DE NAYER INSTITUUT DEPARTEMENT INDUSTRIËLE WETENSCHAPPEN OPLEIDING CHEMIE MINOR CHEMISCHE PROCESTECHNOLOGIE
Technisch project: Verwijdering van styreen uit afgassen door middel van biofiltratie
Academiejaar: 2004-2005 Studiejaar: 3 CP Docenten: Dr. ir. K. Smolders Ing. J. Vervoort
Door: Gunther Switsers Sven Van Kelst Bert Vrebos
2
Inhoudsopgave 1
Inleiding..............................................................................................................................3
2
Literatuurstudie...................................................................................................................4 2.1
Polyesterproductie ......................................................................................................4
2.2
Styreen ........................................................................................................................5
2.2.1
Eigenschappen ....................................................................................................5
2.2.2
Meten van styreen...............................................................................................6
2.3
De biofilter..................................................................................................................7
2.3.1
Principe...............................................................................................................7
2.3.2
Uitvoeringsvormen .............................................................................................7
2.3.3
Werkingsparameters ...........................................................................................9
2.3.4
Ontwerpparameters...........................................................................................10
2.3.5
Voor- en nadelen van biofiltratie......................................................................10
3
Karakterisatie van de luchtstroom en de biofilter bij Vosschemie...................................11
4
De proefopstelling ............................................................................................................13
5
4.1
Ontwerp ....................................................................................................................13
4.2
Validatie ...................................................................................................................15
4.3
Reële situatie.............................................................................................................15
Experimenten....................................................................................................................16 5.1
Werkwijze.................................................................................................................16
5.2
Experiment 1: bepaling van het verwijderingsrendement ........................................16
5.3
Experiment 2: invloed van de contacttijd .................................................................17
5.4
Experiment 3: absorptie............................................................................................17
6
Besluiten ...........................................................................................................................18
7
Bibliografie.......................................................................................................................19
3
1 Inleiding Vosschemie polyester De Moor, gevestigd te Lier, is een bedrijf waar allerlei producten uit glasvezelversterkte polyester worden vervaardigd. Enkele voorbeelden van afgewerkte toepassingen zijn: wielkasten voor vrachtwagens, bescherm- en afdekkappen, zwembaden, .... Bij de productie van polyester worden grote hoeveelheden styreen gebruikt. Styreen wordt immers gebruikt als solvent waarin het polyester wordt opgelost. Slechts een fractie van deze overmaat styreen zal dienst doen als crosslinker ter vorming van het polyesterhars. De resterende fractie zal, vanwege zijn hoge vluchtigheid, verdampen (tot 75%) en in de arbeidsruimte terechtkomen. Dit is echter niet zonder gevaar voor de werknemers: styreen is namelijk ‘vermoedelijk kankerverwekkend’. Omwille van deze gezondheidsrisico’s worden er wettelijke eisen opgelegd omtrent de arbeidsvoorwaarden en de emissie van styreen. De gezondheid van de arbeiders wordt beschermd door de styreendampen tijdens de werkzaamheden af te zuigen. Dit gebeurt bij Vosschemie plaatselijk door de cabine waarin het polyesterspuiten plaatsvindt, te ventileren. De afgezogen dampen worden bij Vosschemie uiteindelijk naar een biofilter geleid. Hierin worden micro-organismen geacht het styreen om te zetten in CO2, H2O en biomassa. De biofilter wordt dus gebruikt als end-of-pipe-oplossing om aan de wettelijk bepaalde milieunormen te voldoen. Dit technisch project heeft tot doel een studie te maken van de verwijdering van styreen door middel van biofiltratie. Vooreerst zal aan de hand van een literatuurstudie inzicht gebracht worden in dit onderwerp. Op basis van literatuurgegevens wordt vervolgens een proefopstelling ontworpen en gebouwd, waarmee via experimenten de verwijderingsefficiëntie bestudeerd zal worden. Uitgaande van deze informatie zal de werking van de bestaande biofilter bij Vosschemie geëvalueerd worden, en zullen voorstellen geformuleerd worden voor de optimalisatie van de biofilter.
Figuur 1: Biofilter bij Vosschemie
4
2 Literatuurstudie 2.1 Polyesterproductie De polyesters die bij Vosschemie worden geproduceerd, ontstaan door condensatie van een onverzadigd dicarbonzuur en een diol:
Figuur 2: Polymerisatie
De gevormde polymeerketen wordt onder invloed van een initiator (peroxide of UV-licht) door middel van styreen verbonden met andere polymeerketens. Styreen heeft hierbij de functie van crosslinker en zorgt ervoor dat het materiaal zijn harde eigenschap krijgt:
Figuur 3: Crosslinking
In de praktijk wordt glasvezelversterkte polyester vervaardigd door eerst glasvezels op een mal aan te brengen. Dit kunnen op maat gesneden glasvezelmatten zijn of vermalen glasvezels. Vervolgens wordt het polyesterhars door de arbeiders op de mal aangebracht. Het aanbrengen kan handmatig gebeuren door middel van een borstel en een rolletje (hand lay-up methode) of door middel van een spuitpistool (spray-up techniek). De spuittechniek wordt omwille van economische redenen (minder productverlies) het meest toegepast. Verder dient het aangebrachte hars uitgehard te worden. Voor de uitharding van styreen moet men onderscheid maken tussen 1-componenthars of 2componentenhars. Bij 1-componenthars gebeurt de uitharding van het product door UVstraling (365-420 nm), terwijl bij 2-componentenhars een extra harder is toegevoegd. Een uitharding in een gesloten mal onder vacuüm behoort ook tot de mogelijkheden. Dit levert high-tech producten op maar wordt omwille van de hoge kosten slechts weinig toegepast. Tot slot wordt een gelcoat gebruikt om het product af te werken. Dit is een gladde, niet versterkte polyester die de buitenkant van een versterkt vormstuk uitmaakt zodat verdere afwerking overbodig is.
