Hulladékhasznosítás
Elhasznált gumiabroncsok hasznosítása II. Hasznosítási lehet!ségek és technológiák Dr. Sinka Gábor* okleveles vegyészmérnök Cikksorozatunk második részében bemutatjuk a technika mai állását a hasznosítás módszereinél. Mindenekel!tt a hasznosítási technológiákra összpontosítjuk a figyelmet, a hasznosítás logisztikai vetületeit nem taglaljuk, viszont kitérünk a gazdasági és a jogi szabályozásokra. A szakirodalomban található adatok els!sorban gumiabroncsra vonatkoznak, de helyenként érintjük az egyéb, ún. m"szaki gumitermékek hasznosítási kérdéseit is. A gumigyártásban járatlan olvasók kedvéért bemutatjuk a gumiabroncsot, majd megadjuk kémiai összetételét. A szerkezeti séma és az összetétel alapján is kimondhatjuk, hogy a gumiabroncs bonyolult öszszetétel! konstrukció (1. táblázat), amelyet összesen mintegy 30 különböz" anyagból készítenek (1. ábra). Az Európai Unió által közzétett adatok szerint, az elhasznált gumiabroncsok hasznosítására rendelkezésünkre álló módszerek a következ"k: –#újrahasználat (reuse), –#energetikai hasznosítás (recovery), –#anyagában hasznosítás (újrafeldolgozás, recycling). Az EU statisztikája alapján a f" hasznosítási módszerek (2. ábra) közül érdemes kiemelni a következ"ket: –#a lerakás betiltásának hatására, ez a megoldás háttérbe szorult, de nem sz!nt meg teljesen, –#az anyagában hasznosítás (recycling) 10%-ról közel 40%-ra n"tt, aránya megegyezik az energetikai hasznosításéval,
1. ábra. A gumiabroncs felépítése
1. táblázat. Személy- és teherabroncs átlagos összetétele, tömeg% (V. Shulman, CEN 2002) Anyagféleség Elasztomerek Korom és SiO2 Acél Textil ZnO Kén Egyéb adalékok
Személyabroncs 48 22 15 5 1 1 8
Teherabroncs 45 22 25 – 2 1 5
2. ábra. Használt és elhasznált abroncsok hasznosítása az EUban, %
*
[email protected]
310
2013. 50. évfolyam 8. szám
–#az újrafutózás (rettreading) közel azonos arányban fennmaradt. 1. Újrafutózás (újrahasználat) Ez nem az elhasznált, hanem a használt abroncs hasznosítása, eredeti funkcióban való újrahasználata. A környezetvédelmi elvárásokat leginkább kielégít" módszer. A 2. ábrából látható, hogy részaránya az EU-ban közel állandó, 10% körül van az utóbbi 16 évben. Az újrafutózás technológiai vázlatát a 3. ábra mutatja.
3. ábra. Az újrafutózási technológia vázlata
Fontos hasznosítási m!velet, mivel az er"forrásokkal való takarékosság mintapéldája, ezzel közvetlenül hozzájárulunk a kaucsuk, a korom, és egyéb vegyi anyagok felhasználásának csökkentéséhez. A technológia lehet meleg (nyers futó és oldalcsík alkalmazása), vagy hideg (kész futócsík rávulkanizálása). Az újrafutózott abroncs olcsóbb, ma már kielégít"en biztonságos. F"bb gyártók: BANDAG, MARANGONI, KRAIBURG, MICHELIN. Portugáliában különösen magas az újrafutózás részaránya, az EUban a legmagasabb, a képz"d" használt és elhasznált abroncs 20%-a (Magyarországon ez az arány 3%) [1]. Olaszországban az állami hivatalok gépkocsijainak abroncs cseréjét 20%-ban újrafutózott abroncsok biztosítják (állami el"írás), ami a költségvetésnek megtakarítást jelent. 