LEVEGÕTISZTASÁG-VÉDELEM
2.3
Illékony szerves anyagok visszanyerése adszorpciós eljárásokkal Tárgyszavak: illékony szerves anyagok; adszorpció; elválasztás; műszaki megoldások.
Az illékony szerves anyag (VOC) szennyezés mérséklésére világszerte szigorú előírások és adszorpciós elválasztások szolgálnak. Ha viszont a VOC visszanyerése a cél, a sok új technológia között nehéz a választás. Ilyenkor döntés előtt a korszerű eljárások gondos, kritikus elemzése szükséges.
A VOC-k típusa és koncentrációja Az illékony szerves anyagok kategóriájába tartozó mintegy 189 veszélyes kémiai anyagot célszerűtlen egy lépésben elválasztani. A hatékony visszanyerés érdekében csoportosításuk megkönnyíti az adszorpciós eljárások közötti választást. A csoportosítás a következő tulajdonságok alapján történik: – származás megjelölése és az összetétel elemzése, – reakciókészség, – a vegyület ára. A különböző emisszióforrások különböző vegyülettípusokat bocsátnak ki. Például, az autók kipufogó gázai főleg szénhidrogéneket, többségükben olefinvegyületeket, különösen etilént tartalmaznak. Így elsősorban az emisszióforrást kell azonosítani, ezután következhet az összetétel meghatározása. A levegőt szennyező vegyületek reakciókészsége vegyületről vegyületre változik, minél reaktívabb a vegyület, annál veszélyesebb a környezetre. Reaktívitásuk szerint négy osztályba sorolták a szénhidrogéneket: – igen reakcióképesek: kettős kötést tartalmazó olefinek, különösen a tri- és tetra-alkil-etilének;
– közepesen reakcióképesek: poli-alkil-benzolok, a mono-alkiletilének és az 1,3-alkadiének; – alacsony reakcióképességűek: etilén, mono-alkil-benzolok, alkánok (C4 és magasabb szénatomszámmal); – elhanyagolható reaktivitásúak: benzol, acetilén, metán, etán és propán. A légszennyező anyag azonosítása, majd mennyiségének és reaktivitásának elemzése segít a visszanyerés egyes lépéseinek eldöntésében. Az eljárás gazdaságosságához legfontosabb a költségek elemzése. Ha a vegyület drága és nagy mennyisége szennyezi a levegőt, akkor tekintet nélkül a reaktivitására tanácsos a visszanyerése. Ugyanakkor az olcsó vegyületek visszanyerése nem mindig jár gazdasági haszonnal, ezért ezek elbontása (a kevésbé szennyező szén-dioxiddá és vízzé) a legajánlatosabb megoldás.
A megfelelő adszorbens és a szükséges elválasztás mértéke A jól megválasztott adszorbens–adszorbátum páros kulcskérdés a kiválasztott szennyező anyag hatékony visszanyerésében. Az előzetes elemzéssel azonosított vegyületeket ezután elválasztják. Ez történhet eltérő forráspontjuk alapján kondenzálással, vagy különböző oldékonyságuk következtében abszorpcióval, valamint más és más adszorbenseken történő adszorpcióval. Az adszorbens megválasztása döntő lépés. Sok dolgozat aktív szénen történő adszorpcióról számol be az illékony szénvegyületek kinyerésekor. Az aktív szén kivonja a VOC-ket a szenynyezett levegőből, de nem választja szét azokat, így ilyenkor további lépések szükségesek az egyes komponensek visszanyerésére. A kívánalmaktól függően cseppfolyósító adszorber használható. A cseppfolyósítóban keletkező folyadékkeveréket az adszorber szelektív adszorbensek révén komponenseire választja. Az aktív szén használata számos hátránnyal jár: gyúlékony, a magas forráspontú oldószereket nehéz regenerálni belőle, elősegíti néhány oldószer mérgező vagy oldhatatlan vegyületté polimerizációját, oxidációját, továbbá azonnali regenerálást igényel. Ezért az aktív szenet más típusú adszorbensekkel helyettesítik. Többrétegű adszorbenságy használatával az adszorpciós egység különböző nyílásain kifolyó komponensek száma leszűkíthető. Ez nemcsak eltünteti a keverékből a kívánt anyagokat, hanem el is választja azokat. Minél nagyobb mértékű elválasztás szükséges, annál költségesebb az
eljárás. Az adszorbens–adszorbátum alkalmasságát főleg a következők szabják meg: – kompatibilis legyen az adszorbátum mérete és az adszorbens pórusátmérője; – az adszorbens egyensúlyi kapacitása az adszorbátum számára; – az adszorbátum diffuziós kinetikája az adszorbenságyban, valamint az adszorbens makro- és mikropórusai. Egy adott komponens visszanyerésekor legsokoldalúbb és legszelektívebb adszorbensként a molekulaszűrő a legjobb az aktív szén helyett. Az adszorbens kiválasztása után (feltételezve, hogy az egyensúlyi paraméterek és a kinetika ismert), a folyamat viszonylag egyszerű szimulálásával értékes tanácsok nyerhetők a működési ciklus legjobb megválasztására. Az illékony anyagok és a nedvesség egyidejű jelenléte, ami gyakori jelenség, megnehezíti az elválasztást. Ilyenkor, hőstabilitása és hidrofób volta miatt a zeolit alkalmazása megoldja a nehézségeket. A jövő legjobb anyagának vagy fejlesztési irányának kiválasztása többnyire empirikus módszerek, kísérletek révén történik. Azonban az adszorpció folyamatának jobb megismerése és bonyolult matematikai modellek megalkotása következtében ma már a folyamatok a priori szimulálásával nagy sebességű számítógépeken hathatósan és valóságosan lehet kiválasztani az anyagokat.