5
2.2 Styreen 2.2.1 Eigenschappen Styreen heeft als brutoformule C8H8 ofwel C6H5CH=CH2, en heeft de volgende structuur:
Synoniemen voor styreen zijn vinylbenzeen, fenylethyleen of ethenylbenzeen. Styreen komt voor als een kleurloze tot gele, olieachtige vloeistof en heeft een hoge vluchtigheid onder gewone atmosferische omstandigheden. Reeds bij zeer lage concentraties wordt de geur van styreen waargenomen. In Tabel 1 zijn de belangrijkste fysische eigenschappen van styreen weergegeven: Tabel 1: Fysische eigenschappen van styreen
Eigenschap Oplosbaarheid in water bij 25 °C Relatieve dampdichtheid t.o.v. lucht Relatieve dichtheid t.o.v. water Kookpunt Smeltpunt Molecuulmassa Viscositeit bij 25 °C Vlampunt Zelfontbrandingstemperatuur Explosiegrenzen styreen in de lucht Dampspanning bij 25 °C
Waarde 0,3 3,6 0,9 145 -30,6 104,1 0,7 31 490 0,9-6,8 8,6
Eenheid g/l °C °C g/mol mPa.s °C °C vol% mm Hg
De meeste onderzoekers zijn het er over eens dat styreen in water biologisch afbreekbaar is. Wat betreft de mate waarin dit mogelijk is, lopen de bevindingen echter sterk uiteen. Zo kan een laag gehalte aan styreen in enkele uren volledig afgebroken worden, indien bij een gunstige temperatuur en zuurtegraad en voldoende beluchting wordt gewerkt. In andere omstandigheden daarentegen kan styreen gedurende meerdere dagen tot weken in stand blijven. Onderzoek betreffende Pseudomonas putida ST201 heeft uitgewezen dat organismen van deze stam een hoge tolerantie hebben voor styreen, en dat zij styreen in concentraties tot 600 mg/l in 48h volledig kunnen afbreken. Styreen is slechts beperkt oplosbaar in water. Om voldoende absorptiecapaciteit in de biofilter over te houden, is het daarom van belang dat er zich geen opconcentrering van styreen in het water voordoet, en dat de afbraak dus snel genoeg gebeurt. Styreen heeft een hoge dampdichtheid in vergelijking met lucht, en een hoge vluchtigheid. Dit betekent dat styreen gemakkelijk verdampt, en dat de dampen laag boven de grond blijven hangen. Om de arbeiders te beschermen is het dus belangrijk dat de productieruimte goed geventileerd wordt. Daarnaast houdt werken met styreen gezondheidsrisico’s in. De effecten op het menselijke lichaam bij blootstelling aan styreendampen worden beknopt besproken.
6 •
effecten bij kortstondige blootstelling aan styreendamp: De inademing van styreendampen kan tijdelijk duizeligheid, slaperigheid, hoofdpijn, misselijkheid en hoesten veroorzaken. Ook kan het de oorzaak zijn van bewustzijnsvermindering. Contact met de ogen, de huid en de luchtwegen kan irritatie veroorzaken aan deze lichaamsdelen. • effecten bij langdurige of herhaalde blootstelling aan styreendamp: Langdurige of herhaalde blootstelling kan voor aantasting van het centrale zenuwstelsel zorgen. Inademing van grote hoeveelheden styreen kan astma veroorzaken. Contact met de huid kan de huid gevoelig maken en zelfs huidontstekingen tot stand brengen. Andere effecten die kunnen voorkomen zijn vergeetachtigheid, verdwijnen van gevoel en reuk, concentratieproblemen, .... Ook is styreen ‘vermoedelijk kankerverwekkend’, maar dit is totnogtoe niet bewezen.
De combinatie van hoge vluchtigheid en dampdichtheid, met de gezondheidsrisico’s die verbonden zijn aan het werken met styreen, heeft ertoe geleid dat er een wetgeving ontwikkeld is met betrekking tot het werken met en de emissie van styreen. Deze wordt in de volgende puntjes beknopt toegelicht. Koninklijk besluit van 11 maart 2002 betreffende de bescherming van de gezondheid en de veiligheid van de werknemers tegen de risico’s van chemische agentia op het werk: • grenswaarde1 voor beroepsmatige blootstelling aan styreendamp die niet mag worden overschreden: 50 ppm ofwel 216 mg/m3. Deze waarde is een tijdsgewogen gemiddelde berekend voor een referentieperiode van 8 uur. • kortetijdswaarde voor beroepsmatige blootstelling aan styreendamp gedurende een korte periode die niet mag worden overschreden: 100 ppm ofwel 432 mg/m3. Deze grenswaarde voor blootstelling mag absoluut niet overschreden worden en geldt voor de korte periode van 15 minuten. Vlarem – Code van goede praktijk: • wetgeving betreffende de emissie van styreen: Voor styreen geldt dat bij een massastroom van 2000 g/h of meer, de concentratie kleiner moet zijn dan 100 mg/Nm3. De algemene emissiegrenswaarden voor lucht hebben betrekking op emissies bij een temperatuur van 0°C en een druk van 101,3 kPa, waarbij het vrijkomende gas droog is. Het is de concentratie van verontreinigde stoffen in de lucht, die niet mag worden overschreden.
2.2.2 Meten van styreen De firma Dräger Sicherheitstechnik GmbH ontwikkelt onder andere technieken om polluenten in gasstromen te meten. Voor de meting van bijvoorbeeld styreen wordt vervuilde lucht met behulp van een handpomp, met een voorgeschreven aantal pompslagen, doorheen een glazen buisje gezogen. Dit buisje bevat formaldehyde (HCHO, wit), wat met styreen reageert tot een roodbruin reactieproduct. De hoeveelheid verkleuring is een maat voor de styreenconcentratie in de lucht. 1
De vermelde grenswaarden, uitgedrukt in ppm, zijn onafhankelijk van de toestandsgrootheden temperatuur en atmosferische druk. De grenswaarden kunnen ook worden uitgedrukt in mg/m3 bij een temperatuur van 20 °C en een druk van 1 bar. De bekomen grenswaarden zijn dan wel afhankelijk van temperatuur en atmosferische druk.