2. Energetikai hasznosítás Leginkább cementgyári kemencében égetik el az abroncsokat. Nincs az elégetés után maradék anyag, mert a nem illó égéstermékek – mint pl. az acélból keletkez" vasoxidok – keverednek a cement klinkerrel, annak hasznos alkatrészét képezik. Környezetvédelmi szempontból ez szinte tökéletes megoldás, ráadásul az abroncs egy része (kb. 15–30%, 1. táblázat) anyagában hasznosul. Az égés során kén és nitrogén-oxidok képz"dnek, amelyeket a cementgyár füstgáztisztító berendezései leválasztanak, és nem engednek a légkörbe. Európában közel 300 cementgyárban égetnek abroncsot. Az abroncs egy pillanat alatt elég az 1000°C-os kemencében. Befektetést igényel az adagoló berendezés létrehozása, egyes esetekben darabolt (sreddelt) abron2013. 50. évfolyam 8. szám
csot juttatnak a kemencébe, máshol pedig egészben adagolják az abroncsot. Pontos h"gazdálkodás szükséges az optimális égetéshez, a kemence gyakori nyitása, zárása technikai nehézséget okoz ebb"l a szempontból. Egy személyabroncs 7,6 liter olajjal egyenérték! energia, viszont kéntartalma kisebb. Az abroncsok égésh"je a fekete k"szénéhez hasonló (32 MJ/kg), de kevesebb nehézfémet tartalmaznak. Ha az összes Európában keletkez" elhasznált abroncsot cementgyárban égetnénk el, akkor ez is csak kb. a szükséges energiahordozó 12%-át tenné ki. Égetéssel hasznosítanak abroncsokat még h"er"m!vekben, papírgyári- és iszapmalmokban. Ezek a megoldások az USA-ban terjedtek el. 3. Anyagában hasznosítás Az elhasznált gumiabroncsok anyagában való hasznosítása mechanikai vagy kémiai szétválasztás után történhet. Ezek a következ"k: –#hasznosítás mechanikai darabolás után • hasznosítás egészben, nagy darabban vagy bálázás után • hasznosítás aprítás és szétválasztás után –#hasznosítás kémiai bontás után • devulkanizálás • pirolízis 3.1. Anyagában hasznosítás nagy darabokban Ez az összes hasznosítási mód kis hányada – az EUban az anyagában hasznosítás mintegy 18%-a csupán – az épít"ipar egy része alkalmazza. Jellemz"je, hogy nem mindig kell feldarabolni vagy granulálni az abroncsot (2. táblázat). Elhasznált gumiabroncsokból nagyobb darabok kivágására speciális gépek szolgálnak [2]. 2. táblázat. Elhasznált abroncsok használata nagy darabban Alkalmazás Tengeri búvóhely állatoknak Ütköz"elem kiköt"kben Földtöltések stabilizálása Támfalak er"sítése Hulladéklerakóban fólia rögzítése Útalapba Hulladéklerakó szivárgóréteg Vasúti átjáró alapjába Sínek alá rugalmas alátét Gyerekhinta, játszótéri alkalmazás
Abroncs formája egészben egészben egészben egészben egészben bálázva* sreddelve** darabolva darabolva egészben
*bálázás:
több abroncsot (125 darab) összepréselnek (65 t) és fémpánttal összefognak nagy csomagba (75$150$135 cm) (4. ábra) **sreddelve: durva aprítóval 50–300 mm-es darabokra aprítanak egy abroncsot, az acél és a textil benne marad
311
–#forgókéssel vagy préssel szobah"mérsékleten, –#alacsony h"mérsékleten, –#nagynyomású vízsugárral.
