismértékű volt. Az őrölhetőség-változás száraz Bond-munkaindex WiB , korr
WiB , száraz ki
korrekciójával vehető figyelembe, ahol a „k” (a bauxit-típustól és a hőmérséklettől függő) relatív őrölhetőség-változási korrekciós együttható.
PERNYEALAPÚ KÖTŐANYAG A 2004-2007 közötti időszakban dolgozta ki a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete a „Pernyebázisú kötőanyag előállítását szolgáló technológiai rendszer kifejlesztése” (GVOP-3.1.1.-2004-05-0113/3.0) c. projektet az Ipari Hulladékhasznosító Kht., a Közlekedéstudományi Intézet Kht. és a H-TPA Kft. konzorciumi partnerekkel közösen. A projekt célja a kis költségű, különösen az útépítés céljait szolgáló, minőséggarantált pernye-bázisú kötőanyag előállítása, amely lehetővé teszi a gazdaságosabb útpályaszerkezetek építését. A projekt tárgya : pernyebázisú kötőanyag-termékek előállítására alkalmas technológiai kidolgozása; az alkalmazandó eljárások kísérleti vizsgálatokkal történő szakmai-tudományos meglapozása; a fejlesztő munka eredményeként bevezetést és a szélesebb elterjedést szolgáló technológiai mintarendszer kialakítása.
5. ábra: Útépítés pernyealapú kötőanyagot felhasználva A kutatómunka során elkészítettük Magyarország pernye kataszterét és megvizsgáltuk négy hazai pernyehányó (Tiszaújváros, Tatabánya, Pécs, Ajka) fő eljárástechnikai tulajdonságait a hasznosítás szempontjából. Ezeken túlmenően megvalósítottuk a vizsgálatba vont savanyú és bázikus típusú pernyék puccolános aktivitásának őrléssel (mechanikai aktiválás) történő szabályozását. A különböző származású és előkészítettségű pernye tartalmú stabilizációs keverékek mechanikai jellemzőit (nyomó- és nyírószilárdság) is megállapítottuk, majd pedig a laboratóriumi kísérletek kiértékelését követően félüzemi méretű kísérleteket hajtottunk végre a pernye előkészítését illetően a tiszaújvárosi deponált pernyét felhasználva. Az így előállított 4,4 t pernye-Ca(OH)2 kötőanyagot felhasználva kísérleti útszakaszt építettünk 170 kg/m3-es kötőanyag adagolással, amelyet különböző mechanikai vizsgálatoknak tettünk ki. A mechanikailag aktivált pernyét tartalmazó kötőanyagbók készített próbatestek nyomószilárdsága jelentősen magasabbra adódott, mint a nyers (kezeletlen) pernyét tartalmazó próbatesteké. A kíséreti eredmények alapján megállapítható, hogy a pernyealapú kötőanyagok puccolános aktivitása és így a
belőle készült termékek szilárdsága is szabályozható mechanikai aktiválással, ezáltal a megfelelő előkészítésnek köszönhetően minőség-garantált hidraulikus kötőanyag állítható elő. Végezetül összevetettük a kapott laboratóriumi szilárdsági eredményeket a jelenleg aktuális útügyi előírásokban foglaltakkal, és megállapítottuk, hogy a 135 kg/m3 kötőanyagú keverék, amely megfelel a C1,5/2 szilárdsági osztálynak, alkalmas a pályaszerkezet védőrétegének kialakítására, míg a 170 kg/m3 kötőanyagú és a 205 kg/m3 kötőanyagú keveréket a pályaszerkezet alaprétegében lehet hasznosítani.