7
2.3 De biofilter 2.3.1 Principe In een biofilter passeert verontreinigde lucht een bed waarin zich een dragermateriaal bevindt. De verontreinigingen worden enerzijds geabsorbeerd in het water dat in de filter aanwezig is. Anderzijds worden ze geadsorbeerd aan het dragermateriaal, waar ze vervolgens oplossen in een waterfilm. De micro-organismen in het water breken daarna de verontreinigingen af tot H2O, CO2, SO42-, NO3-, … en biomassa. De gezuiverde lucht verlaat tenslotte het filterbed en kan in de omgeving geloosd worden.
2.3.2 Uitvoeringsvormen a) Biofilter Het dragermateriaal in een biofilterinstallatie kan heide, compost, turf of boomschors zijn en fungeert als nutriëntenleverancier voor de micro-organismen. De filter zelf wordt meestal niet bevochtigd, maar de vervuilde lucht wordt vooraf verzadigd met water in een bevochtigingskamer. Op deze manier blijft ook de filter vochtig, zodat de verontreinigingen afgebroken kunnen worden door de micro-organismen in een dunne waterfilm op het dragermateriaal.
Figuur 4: Biofilter
b) Biotricklingfilter Bij biotricklingfiltratie wordt het filterbed wel rechtstreeks en continu bevochtigd. Dit bed bestaat niet uit organisch materiaal, maar uit een synthetische pakking. De bevochtiging zou immers compostering van het filterbed te sterk in de hand werken, wat negatieve gevolgen heeft voor de werking van de filter. Het is nu wel noodzakelijk om nutriënten aan het water toe te voegen, aangezien de micro-organismen deze niet uit het dragermateriaal kunnen halen. De afbraak van verontreinigingen gebeurt in een biofilm (= water + biomassa + nutriënten) die aan het dragermateriaal gehecht wordt. Het water voert de afbraakproducten, alsook de
8 overtollige biomassa, af, en wordt gerecirculeerd. Het slib wordt via een spuistroom verwijderd.
Figuur 5: Biotricklingfilter
c)
Biowasser
Een biowasser of bioscrubber bestaat uit een gaswasser en een biologische reactor. In de gaswasser worden verontreinigingen geabsorbeerd in water. Dit waswater wordt naar de biologische reactor geleid, waar micro-organismen de verontreinigingen afbreken. Deze afbraak gebeurt hetzij in een biofilm op dragermateriaal, hetzij in een actief slibbekken. Het overtollige slib wordt via een spui afgevoerd en het waswater wordt gerecirculeerd.
Figuur 6: Biowasser
De bespreking van de ontwerp- en werkingsparameters wordt beperkt tot die voor de biofilterinstallatie, aangezien enkel deze uitvoeringsvorm in het project experimenteel bestudeerd wordt.
9
2.3.3 Werkingsparameters De efficiëntie voor de degradatie van vluchtige organische componenten, zoals styreen, door micro-organismen wordt beïnvloed door verschillende factoren zoals de vochtigheid van het dragermateriaal, de temperatuur en de pH. Andere belangrijke factoren zijn de verblijftijd en de VOC-concentratie van de inkomende lucht. De werking van de biofilter wordt geëvalueerd aan de hand van de verwijderingsefficiëntie.
η= met:
C in − C uit C in
(1)
η = verwijderingsefficiëntie Cin = ingaande concentratie Cuit = uitgaande concentratie
(ppm) (ppm)
a) Temperatuur De optimale werking van een biofilter zal plaats hebben bij een temperatuur van ongeveer 32 °C. Indien men deze temperatuur zou laten stijgen tot bijvoorbeeld 45 °C dan zou de verwijderingsefficiëntie drastisch dalen. De biologische activiteit is namelijk optimaal tussen 22 en 35 °C. Boven de 40°C en onder de 20°C zal de VOC-degradatie geremd worden. b) Vochtigheid De vochtigheid van het dragermateriaal speelt ook een belangrijke rol bij de werking van de biofilter. Een vochtigheid van ongeveer 60 % blijkt optimaal te zijn om biologische inactivatie te vermijden. Wanneer een biofilter in werking is, zal de vochtigheid variëren over de bedhoogte. Door de zwaartekracht zal de vochtigheid onderaan steeds groter zijn dan deze bovenaan. Om een optimale werking te behouden zou dit eigenlijk vermeden moeten worden, doch dit is zeer moeilijk. Waar het dragermateriaal droog is, worden de verontreinigingen niet geabsorbeerd in water en dus ook niet afgebroken door de micro-organismen hierin aanwezig. Waar het dragermateriaal echter te nat is gaan verontreinigingen en biofiltermateriaal samenklonteren waardoor de lucht niet overal kan doordringen. Dit leidt tot anaërobe omzettingen waarbij stank verspreid wordt. Om dezelfde reden moet er voldoende zuurstof voorzien worden. Bij normale, continue beluchting is dit evenwel geen probleem. c)
Zuurtegraad
De optimale pH-waarde ligt tussen 7 en 8. Ligt de waarde merkelijk buiten dit interval, dan zal de verwijderingsefficiëntie drastisch dalen. Een pH-verandering dient daarom vermeden te worden. Door de biologische activiteit is het echter mogelijk dat er organische zuren worden gevormd en bijgevolg een daling van de pH wordt veroorzaakt. Toevoeging van kalk aan het biofiltermateriaal biedt hiervoor een oplossing, dankzij de bufferende werking. d) Porositeit Om een gelijkmatige luchtverdeling in het bed te verzekeren, werkt men best met een dragermateriaal met fijne structuur (bijvoorbeeld turf of compost). Dit heeft ook als voordeel dat de uitwisselingsoppervlakte stijgt, wat een hoger verwijderingrendement bewerkstelligt. Een structuur die niet grof genoeg is heeft echter als nadeel dat de luchtweerstand stijgt, met een verhoging van de drukval over het bed tot gevolg. Daarom is het nodig een compromis tussen de twee te vinden.