4. ábra. Abroncsbála
3.2. Anyagában hasznosítás aprítás és szétválasztás után Az európai szabvány ajánlása az elhasznált abroncs darabolásának nomenklatúrájára az 3. táblázatban található (CEN/TS 14243). A legfontosabb frakció, a gumi granulátum alkalmazási lehet"ségeit a 4. táblázat mutatja. A granulálás és a szétválasztás során három f" frakcióra bontják az abroncsot: –#gumigranulátum – hasznosításáról alább szólunk, –#acélszálak – összepréselve kohóba adagolható és a vas visszanyerhet". Fontos, hogy az acél kevés gumit tartalmazzon, ami külön m!veletet igényelhet. Ez a technológia Achilles sarka. Nehéz olyan állapotba hozni a granuláláskor képz"d" acélhulladékot, hogy az könnyen kohósítható legyen, mert összeragad, külön fázist képez. –#textilszálak (bolyh) – általában elégetik, de lehet bel"le készíteni pl. épít"ipari h"szigetel" paplant is. A gumiabroncs granulálására alkalmas technológiák: 3. táblázat. Elhasznált abroncs darabolási nómenklatúrája Darab méretei Nincs darabolás Mechanikai darabolás Sred Chip 1–10 mm-es szemcsék <%1 mm <%500 &m
Termék jellemz!k egész abroncs fél-, negyed abroncs 50–300 mm-es darabok, acél és textil benne 10–50 mm, acél és textil nélkül granulátum, acél és textil nélkül por, acél és textil tiltva finom por
4. táblázat. Elhasznált abroncsok használata granulátum formában (kis darabban) Alkalmazás Könny! töltelék, vízvezeték körül Betonadalék Aszfaltadalék, gumibitumen Lóverseny pálya Lóistálló alom M!füves futballpálya Játszótér burkolat Futópálya burkolat Kaucsuk helyett új gumitermékben
312
Abroncs formája sred, chip granulátum granulátum granulátum granulátum granulátum granulátum granulátum por, granulátum
Granulálás forgókéssel vagy préssel szobah!mérsékleten (5. ábra) Az els" m!velet a sreddelés, ami durva darabokat eredményez. Ehhez két ellentétesen, 20–40 ford/perc fordulatszámmal forgó tengelyen kések aprítják az abroncsot 2–6 t/h betáplálási sebességgel, ami nagy nyírósebességet jelent. Az energiaszükséglet 25 kWh/t. Sreddelés el"tt speciális berendezéssel a peremkarikát eltávolíthatják [2]. A finomabb aprítást nagysebesség! forgókéses malom (100–1200 ford/perc) vagy daráló (cracker mill, 30–50 ford/perc) végzi.
5. ábra. Szobah!mérsékleten m"köd! abroncs granuláló berendezés [5]. A – el!aprító, B – granulátor, C – acél és szál eltávolító, D – egymást követ! finomaprítási lépcs!k, E –#pneumatikus szállítórendszer, F – szélosztályozó, G – második mágneses elválasztás, H – szál és por eltávolító
A kapott gumiszemcse durva, nagy fajlagos felület!, szivacsos anyag. A szemcse kívánt méretét"l függ"en, az abroncsot többször is átengedhetik a granuláló és elválasztó folyamaton. Az acélt mágneses szeparátorral, míg a textil bolyhokat a s!r!ségkülönbségen alapuló ciklonnal különítik el. A módszer hátránya a viszonylag nagy energiaigény, az acélkések gyakori törése miatt nagy a karbantartási költség, és a melléktermékeknek (acél, textil) nincs piaca. A francia feltalálók által kifejlesztett berendezésben (6. ábra [3]) nagy nyomással kapjuk a 3 frakciót. Hasonló elven m!köd" gépet már a 70es években a TAURUSban 6. ábra. Nagynyomású sajtolóberendezés is kipróbáltak, de üzem2013. 50. évfolyam 8. szám
után és a granulálás el"tt az anyagot cseppfolyós nitrogénnel leh!tik –80°C-ra. Ekkor a gumi az üvegesedési h"mérséklete alá h!l és üvegszer!en törik. Így a fajlagos felülete kisebb lesz, mint a szobah"mérséklet! granuláláskor. Széles szemcseméret-tartományú frakciót kapunk. Az acél és textil elválasztása az el"z" technológia szerint történik. A nitrogén fogyasztás 1,3 kg/kg granulátum, az elektromos energiafogyasztás viszont kevesebb. A kétféle módszerrel kapott gumiszemcsék felületét a 9. ábra mutatja. Granulálás nagynyomású vízsugárral (10. ábra) A hulladék el"tisztítás után, amikor a fizikai szennyez"déseket