Elhasznált roncsautók feldolgozása Ma Magyarországon évente mintegy 120-130 ezer roncsautó és közel 140 ezer tonna elektronikai hulladék keletkezik. A kézi előbontást követően a roncsautókat a hazai 3 üzemben shredderezik, amelynek eredményeképp a fémfrakciók leválasztása megoldottnak tekinthető, azonban keletkezik egy nem-fémes anyagokat tartalmazó melléktermék, a shredder maradékanyag (könnyűfrakció), amely kevert műanyag, gumi, üveg, textil frakciókból és maradék fémből áll. Ez a vegyes frakció jelenleg szinte kizárólag hulladéklerakókba jut. Az elektronikai hulladékok esetén jelentős kapacitásokkal rendelkező üzem Dunaújvárosban, Jobbágyiban és Budapesten működik. Az elektronikai hulladékok méretben és anyag összetételben is jelentősen különböznek a roncsautókétól, műanyagtartalmuk is magasabb, így feldolgozásukból fajlagosan nagyobb mennyiségű maradékanyag keletkezik. A shredderezést követően a roncsautókból és az elektronikai hulladékból származó maradékanyag elérheti az akár 100 ezer tonnát, amely a hazai hulladéklerakókat terheli. Az Intézetben futó RECYTECH (NTP TECH_08) projekt célja éppen ezért olyan komplex újrahasznosítási technológia kifejlesztése, amely a maradékanyagok alkotóinak szétválasztását lehetővé teszi. Az
így leválasztott alkotók első lépésben, anyagukban hasznosíthatók. Az anyagában gazdaságosan nem feldolgozható szerves frakciók hasznosítására pirolizáló-technológiát alakítunk ki, hogy a végtermékként előálló olajszármazékok az olajtársaságok számára továbbhasznosíthatóak legyenek. Az Intézet a projekt során a maradékanyagokat eljárástechnikai elemzésnek vetette alá (szemcseméreteloszlás, sűrűségeloszlás és anyagi összetétel). Az elemzések alapján technológiát dolgoztunk ki a maradékanyagok szétválasztására. A technológiák szétválasztó berendezései a légáramkészülék, örvénycső, magnetohidrosztatikus szeparátor, örvényáramú szeparátor, felsőszalagos mágneses szeparátor, légszér, nedves szér, és statikus kád. Az örvénycsőben történő szétválasztás alapja: ha egy testet a nála nagyobb sűrűségű közegbe helyezünk, az a folyadék felszínére felúszik. Ha a gravitációs erő helyett centrifugális erőt alkalmazunk –ahogy az örvénycső esetén is- akkor a folyamat hamarabb lejátszódik, és kisebb szemcsékre is alkalmazható lesz a berendezés. Az intézeti berendezést 1…10 mm-es szemcsékre terveztük. A berendezés 300…400 mm hosszú, belső átmérője 50 mm. Az első kísérletsorozatnál, szétválasztó közegnek kalciumklorid vizes oldatát és desztillált vizet használtunk, a modell anyag amelyet szétválasztottunk üvegszál erősítésű PA6 (1,34 kg/dm3) valamint üvegszál erősítésű Polli-olefin származék (1,12 kg/dm3) volt, ezek szemcsemérete 4 mm, alakjuk pedig jól közelíti a gömböt. Az elvégzett kísérletek értékeléséhez az egyes alkotók kihozatali görbéit tudjuk felhasználni. Ha a termékek összetételét megvizsgáljuk, nyilvánvaló, hogy akkor beszélhetünk tökéletes szétválasztásról, ha az adott termékek (könnyű, nehéz) nem tartalmazzák a másik termékbe tartozó szemcséket. Nem tökéletes szétválasztás esetén, pedig az egyes termékekben a másik termékbe való szemcsék tömegaránya
határozza meg a szétválasztás élességét. A kihozatali görbe sűrűség szerinti intervalluma (szélessége) határozza meg, hogy milyen mértékű sűrűség különbséggel kell rendelkezniük a szétválasztandó szemcséknek ahhoz, hogy jól szétválaszthatóak legyenek egymástól. Esetünkben ez jellemzően 0,1 és 0,2 kg/dm3-t jelent, amelynél kisebb sűrűség különbség esetén nem kerülhető el legalább az egyik termék elszennyeződése, ráadásul a tiszta termék alkotórész kihozatala is csökken. szemcse sûrûség: 1,12 kg/dm3 szemcse sûrûség: 1,34 kg/dm3
Alkotórész kihozatal a könnyû termékben, k
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Elválasztási sûrûség, [kg/dm3]
6. ábra: Örvénycső és kihozatali görbéi A paramágneses anyagok levegőben nem mágnesezhetők, azaz az állandó mágnes nem vonzza őket. Azonban, ha inhomogén mágneses térben (a mágneses erővonalak sűrűsége változó) nagyobb mágneses szuszceptibilitású közegbe helyezünk egy paramágneses szemcsét, akkor a közeg mintegy kiszorítja magából ezt a szemesét, a szemcsére a ritkuló erővonalak irányába mutató mágneses erő hat, hasonlóképp, mint a nehézségi erőtérben a kisebb sűrűségű közegbe helyezett nagyobb sűrűségű szemcsére ható felhajtó erő. Ez az un. magneto-hidrosztatikus jelenség (MHS). Az Intézetben kifejlesztett MHS szeparátor esetén az inhomogén mágneses tér
előállítására egy nagyméretű
vasmag és két nagyméretű formájú, ahol az O felső
résben a mágneses erővonalaknak a levegőn keresztül kell záródniuk, ahol kisebb a rés ott sűrűsödnek az erővonalak. Az elkészített kísérleti berendezést elsősorban a különféle paramágneses anyagok sűrűség szerinti analízisére kívánjuk felhasználni, ezért izodinamikus - inhomogén mágneses térre van szükségünk, ami azt jelenti, hogy a mágneses erővonal sűrűség változása (gradH) állandó. Ehhez a résnek l/x, azaz hiperbolikus alakúnak kell lennie.