10 Wanneer houtschors gebruikt wordt als filtermateriaal zal, als gevolg van compostering, na twee jaar de drukval over het filterbed 7 à 8 maal groter zijn dan de drukval bij verse houtschors. Ook zullen de nutriënten in de schors na verloop van tijd uitgeput raken. Om deze redenen is het nodig regelmatig het dragermateriaal te verversen. Als vervangingstermijn wordt in de literatuur 2 tot 5 jaar vermeld.
2.3.4 Ontwerpparameters Voor de dimensionering van biofilters dient rekening gehouden te worden met enkele richtwaarden: • • •
•
De oppervlaktebelasting (d.i. het volume lucht dat per m² filteroppervlak en per tijdseenheid behandeld kan worden) bedraagt maximaal 200-300 m³/m².h. De eliminatiecapaciteit (d.i. de massa polluent die per m³ filter en per dag verwijderd kan worden) bedraagt voor organische verbindingen in de regel 1,5 à 2 kg/m³.dag. De verblijftijd speelt een belangrijke rol in de verwijderingsefficiëntie. Zo zal de verwijderingsefficiëntie dalen als men de verblijftijd aanpast van 1,5 min naar 1 min. De verblijftijd doen stijgen van 1,5 min naar 3 min zal geen al te grote toename teweeg brengen in de verwijderingsefficiëntie. Een verandering van verblijftijd kan tot stand gebracht worden door een aanpassing van het bedvolume (gebruik van meer of minder dragermateriaal om de verblijftijd respectievelijk te vergroten of te verkleinen), of door het luchtdebiet te wijzigen. In de literatuur vindt men waarden terug voor de verblijftijd gaande van 0,5 tot 3 minuten. Om het volume van de filter te beperken wordt best gewerkt met een materiaal met een groot uitwisselingsoppervlak.
2.3.5 Voor- en nadelen van biofiltratie Biofiltratie is de meest kosteneffectieve oplossing voor het zuiveren van grote debieten lucht met een klein gehalte aan polluenten. De bedrijfsvoering is zeer eenvoudig. Eens de microorganismen geadapteerd zijn is er weinig sturing nodig. De personeelskost bedraagt dan nog ca. 1 uur per week. Aangezien er gewerkt wordt met levende organismen zijn de parameters temperatuur, pH en vochtigheid van cruciaal belang. Ook moet er voldoende beluchting voorzien worden. Bij opstart hebben de micro-organismen veel tijd nodig om zich te adapteren. Bij fluctuaties in debiet en/of concentratie is dit eveneens het geval.
11
3 Karakterisatie van de luchtstroom en de biofilter bij Vosschemie Figuur 7 geeft een schematische voorstelling van het biofiltersysteem bij Vosschemie polyester De Moor.
Figuur 7: Schematische voorstelling van de biofilterinstallatie bij Vosschemie
Tijdens de productie van glasvezelversterkte polyester komen er schadelijke styreendampen vrij. Om de arbeiders hiertegen te beschermen wordt de arbeidsruimte afgezogen. Dit gebeurt aan de hand van twee identieke ventilatoren die elk een maximaal volumetrisch debiet van 16450 m3/h styreenbeladen lucht kunnen aanzuigen. Deze lucht wordt via een rechthoekig kanaal rechtstreeks in de biofilter ‘geblazen’. In Tabel 2 wordt het volumetrisch debiet weergegeven in functie van de toerenstand voor één enkele ventilator. Tabel 2: Volumetrisch debiet Q i.f.v. toerenstand voor één ventilator
Toerenstand 1 2 3 4 5
Volumetrisch debiet Q (m3/h ) 2000 3500 6150 10.250 16.450
Uit bovenstaande tabel blijkt dat de ventilatoren verschillende volumetrische debieten kunnen aanzuigen. Er zal dus niet constant het maximum debiet van 32900 m3/h door beide ventilatoren worden aangezogen. Bij Vosschemie is het namelijk zo dat vanaf het moment dat de werknemers polyester gaan spuiten of aanbrengen, en wanneer er dus ook het meeste solvent (styreen) verdampt, de toerenstand op 5 wordt gezet. Hierdoor wordt in totaal het maximum volumetrisch debiet van 32900 m3/h aan styreenbeladen lucht afgezogen. Na de spuitwerkzaamheden wordt de toerenstand echter op stand 1 gezet omdat bij de afwerking van de producten minder styreen verdampt. Hierdoor wordt het totaal volumetrisch debiet dat wordt aangezogen verminderd tot 4000 m3/h. Het is duidelijk dat door deze debietfluctuaties de biofilter zal belast worden met afwisselend grote en kleine hoeveelheden styreen. Bij de dimensionering zal dan ook rekening moeten worden gehouden met het feit dat de biofilter de hoogst mogelijke piekbelasting moet kunnen behandelen. Uit metingen die bij Vosschemie werden uitgevoerd, blijkt dat de concentratie styreen in de afgezogen luchtstroom 60 ppm bedraagt. Omgerekend via de ideale gaswet is dit 260 mg/m³,