távolítják el, 2000 bar nyomású vízsugárral le7. ábra. Acélszál, gumigranulátum és textilbolyh vágják a futót, majd az oldalfalat és a butil légzárót küszer! alkalmazására nem került sor. Más forrás is említi lön-külön. Tiszta frakciókat kapunk, nincs textil vagy ezt a megoldást [4], de ipari alkalmazásáról nem tudunk. acél szennyezés a gumiban. Szárítás után szitálással állítA granulálás során kapott f"- és melléktermékeket ják be a szükséges szemcseméretet. Jellemz" szemcsemutatja a 7. ábra. méret < 2 mm [5]. Az így kapott gumiszemcse egyáltalán nem oxidálódik a feldolgozás során. További alkalmazáGranulálás alacsony h!mérsékleten (8. ábra) sakor ez fontos körülmény. Ez a technológiai változat abban különbözik a szobaA különböz" módon el"állított gumigranulátumok tuh"mérsékleten végzett granulálástól, hogy a sreddelés lajdonságai némileg eltérnek egymástól. A fenti technológiákkal általában 0,8–10 mm közti szemcsenagyságot kapunk. Kisebb szemcsék ismételt granulálással, vagy pl. vizes "rléssel nyerhet"k, szitálás után. A minimum 0,2 mm a vizes "rlés után [6]. Ezért kell hangsúlyozni a kereskedelmi ügyleteknél az el"állítási technológiát, csakúgy, mint a hulladékabroncs eredetét, esetleg korát. A gumigranulátum felhasználásának el"feltétele a rá vonatkozó szabvány megléte. Ma az Európai Unióban még nincs szabvány a gumigranulátumokra, de el"terv már van – CEN TS 14243 –, amely alapján a mintavételezést 8. ábra. Alacsony h!mérsékleten m"köd! abroncs granuláló és a min"sít" vizsgálatokat el lehet végezni. Hasonló elberendezés [5]. ven Nagy-Britanniában létezik szabvány a gumigranuláA – el!aprító, B – fagyasztó alagút, C – kalapácsos tumokra – PAS 107 –, amelyben a definíciók, a vizsgálati tör!, D – acél és szál eltávolító, E – szárító, F – osztályozó, G – második !rlési lépcs!, H – terméktároló silók módszerek és a bizonylatolás is rögzített. A REACH rendelet elvben a gumigranulátum termékre is vonatkozik. Nehéz lenne azonban az el"írást kielégíteni, hiszen a gyakorlatban nem mindig tudja a granulátum gyártója, hogy honnan származik az abroncs nyersanyag, s mit tartalmaz. Általános megoldás lehet az EURÓPAI ABRONCS ÉS GUMIIPARI SZÖVETSÉG (EUROPEAN TYRE AND RUBBER ASSOCIATION, ETRMA) ajánlását 9. ábra. A kétféle módszerrel kapott gumiszemcsék felülete 2013. 50. évfolyam 8. szám
313
10. ábra. Nagynyomású vízsugárral való granulálás blokksémája
követni, és a termék lehetséges kockázatait az el"írásuk alapján megadni [7]. A gumigranulátumot jegyzik a t"zsdén is, speciális min"ségi el"írással (EUROPEAN RECYCLERS’ EXCHANGE, [8]). A gumigranulátumok f" felhasználási területei (4. táblázat): –#esésvéd" lapok játszóterek burkolatához, –#m!füves futballpályák, –#atlétikai pályák burkolata, –#kényelmes sétaút, –#gumibitumen aszfalthoz. El"ször az atlétikai pályák burkolata volt a f" felvev" terület, majd amikor megjelentek az európai játszóterek burkolására vonatkozó követelmények, akkor játszótereket burkoltak. A m!füves futballpályák nagyon sok gumigranulátumot igényeltek: a pályához 100 tonna gumigranulátum kell, 50 mm homok-gumigranulátum keverék a pálya alapja, amibe a m!anyag f!szálakat rögzítik [9]. A játszótéri, illetve a sportpálya burkolatokat többnyire lapokból építik fel, ekkor poliuretán ragasztóval h"kezelik a granulátumot, és présben lappá formálják. Másik megoldás, hogy a gumigranulátumhoz a leveg" nedvességére térhálósodó ragasztót adnak, kiöntik a burkolandó felületre, ahol a keverék megszilárdul. Kiemelked" jelent"ség! hasznosítás az elhasznált abroncsból készült gumigranulátum adagolása bitumenhez, majd a keverék bedolgozása az aszfaltba. A gumiaszfalt alkalmazástechnikai el"nye, hogy meghosszabbítja az aszfaltréteg élettartamát, csökken a szükséges rétegvastagság, jelent"s a karbantartási költségmegtakarítás, nem keletkezik nyomvályú, csökken a zajkibocsátás és a nedves úton a fékút. El"nyként említhet", hogy egy négyzetméter aszfaltba kb. 4 kg gumigranulátumot keverhetünk, vagyis az útépítéshez sok hulladék gumiabroncs szükséges [10, 11]. Az anyagában hasznosítás egy különleges esetét a francia koordináló szervezet, az ALIAPUR fémjelzi. Elhasznált gumiabroncsot használnak acélgyártáshoz elektromos ívkemencében, antracén adalék helyett. Eb314