A hagyományos és az új elveken alapuló adszorpciós eljárások Hőmérsékletváltásos adszorpció (TSA) Ez az eljárás egyszerű és a többinél gazdaságosabb eljárás. Az erősen adszorbeált anyagok eltávolítására ez a leggyakoribb és legtöbbet alkalmazott aktív szenet használó módszer. Az iparban széles körben használják szénhidrogén- és oldószergőzök eltávolítására és viszszanyerésére. Azonban hőmérséklet-érzékeny vegyületek (pl. triklóretán, sztirol stb.) visszanyerésére nem használható. A sztirolhoz hasonló, magas hőmérsékleten polimerizálódó anyagokhoz sem felel meg. Nemgyúlékony anyagoknál a molekulaszűrő megfelelő megválasztása a kinetikus és egyensúlyi adatokon alapszik. Minthogy a TSA főleg egy komponens visszanyerésére alkalmas, több komponens esetében számos egységet alkalmaznak. Emiatt korlátozott a felhasználhatósága.
Nyomásváltásos adszorpció (PSA) Az 1980-as évektől kezdve, majd a fejlesztések hatására az utóbbi évtizedekben meglehetősen kedvelt eljárás lett a PSA. Ennek oka az, hogy igen rugalmas és hatékony eszköze a gázelválasztásnak és -tisztításnak. Alkalmazása csökkenti a konvencionális eljárásokhoz (pl. abszorpció és desztilláció) viszonyítva az energiát és a költségeket. A szelektivitást az elválasztandó komponensek adszorpciós egyensúlyának és adszorpciós sebességének különbözősége segíti. Csak a mikropórusos adszorbenseknek (zeolitok és szén molekulaszűrők) eléggé különböző az adszorpciós kinetikájuk ahhoz, hogy kinetikusan szelektív PSA folyamat alapja lehessen. Ezeknél a térbelileg gátolt és a mikropórusos diffúzió erősen eltér a változó molekulamérettel és -alakkal. Azonban a szorpció sebessége még az ilyen rendszereknél is függ az egyensúlytól is, így a kinetika és az egyensúly erősen összefüggnek. Mivel sok adszorbens hatásos katalizátor, a gőz az adszorbeált vízzel reagál, és így nedvesség jelenlétében a berendezés korrodeálódhat és a gőz hevítés hatására bomlik. Ezen túlmenően a gőzzé alakításhoz vagy hevítéshez és a szárításhoz vagy hűtéshez ciklusos lépéseket igényel. Ez hosszú ciklusidőket (órák) eredményez, ami a nagy betáplálási teljesítmény érdekében nagyméretű ágyat kíván. Ezzel szemben a PSAeljárások előnye, hogy – az össznyomás csökkentésével és kis nyomáson történő tisztítással – az ágyak gyorsan regenerálhatók. Ez rövid ciklusidőket eredményez (percek), amelyek miatt még kis ágyak esetén is nagy a betáplálási teljesítmény. Ezért, ha a keverékből egyetlen komponens kinyerése a cél, a PSA jobb megoldás a TSA-nál. Ugyanakkor több komponens kinyerésekor több PSA egységet kell üzembe helyezni. Bár a PSA sikeresen végezhető a gyakorlatban és széles körben is használják, alapvető elméletét még ma sem ismerik. Egyszerű fizikai úton nem lehet megjósolni, hogy az egyes folyamatváltozók milyen hatással vannak a teljesítményre. Így az elemzésben és a PSA-üzem felépítésében kulcsszerepet játszhat egy matematikai modell. A levegő tisztítása kis mennyiségű, kis gőznyomású és nehezen deszorbeálódó vegyületek kinyerését jelentheti. Ez nyilvánvalóan elriaszt a PSA használatától a levegő tisztításában és gőzvisszanyerésben, ezért viszonylag ritkán használják a PSA-t a légtisztításnál. Néhány gőz- és gáztisztító berendezésben, ahol alkalmazták a PSA-t, számolni kellett számos nehézséggel: – az alkalmazott több ágy miatt magas kezdeti költségekkel; – a bonyolult létesítmény fenntartásának nehézségével;