12 bij 20°C en 1 atm. Deze metingen zijn uitgevoerd bij een hoge belasting, d.w.z. op een moment dat in de hal styreen gespoten wordt en een maximaal debiet (32900 m³/h) wordt afgezogen. De massastroom styreen bedraagt op piekmomenten dus 8554 g/h. Vosschemie voldoet hiermee niet aan de wettelijke bepalingen geformuleerd onder paragraaf 2.2.1, en is bijgevolg verplicht het styreengehalte in de uitgaande luchtstroom te reduceren. Zoals eerder vermeld, worden de styreendampen, die door de twee ventilatoren worden aangezogen, via een rechthoekig kanaal naar de biofilter geleid. Hierna komen de gassen terecht in een bevochtigingskamer waar ze door een vernevelaar met regenwater worden bevochtigd. Deze bevochtiging is nodig om absorptie mogelijk te maken, en om te voorkomen dat het filterbed uitdroogt en zo het microbieel leven afsterft. Het overtollige regenwater komt terecht in een vijver onder de biofilter en kan continu gerecirculeerd worden voor de bevochtiging van de gassen. De met water verzadigde gassen worden vervolgens door het dragermateriaal van de filter geleid. Als dragermateriaal wordt bij Vosschemie gebruik gemaakt van gehakseld hout, afkomstig van het stort in Lier. Dit heeft dankzij zijn grote porositeit het voordeel dat er over het filterbed een kleinere drukval zal ontstaan dan wanneer men compost zou gebruiken. Ook fungeert het dragermateriaal als de hoogstnoodzakelijke nutriëntenleverancier voor het in stand houden van de aanwezige micro-organismen. Het dragermateriaal (18 m3 bedvolume gelijk verdeeld langs linker- en rechterzijde van de bevochtigingskamer) is geïnnoculeerd met micro-organismen ontwikkeld door de universiteit van Gent. Deze micro-organismen zullen er uiteindelijk voor zorgen dat het styreen dat de biofilter binnenkomt, wordt afgebroken tot CO2, H2O en biomassa. Uitgaande van de gegevens kan de contacttijd bij maximale belasting berekend worden, aan de hand van vergelijking (2):
τ=
V ⋅ε Q
met:
(2) ε V Q τ
= = = =
porositeit (schatting) volume van het filterbed luchtdebiet verblijftijd
0,5 18 32900 …
m3 m3/h s
⇒τ =1s Op dezelfde wijze wordt de contacttijd berekend, bij een afzuiging van 4000 m³/h (= stand 1). Deze bedraagt 8 s. Deze waarde is in tegenspraak met de waarden die in de literatuur gevonden worden, gaande van 0,5 tot 3 minuten. Hierdoor kan men vermoeden dat de filter gedurende piekmomenten een gebrekkige werking zal vertonen, al blijft dit een veronderstelling daar de concentratie van de uitgaande lucht niet gekend is. Ook mag de absorptiecapaciteit van de installatie niet verwaarloosd worden.
13
4 De proefopstelling 4.1 Ontwerp a) Inleiding Bij het ontwerp van de proefopstelling wordt er niet naar gestreefd de filterinstallatie van Vosschemie op kleinere schaal te imiteren. Er wordt daarentegen teruggegrepen naar de principes van biofiltratie, zoals ze in de literatuur beschreven worden. Wel wordt er gekozen om experimenten uit te voeren met een luchtstroom die dezelfde styreenconcentratie bevat als de afgezogen lucht bij Vosschemie. De dimensionering van de opstelling gebeurt aan de hand van een aangenomen verblijftijd, op basis van de literatuurgegevens. b) Styreenbeladen luchtstroom Voor het creëren van de styreenbeladen luchtstroom, die door de biofilter gezuiverd moet worden, gaat men als volgt te werk. Via een persluchtvoorziening wordt in twee parallelle kanalen een luchtstroom gegenereerd. Elk kanaal is voorzien van een rotameter zodat het luchtdebiet kan worden ingesteld. Na de rotameter wordt het ene kanaal naar een verzadigingsvat met styreen gestuurd. Op die manier wordt de luchtstroom met styreen beladen. Omdat de styreenconcentratie te hoog zou oplopen als men alleen het kanaal zou gebruiken dat door het verzadigingsvat loopt, is het tweede kanaal aanwezig dat als verdunningslucht fungeert. Door middel van een T-stukje worden beide kanalen na het verzadigingsvat samengebracht en ontstaat één kanaal waarin de styreenconcentratie gelijk moet zijn aan 60 ppm (d.i. de ingangsconcentratie opgemeten bij Vosschemie). c)
Dimensionering
Uitgaande van een vastgelegde verblijftijd, die op basis van de literatuur gestaafd is, en een luchtdebiet, dat op laboschaal eenvoudig te verwezenlijken is, wordt het volume van het filterbed berekend aan de hand van vergelijking (2), waarin: V Q τ ε
= = = =
volume van het filterbed luchtdebiet verblijftijd porositeit
… 10 1,5 0,5
m3 l/min min -
⇒ V = 0,030 m 3 Aangezien een standaard PVC-buis gebruikt wordt voor de constructie van de proefopstelling ligt de inwendige diameter van de buis vast op 30 cm. Via vergelijking (3) wordt de benodigde hoogte van het filterbed berekend:
h=
met:
V d π ⋅ 2
2
(3)
h = hoogte van het filterbed V = volume van het filterbed d = inwendige diameter van de buis
… 0,030 0,30
m m3 m
14 ⇒ h = 0,42 m d) Beschrijving De biofilter bestaat uit een 1 m hoge PVC-buis die aan de onderzijde is dichtgemaakt. De buis is onderaan gevuld met 14 l water, waarin zich micro-organismen bevinden. Dit water is afkomstig uit de vijver van Vosschemie. Het water wordt door middel van een pomp naar de bovenzijde van de buis gebracht waar het voor de periodieke besproeiing van het filterbed zorgt. Het filterbed zelf bestaat uit gehakseld hout uit de bestaande filter, en is 42 cm hoog. Een grof rooster in de buis zorgt ervoor dat het filtermateriaal op zijn plaats blijft. Tussen het filterbed en het circulatiewater is 10 cm plaats gelaten om de styreenbeladen luchtstroom binnen te brengen. Dit is de inlaat van de biofilter. De uitlaat van de filter is de lege ruimte boven aan de buis waar de gezuiverde luchtstroom naar buiten komt. Figuur 8 geeft een overzicht ter verduidelijking:
Figuur 8: Schematische voorstelling van de proefopstelling
Figuur 9: Vorming styreenbeladen lucht
Figuur 10: Proefopstelling biofilter
15
4.2 Validatie Tijdens de opstartfase van de experimenten werden enkele tekortkomingen van de oorspronkelijke opstelling vastgesteld. De problemen en de uiteindelijke aanpak ervan, worden in wat volgt kort beschreven, aangezien ze bijdragen tot de optimalisatie van de biofilter bij Vosschemie. •
•
•
De drukval over het filterbed bleek zodanig groot te zijn dat, als gevolg van de ontstane drukopbouw in de leidingen, de stop van het verzadigingsvat met styreen omhoog kwam. De oorzaak hiervan waren te kleine schorsdeeltjes in het filterbed, waardoor dit moeilijk doordringbaar werd. De oplossing hiervoor was het beter kiezen van het dragermateriaal. Zo werd er enkel nog geopteerd voor grote stukken schors, met een fractie kleine schorshumus, om zo de drukval over het bed te minimaliseren. Het meten van de uitgangsconcentratie bleek niet evident. Vanwege het luchtverlies aan de rand van het deksel (zie paragraaf 5.1), was de druk over de uitlaat doorheen het deksel te klein. Daardoor kon een staalnamezak niet gevuld worden aan deze uitlaat. Er werd daarom geopteerd om de handpomp met het Drägerbuisje rechtstreeks aan te sluiten op het darmpje dat aan de uitlaat voorzien werd. Ook was er een duidelijke opconcentrering te merken indien het deksel vijf minuten op de biofilter werd gezet, alvorens te meten. Hierdoor werd een waarde bekomen die een stuk hoger lag dan de ingangsconcentratie. Onmiddellijk de meting uitvoeren eens het deksel op de biofilter stond bleek de beste oplossing te zijn. Zo werd de opconcentratie geminimaliseerd. Het achterwege laten van het deksel bleek duidelijk geen oplossing te zijn. De biofilter werd namelijk in een trekkast geplaatst om veiligheidsredenen. Door de afzuiging werd bij het meten van de uitgangsconcentratie een veel te lage waarde waargenomen.
4.3 Reële situatie Bij de werkelijke opstelling is de verblijftijd enigszins gewijzigd ten opzichte van het vooropgestelde ontwerp. Dit is het gevolg van enkele technische beperkingen: •
•
De rotameters kunnen samen een maximaal debiet aan van ongeveer 8 l/min. Om de juiste concentratie van 60 ppm te bekomen bedraagt het maximale debiet nog slechts 6 l/min. In de eerste berekeningen voor de dimensionering van de biofilter werd er rekening gehouden met een luchtdebiet van 10 l/min. Omwille van het eerder beschreven probleem met de drukval over het bed kunnen enkel grove stukken schors gebruikt worden. Daar deze op het moment van opstarten onvoldoende voorhanden waren, werd de voorziene bedhoogte niet gehaald. Deze bedraagt nu 40 cm, in plaats van 42 cm. Het bedvolume bedraagt bijgevolg 0,028 m3.
Aan de hand van deze gegevens en vergelijking (2) wordt de verblijftijd voor de proefopstelling herberekend: τ V ε Q
= = = =
⇒ τ = 2,35 min
Verblijftijd Volume van het filterbed porositeit luchtdebiet
… 0,028 0,5 6,0
min m3 l/min
16
5 De experimenten 5.1 Werkwijze Elk experiment vereist een concentratiemeting van de in- en van de uitgaande luchtstroom om het verwijderingsrendement te bepalen. De ingangsconcentratie wordt gemeten door de leiding van de ingaande lucht van de biofilter af te koppelen. Een staalnamezak wordt met deze lucht gevuld. Van zodra de staalnamezak gevuld is, wordt de luchttoevoer terug aangesloten op de biofilter. De handpomp met het Drägerbuisje wordt aangesloten op de staalnamezak. Er wordt tienmaal lucht vanuit de staalnamezak doorheen het Drägerbuisje gezogen. Vanwege het beperkte volume van de staalnamezak wordt deze na vijf pompslagen een tweede maal gevuld. De staalnamezak wordt gebruikt om geen druk op het Drägerbuisje te zetten. Indien er rechtstreeks van de toevoerleiding zou gemeten worden, zou er een foutieve meting gedaan worden. Het meten van de uitgangsconcentratie gebeurt op een iets andere manier. Hier wordt een deksel geplaatst op de bovenzijde van de biofilter om verdunning als gevolg van afzuiging in de trekkast te vermijden. In dit deksel bevindt zich een opening waardoor een kleine darm steekt. Hier wordt de handpomp met het Drägerbuisje op aangesloten. Ook nu wordt er tienmaal gepompt. Het meten gebeurt direct na het plaatsen van het deksel om opconcentrering van styreen onder het deksel te beperken. Op beide metingen moet een correctie toegepast worden, aangezien het protocol voorschrijft dat er twintigmaal gepompt moet worden, in plaats van tienmaal. De meetwaarden die worden afgelezen op het Drägerbuisje worden daarom met een factor twee vermenigvuldigd.