ben az esetben a gumiabroncsban lev" acél és a szerves alkotók szén tartalma anyagában hasznosul, ugyanakkor ez utóbbi h"energia forrás is. Kérdés, hogy a gumigranulátum nem jelent-e veszélyt az él"világra, különösen a gyermekekre, ha találkoznak elhasznált gumiból készült tárgyakkal. Jogos ez a kérdés mindenekel"tt a sportpálya burkolatok, esésvéd" burkolatok, m!füves futballpályák esetében. Semleges közegben a gumiból nem oldódnak ki rövid id" alatt az alkotók. Viszont savas közegben a fémek (ZnO, acél alkotói), lúgos közegben pedig a szénhidrogének egy része is oldódhat. Rövid id" alatt érdemben nincs kipárolgás a leveg"be, de a nitrózamin gondot okozott 20 évvel ezel"tt, újabban pedig a policiklusos aromás vegyületek (PAH), amelyeket f"ként lágyítóként adtak az abroncskeverékhez. Ezek használatát az Európai Unióban 2010-t"l betiltották, de máshol nem [12]. Egyes közlemények felhívják a figyelmet a gumiabroncsból készült granulátum egészségkárosító veszélyeinek lehet"ségére, különösen zárt térben [7, 13]. 3.3. Elhasznált gumiabroncs hasznosítása kémiai átalakítással Devulkanizálás A granulált abroncsot visszaalakítjuk plasztikus, feldolgozható állapotba. A vulkanizált szilárd gumiban a S–S és/vagy a C–S kötéseket bontjuk fel. Erre az alábbi módszerek alkalmasak [14]: –#H"bontás: nem eléggé szelektív a bontási folyamat, önmagában már nem használatos. –#Mikrohullám (915–2450 MHz): Amerikában elterjedt módszer (GOODYEAR), gazdaságossága nem megfelel". –#Ultrahang (20–50 kHz) hatására f"ként a S–S kötések bomlanak fel, a C–C kötések nem (AKRON UNIVERSITY módszer). Állítólag az ultrahang behatol a gumitest belsejébe, ott is bontja a kén kötéseket, nemcsak a felületen. –#Kénbontó baktériumokat (thiobacilus, rodococcus, sulfolobus) használ az ún. DART eljárás, ami állítólag üzemesítés alatt van. A gumiban lev" kén 20%-át távolítják el. A baktériumos kezelés után kapott zagy elválasztása nehéz, a ZnO szilárd fázisban marad. –#Kémiai kezelés, regenerát gyártás. A gumiport semleges, lúgos vagy savas közegben, lebontószer (merkaptán, tiazol stb.) és lágyító jelenlétében autoklávban 130– 210°C-on 8–10 óráig h"kezelik (11. ábra). –#Kémiai kezelés, DeLink eljárás. 600 &m szemcseméret! gumiporhoz speciális feltárószert adnak, továbbá más adalékokat (merkaptán, tiazol, ditiokarbamát), majd golyósmalomban magasabb h"mérsékleten feltárják a kaucsukot. Az Ázsiában népszer! ún. MMR módszer esetén növényi kivonat és diallil-szulfát a feltárószer, hengerszéken keverik gumigranulátummal, f!tés nélkül. A növényi adalék miatt az eljárás környezetbarát. 2013. 50. évfolyam 8. szám
11. ábra. Gumipor kémiai kezelésének (regenerát gyártás) blokksémája
12. ábra. Az anyagában hasznosítási módszerek arányát az Európai Unióban 2009-ben [7]
–#Kémiai kezelés kompatibilitást javító adalékokkal. Nyers gumikeverékhez adagolják a gumiport, továbbá az adalékot, amely lehet pl. uretán, SBR latex, NR latex, Ricon 100 gyanta, Vestenamer, Struktol stb. A keveréket zárt kever"ben dolgozzák fel. Az eljárás lényege, hogy csökkentsék a gumikeverék költségét a granulátum bekeverésével. A devulkanizálás f"ként Ázsiában használt módszer, ahol els"sorban diagonál abroncsokat használnak. Acélradiál abroncsok devulkanizálása nem olyan hatékony. Van regenerát gyártás Ukrajnában, Oroszországban, s"t Hollandiában is, Maastrichtban épült egy 25 000 t kapacitású üzem [7].