– regenerálásnál igen kis nyomás szükséges; – a sűrítés igen sok mechanikai energiát igényel; – a visszanyert deszorbátum nem eléggé tiszta. A PSA-eljárás teljesítményének növelésére végzett kutatások – elsősorban a könnyű termékek visszanyerésének fokozása érdekében – a nyomás gazdaságosságának növelésére irányultak. Nyomásváltásos adszorpció kúpos alakú rendszerben (TPSA) Az adszorpciós lépésnél a kúpos oszlopok alkalmazására lényegében nem fordítottak figyelmet, bár azok az ipari kémiai folyamatokban mindenütt jelen vannak. A n-bután–nitrogén–BAX aktív szén rendszereken alapuló eredmények azt mutatják, hogy az enyhén kúpos oszlopok növelik a PSA-eljárás teljesítményét, különösen a könnyű termékek tisztaságát. Az eredmények azt is mutatják, hogy a széles végéről történő oszloptöltés kedvezőbb a szűkebb végéről történő töltésnél, és az optimális kúpszög (5°) esetében a könnyű termékek tisztasága nagyságrenddel kedvezőbb, mint a hengeres oszlopok esetében. Az izoterm feltételek között működő, vagy az igen kis tömegátviteli koefficiensű, vagy az igen rövid ciklusidejű rendszereknél azonos teljesítményt nyújtanak a kúpos és hengeres oszlopok. Ugyanakkor a nemizoterm feltételek mellett működő vagy nagy tömegátviteli koefficiensű rendszereknél, a kúpos PSA-oszlop javítja az eljárás teljesítményét, különösen a könnyű termékek tisztaságát. Hosszú ciklusidő esetében nemcsak a könnyű termékek tisztasága nagyobb, hanem javul a butángáz visszanyerése. A kúpos PSA-oszlop legkedvezőbb hatása a hengeres oszlophoz viszonyítva a teljes hőmérséklet-tartományban és így a helyi koncentráció sebességváltozásai okozta adszorpció/deszorpció folyamattal együttjáró hevítéssel/hűtéssel kapcsolatban mutatkozik meg. Réteges ágyas nyomásváltásos adszorpció (LBPSA) Ez a módszer egy oszlopban egyesíti különböző adszorbensek előnyös tulajdonságait. A napjainkban alkalmazott PSA-eljárásokban rendszerint egy komponens a megcélzott termék. Ez gyakran a leggyengébben adszorbeálódó termék. Mégis gazdaságossági, energia-visszanyerési és környezetvédelmi szempontból fontos annyi anyagot visszanyer-
ni, amennyit csak lehet. Kevés kivételtől eltekintve a többkomponensű gázkeverékek elkülönítése kevés érdeklődést váltott ki. Két vagy több adszorbens egy ágyban történő használatakor – az egyes adszorbensek legelőnyösebb tulajdonságait lehet gazdaságosan kihasználni. Termikusan csatolt PSA (TCPSA) A többágyas megközelítés alternatívája ez az egyágyas eljárás, amelyben az ágy egyik végéhez csatlakozó dugattyú ciklusos nyomásváltozást valósít meg. A laboratóriumi kísérleti prototípusok a szokásos PSA-nál szignifikánsan nagyobb fajlagos termelékenységet mutatnak. A dugattyúhasználattal lehetséges energia-visszanyerés jelentős teljesítményjavuláshoz vezethez a szokásos PSA-hoz viszonyítva. Az ágy két vége közötti jelentős hőmérséklet-különbség várhatóan csökkenti az elkülönítéshez igényelt energia mennyiségét. Vákuumváltásos adszorpció (VSA) A VSA ciklusok használatával megnövelhető a légtisztítás során az erősen kötődő szennyezések deszorpciója. Ez a módszer egyúttal lehetővé teszi a ciklus alatt az ágyak teljes regenerálását. Szimulált mozgó ágyas adszorpció (SMBA) Kis elválasztási tényezőjű keverékek oszlopokkal történő elválasztásánál jobb teljesítménye miatt az utóbbi harminc évben megnőtt az érdeklődés ez iránt a módszer iránt. Sorba kapcsolt rögzített ágyakból álló rendszer használatakor a szilárd adszorbensnek a folyékony keverékhez viszonyított ellenáramban történő mozgását szabályos időközökben bemenő és kimenő áramokkal szimulálják. Ipari üzemekben ezt rotációs csapokkal valósítják meg. Ez az eljárás széles körű alkalmazást nyert a szénhidrogénektől a finomvegyszerekig terjedő elválasztásokban. Kulcskérdés a megfelelő áramlási sebesség meghatározása, amely biztosítja az elválasztást és maximalizálja az adszorbenshasználatot, ezért igen fontos a tömegtranszfer sebességének pontos leírása. A szimulált mozgó ágy tervezése főleg az egyes folyadékáramlási sebességek megfelelő megválasztásától és az ágy váltási periódusától függ. Modellezéssel és numerikus szimulálással, számítógépes szimulá-