5.2 Experiment 1: bepaling van het verwijderingsrendement Een eerste reeks metingen met de biofilter wordt uitgevoerd bij het maximale debiet dat de rotameters kunnen leveren, en waarbij de styreenconcentratie in de ingaande lucht gelijk is aan die bij Vosschemie, met name 60 ppm. Het experiment loopt gedurende een periode van 2 weken, enkel op de werkdagen en 24 uur per dag. De resultaten en de verwijderingsefficiëntie (berekend volgens vergelijking (1)) worden vermeld in Tabel 3: Tabel 3: Verwijderingsefficiëntie bij maximaal luchtdebiet (6 l/min)
Datum 20/04/2005 21/04/2005 22/04/2005 27/04/2005 29/04/2005 2/05/2005 3/05/2005 4/05/2005
Q (l/min) Cin (ppm) Cuit (ppm) 6,03 50-60 5,43 40-50 5,27 10-20 5,76 50-60 30-40 5,45 50-60 30-40 5,67 50-60 50-60 5,33 50-60 20-30 5,90 50-60 30-40 gemiddelde: 49-59 32-42
η (%) 36 36 0 55 36 31
Uit tabel 3 wordt geconcludeerd dat de ingangsconcentratie vrij constant blijft gedurende de proefnemingen tussen de waarden van 50 en 60 ppm. De uitgangsconcentratie is minder stabiel. Gemiddeld genomen bevindt de uitgaande styreenconcentratie zich tussen de 30 en 40 ppm. De verwijderingsefficiëntie bedraagt ongeveer 30 %.
17
5.3 Experiment 2: invloed van de contacttijd In het tweede experiment wordt een andere contacttijd vastgelegd, door een debietwijziging door te voeren. De contacttijd neemt toe tot 4,71 min. De concentratie van de ingaande lucht blijft hierbij constant. Het experiment loopt gedurende een periode van één week. Er wordt nagegaan wat de invloed is van deze verandering op de verwijderingsefficiëntie. In Tabel 4 worden de meetresultaten en de verwijderingsefficiëntie weergegeven, in Tabel 5 de invloed van de contacttijd: Tabel 4: Verwijderingsefficiëntie bij verminderd luchtdebiet (3 l/min)
Datum 9/05/2005 11/05/2005 13/05/2005
Q (l/min) Cin (ppm) Cuit (ppm) 3,07 50-60 20-30 3,38 50-60 25-35 3,10 50-60 20-30 gemiddelde: 50-60 22-32
η (%) 55 45 55 52
Tabel 5: Invloed van de contacttijd
τ (min) 2,35 4,71
η (%) 31 52
Uit deze vergelijking wordt besloten dat de verwijderingsefficiëntie afhankelijk is van de contacttijd. Indien de contacttijd verdubbelt, neemt, binnen het geteste bereik van contacttijden, de verwijderingsefficiëntie toe.
5.4 Experiment 3: absorptie Het doel van dit experiment is inzicht verwerven in het mechanisme van de verwijdering van styreen uit een gasstroom. Er wordt meer bepaald nagegaan in welke mate styreen in water geabsorbeerd wordt. Daartoe wordt de styreenbeladen luchtstroom, met gekende concentratie, doorheen een verzadigingsvat geleid dat gevuld is met water. De lucht wordt onderin het vat fijn verdeeld met behulp van een bruissteen. Aangezien het verzadigingsvat slechts een klein volume water bevat, wordt de concentratie van de uitgaande luchtstroom vrijwel onmiddellijk gemeten. Dit om te verzekeren dat het water nog niet verzadigd is, en er dus nog styreen geabsorbeerd kan worden. Het resultaat wordt vermeld in Tabel 6: Tabel 6: Verwijderingsefficiëntie bij absorptie
Datum 20/04/2005
Q (l/min) 5,63
Cin (ppm) 20-30
Cuit (ppm) 10-20
η (%) 40
Er wordt een verwijderingsefficiëntie van 40 % waargenomen, ondanks de korte contacttijd van slechts enkele seconden. Hieruit kan men besluiten dat absorptie een zeker aandeel heeft in de verwijdering van styreen uit een gasstroom, hoewel de contactmethode bij deze proef duidelijk verschilt van die bij biofiltratie. Gedurende een zekere tijdsspanne wordt er 500 ml styreen, ofwel 450 g, verdampt en doorheen de biofilter geleid. Rekening houdende met een reductie van 30 %, is er 135 g styreen die de biofilter niet verlaat. De absorptiecapaciteit van 17 l water bedraagt echter slechts 5 g (0,3 g/l). Hieruit wordt geconcludeerd dat er zeker afbraak plaatsvindt.
18
6 Besluiten Wat betreft de verwijderingsefficiëntie van styreen door biofiltratie in een laboinstallatie kan men volgende besluiten trekken: •
•
•
De ontworpen biofilter is in staat om styreen te verwijderen uit een synthetische luchtstroom (50-60 ppm). De verwijderingsefficiëntie blijkt echter licht te variëren in functie van de tijd. Vanwege de beperkte absorptiecapaciteit van het circulatiewater (max. 5 g in 17 l) kan de verwijdering worden toegeschreven aan biologische afbraak door specifieke micro-organismen. De verwijderingsefficiëntie van de biofilter is afhankelijk van de contacttijd (en dus van het debiet) van de luchtstroom in het filterbed. Uitgaande van een luchtstroom met een styreenconcentratie van 50 à 60 ppm bekomt men verwijderingsrendementen van 31% en 52% voor respectievelijke contacttijden van 2,35 minuten en 4,71 minuten. Hieruit blijkt dat het verwijderingsrendement stijgt met de contacttijd in de geteste range van contacttijden. Tijdens het uitvoeren van de experimenten werd vastgesteld dat er geen opstarttijd vereist is. Er dient echter wel opgemerkt te worden dat het dragermateriaal en het recirculatiewater uit de operationele installatie afkomstig zijn. Er kan bijgevolg geen uitspraak gedaan worden over de opstarttijd van een biofilter die nog niet functioneel is.