7. ábra: A magnetohidrosztatikus szeparátor elvi vázlata A berendezésben a mágneses tér ereje eléri az 1,2 T-t. A jelenlegi konfiguráció mellett a műanyagból kialakított szétválasztó csatornák belső szélessége 20 mm, így kb. max. 6 mm-es szemnagyságig használható a készülék. Centrifugális zagyszivattyú szállítja zárt körfolyamban a mágneses folyadékot és a szemcséket a szétválasztó csatornába. A szétválasztási kísérletek során Maxxam C30 H-V2 UV Natural Tp mágneses folyadékot használtunk, hígítás nélkül. A folyadék sűrűsége 0,92 kg/dm3. Az alapkísérletek során monodiszperz szemcséket használtunk szétválasztandó anyagnak (2,2 kg/dm3 sűrűségű, 5 mm átmérőjű műanyag golyók ill. 2,7 kg/dm3 sűrűségű alumínium hengerek (D=5 mm, L=6 mm)). Első lépésben mágneses tér nélkül meghatároztuk azt a maximális sebességet, amikor még az összes szemcse az alsó termékbe kerül, majd
ezután a mágneses tér bekapcsolásával és fokozatos növelésével elértük, - hogy adott esetben - már az összes szemcse a felső termékbe került. Ezzel kalibráltuk a berendezést a későbbi valódi shredder maradványanyagokkal elvégzendő tesztekhez. Megfigyeltük azt a jelenséget, hogy az erős mágneses tér jelentős erőt fejt ki a mágneses folyadékra, így a rugalmas karakterisztikájú forgólapátos szivattyú kisebb térfogatáramú közeget képes szállítani adott fordulatszámon. Egy másik kísérlet sorozatban mágneses folyadékkal megtöltött kémcsövet helyeztünk a pólusok közé (ekkor a szétválasztó csatornát eltávolítottuk a pólusok közül). Különböző sűrűségű szemcséket helyeztünk a kémcsőbe, és az áramerősség és a szemcse magassági pozíciója közti összefüggést vizsgáltuk. szemcse műanyag, 1.5 kg/dm3
műanyag lövedék 2.2 kg/dm3
ötvözött réz 8.53 kg/dm3
Áram I. [A] 1,5 > 1.5
Magasság [mm] 120 120
<3 3,1 3,2 3,3 3,4 4,2 12,6 20
0 90 95 100 115 120 0 0
szemcse Al-szemcse 2.7 kg/dm
kerámia 3.37 kg/dm3
Áram I. [A] 4,2 4,3 4,4 4,2 5,2 5,8 7,4 10 6,1 6,8 7,5 8,6 9,3 9,8
Magasság [mm] 5 85 90 95 110 120 120 120 0 90 100 110 115 120
HIVATKOZÁSOK 1. Tarján I. – Debreczeni E.: A hidraulikus szállítás és hidromechanizáció vizsgálata és bányászati alkalmazása. Akadémiai Doktori Értekezés. Miskolc. 1989. 2. Tarján, I. – Faitli, J.: ”Distinction of Fine Suspension Flow from Coarse Mixture Flow by Measuring the Pressure Loss in a Horizontal Pipe” In: Lakatos I (ed.) Challenges of an Interdisciplinary Science. (Progress in Mining
and Oilfield Chemistry; Vol. 1.) Budapest: Akadémiai Kiadó - Elsevier Science Publishers, 1999. pp. 285-292. 3. Mucsi, G., Csőke, B., Gál, A., Szabó, M.: Mechanical activation of lignite fly ash and brown coal fly ash and their use as constituents in binders. Cement International No. 4/2009 Vol7., ISSN 1610-6199 pp. 76-85. 4. Mucsi, G.: Fast test method for the determination of the grindability of fine materials. ELSEVIER, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 86/4 (2008) ISSN: 0263-8762 pp. 395-400. 5. Csőke, B., Mucsi, G., Opoczky, L., Gável, V.: Modifying the hydraulic activity of power station fly ash by grinding Cement International No. 6/2007. Vol. 5. ISSN 1610-6199 pp. 86-93.