lással, jelentős anyag és idő nyerhető még a technológiai fejlesztés időszakában is. Egyéb adszorpciós eljárások Illékony (éter, alkohol, fenol, aldehid, keton és aromás szénhidrogénhez hasonló) veszélyes, sok komponensű híg ipari gázok tisztítására számos új energiatakarékos adszorpciós–katalitikus és termokatalitikus eljárást fejlesztettek ki. A vizsgálatokban elsősorban az új katalizátor adszorbensekre koncentráltak, minthogy ezek adszorpciós tulajdonságai ismeretlenek voltak, és mivel a feltételezések szerint ezek mechanikai szilárdságuk és termikus stabilitásuk következtében leginkább a mozgó és fluid ágyas körülmények között használhatók. Egy ipari hulladék gázból szénhidrogén kivonására és visszanyerésre, vagy katalitikus oxidálásukra alkalmas rögzített adszorbenságyas gáztisztító rendszert dolgoztak ki. A rendszer működésekor a szennyezett gázok szerves szennyezései adszorbeálódnak, majd hevítéssel deszorbeálódnak, a keletkezett gőz-gáz keverék szénhidrogén-tartalma kondenzál. Adszorbensként szénszálas textíliát vagy szénpelletet használnak. Az új eljárások az eddig ismert legjobb energiatakarékos gáztisztító rendszernél mintegy 30%-kal kisebb energiafelhasználás mellett két-háromszor olcsóbbak. Alkalmazásuk révén majdnem tökéletesen eltávolíthatók a kipufogógázok éter-, alkohol-, fenol-, aldehid-, keton-, aromás és más szénhidrogén szennyezései. Összeállította: Dr. Vajda Tamásné Ghozhal, A. K.; Manjare, S. D.: Selection of appropriate adsorption technique for recovery of VOCs:an analysis. = Journal of Loss Prevention in the Industries, 15. k. 6. sz. 2002. nov. p. 413–421. Khan, F. I.; Ghoshal, A. K.: Removal of volatile organic compounds from polluted air. = Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 13. k. 2000. p. 527–545. Dolidovich, A. F.; Akhremkova, G. S.; Efremtsev, V.: Novel technologies of VOC decontamination in fixed moving and fluidized catalyst adsorbent beds. = Canadian Journal of Chemical Engineering, 77. k. 1999. p. 342.
A Ford Motor Company 20. Természeti és Kulturális Örökségért Díja 2003. évi eredményhirdetése Budapest, 2003. dec. 4. Budapesten a Magyar Tudományos Akadémián tartották a Ford Motor Company Természeti és Kulturális Örökségért Díj gáláját. Magyarországon 2003-ben két kategóriában 148 érvényes pályázatot bírált el a zsűri. Az idei 3 500 000 Ft-os magyar díjat a zsűri az első három helyezett, valamint három különdíjas között osztotta meg. Minden érvényes pályázatot oklevéllel jutalmaztak. 1 500 000 Ft-ot kapott a győztes pályázat, a Liszt Ferenc Zeneművészeti Egyetem Egyházzenei Intézete (MTA Támogatott Kutatóhely) projektje, amelynek célja a középkori gregorián zenemű források fényképeinek tartós megörökítése. A távlati cél egy egyetemes európai digitális zenei középkori forrástárat, vendégkutatókat is fogadó centrumot kialakítani. A második díjat és vele 500 000 Ft-ot Sajógalgóc Baráti Köre kapta az apró zsáktelepülés természeti és épített környezeti örökségének megőrzése érdekében kifejtett tevékenységéért, amely példát mutat más kistelepülések helyzetének javítására irányuló erőfeszítések számára. A zsűri harmadik díjjal és 400 000 Ft-tal jutalmazta a Bakonyi Természettudományi Múzeum vörös vércse programját, amelynek célja a vörös vércse (Falco tinnunculus) állományának visszatelepítése a középdunántúli régióba. Különdíjat kaptak: a verebi római katolikus templom helyreállítási tevékenységére; a Magyarországi Kárpát Egyesület síút helyreállítási munkájára; és a Szécsény-Benczúrfalva Római Katolikus Egyházközség templomfelújítási tevékenységére.