Indien men het biofiltersysteem bij Vosschemie bekijkt, kan men dus besluiten dat er wel degelijk styreen kan worden afgebroken. Toch kunnen er enkele opmerkingen worden gegeven in verband met de werking van de biofilter. Eerst en vooral is de contacttijd van de biofilter zeer klein (1-8 sec) in vergelijking met de waarden die in de literatuur worden teruggevonden. Het vergroten van het filterbed is een optie voor een langere contacttijd, maar contacttijden van meerdere minuten zijn praktisch niet haalbaar vanwege het te grote bedvolume. Een contacttijd van bijvoorbeeld 2,35 minuten (zoals bij de laboproef) bij een luchtstroom van 32.900 m³/h leidt tot een bedvolume van 2.577 m³. Verder is het niet mogelijk om een uitspraak te doen omtrent de verwijderingsefficiëntie van de biofilter aangezien geen metingen mogelijk zijn van de uitgaande luchtstroom. Naast de biologische afbraak dient men namelijk ook rekening te houden met absorptie-effecten. Deze zijn op dit moment moeilijk in te schatten. Uit de absorptieproef blijkt dat er een significante verwijdering kan gebeuren bij zeer kleine contacttijden. Toch blijft er echter een verschil in contactmethode. Tot slot zal, zoals bij de validatie van de proef is gebleken, het dragermateriaal dat bij Vosschemie wordt gebruikt, een hoge drukval veroorzaken. De compostering van de biofilter werkt deze drukval nog in de hand. Hierdoor zal de styreenbeladen luchtstroom de weg van de kleinste weerstand opzoeken. Vanwege de huidige configuratie van de biofilter bestaat de kans dat de luchtstroom eerder ontsnapt langs spleten en kieren dan effectief door het volledige filterbed te gaan. Het vermijden van deze kortsluitstromen kan gebeuren door de bevochtigingskamer volledig te omsluiten met dragermateriaal.
19
7 Bibliografie DEHGHANZADEH, R., TORKIAN, A., BINA B., POORMOGHADDAS, H., KALANTARY, A., “Biodegradation of styrene laden waste gas stream using a compostbased biofilter”, Chemosphere, (2005). DELHOMENIE, M.-C., BIBEAU, L., HEITZ, M., “A study of the impact of particle size and adsorption phenomena in a compost-based biological filter”, Chemical Engineering Science, (2002), vol. 57, p. 4999 – 5010. DIRKSE, R.J.A., “Niet zomaar een bak met turf: Negen aandachtspunten voor probleemloze biofiltratie”, PT Polytechnisch tijdschrift, jaargang 49, (1994), oktober, nr.10, p.44-46. KRAAKMAN, B., “Styreenverwijdering uit afgassen door middel van biologische luchtreiniging”, Kunststof en rubber, jaargang 50, (1997), september, nr.9, p.35. LU, C., LIN, M.-R., CHU, C., “Effects of pH, moisture, and flow pattern on trickle-bed air biofilter performance for BTEX removal”, Advances in Environmental Research, (2002), nr.6, p.99-106. OKAMOTO, K., IZAWA, M., YANASE, H., “Isolation and Application of a StyreneDegrading Strain of Pseudomonas putida to Biofiltration”, Journal of bioscience and bioengineering, (2003), vol. 95, nr. 6, p. 633-636. OPENBARE AFVALSTOFFENMAATSCHAPPIJ VOOR HET VLAAMS GEWEST, “Code van goede praktijk – Het gebruik van biofilters en actief koolfilters bij grondwatersanering”, augustus 2004. PAUL, P. G., VELDMEIJER, B., “Hoe u een biofilter-installatie opstart: Grondige controle van afgassamenstelling voorkomt verrassingen”, PT Polytechnisch tijdschrift, jaargang 49, (1994), mei, nr.5, p.40-42. SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, Fundamentals of Analytical Chemistry, 8th ed., Thomson – Brooks/Cole, London, 2004. VAN LANGENHOVE, H., SCHAMP, N., “Luchtzuivering met biofilters”, Energie & Milieu, jaargang 6, (1990), september-oktober, nr.5, p.151-155. WEAST, R., CRC handbook of chemistry and physics – a ready reference book of chemical and physical data, 49th ed., The Chemical Rubber Co., Cleveland, 1968. YOON, I.-K., PARK, C.-H., “Effects of Gas Flow Rate, Inlet Concentration and Temperature on Biofiltration of Volatile Organic Compounds in a Peat-Packed Biofilter”, Journal of Bioscience and Bioengineering, jaargang 93, (2002), nr.2, p.165-169. Agency for Toxic Substances and Disease Registry www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp53-c5.pdf Laatst bekeken: 4 mei 2005
20 Federale Overheidsdienst Werkgelegenheid, Arbeid en Sociaal Overleg Koninklijk besluit van 11 maart 2002 betreffende de bescherming van de gezondheid en de veiligheid van de werknemers tegen de risico’s van chemische agentia op het werk http://meta.fgov.be/pdf/pk/nlkfg03.pdf Laatst bekeken: 5 april 2005 International Chemical Safety Cards http://gamekeeper.deds.nl/veiligheidskaarten/ndut0073.html Laatst bekeken: 5 april 2005 LUSS Techniekbladen http://www.emis.vito.be Laatst bekeken: 30 april 2005 The Styrene Information and Research Center http://www.styrene.org Laatst bekeken: 6 mei 2005 Vosschemie Polyester De Moor http://www.vosschemie.be Laatst bekeken: 7 april 2005 Wilsor Kunstharsen Veiligheidsblad Styreen http://www.xs4all.nl/~wilsor/veiligheids%20bladen/vb%20styreen.htm Laatst bekeken: 5 april 2005 Gebrauchsanweisung 234-33141, 7. Ausgabe, Dräger Sicherheitstechnik GmbH, Lübeck, maart 2001.