sítására (12. ábra) már számos iparilag is alkalmazható eljárást dolgoztak ki. A hulladék hasznosítása révén nemcsak környezetünket védjük meg, hanem természeti er"forrást is megtakaríthatunk (kaucsuk, korom), így hozzájárulunk a fenntartható fejl"déshez.
Pirolízis Elhasznált gumiabroncsot rendszerint sreddelés után leveg" kizárásával hevítünk 400–700°C-on, melynek során keletkezik: –#gáz, amit visszavezetnek és elégetésével f!tik a reakció teret, –#pirolízis olaj, amit el lehet égetni és energiát termelni, vagy finomítható – nem könny! eljárás, –#korom, gumiipari alkalmazása nem megoldott, de esetleg festékként, vagy víztisztításnál sz!r"rétegként hasznosítható, –#acél, amelynek kohósítása éppolyan nehéz, mint amikor gumigranulátum melléktermékeként kapjuk [7, 15]. Az egyes frakciók mennyisége és aránya függ a pirolízis h"mérsékletét"l és a közegt"l (N2, H2O, vákuum, NaAlO2 olvadék). Az eljárás gazdaságossága még nem bizonyított, m!köd" üzemr"l nem, csak kísérletekr"l, kísérleti üzemr"l ír a szakirodalom. 4. Összefoglalás Elhasznált gumitermékek hasznosítására érdemes energiát fektetni, mert a természetben eldobva veszélyeztetik az él"világot (meggyulladhatnak, betegséget terjeszt" állatok búvóhelye). Az elhasznált gumiabroncs értékes másodnyersanyag, mert anyagában való haszno2013. 50. évfolyam 8. szám
Irodalom
[1] European Tire and Rubber Association, End of Life Tyres 2011 Edition, www.etrma.org. [2] Arcon, Gumiabroncs-újrahasznosítás, www.arcon-environmental.hu. [3] Husson-Tissier, B.; Russo, Ph.; Gros, B.; Clauzade, C.: A new scrap grade for the steel industry: Steel wires recycling from the treatment of End of Life Tires, Arcelor Mittal és Aliapur bels" tanulmánya, 2010. [4] The Kahl Alternative: Tyre Grinding with Flat-Die Granulator Presses, Tyre and Rubber Recycling, 4, 23 (2010). [5] An outstanding technology, www.hungarojet.hu. [6] Fesus, E. M.; Eggleton, R. W.: Rubber World, 203, 23 (1991). [7] Chemrisk LLC, Tyre Generic Exposure Scenario End of Life Tyre Guidance, Dec 16, 229, www.etrma.org. [8] European Recycling Marketplace, euro.recycle.net. [9] Artificial Sport Pitches, WRAP UK Tyres Publications, 15 May, 2007, www.wrap.org.uk. [10] Gumiörleménnyel módosított útépítési bitumenek, Veszprémi Egyetem bels" jelentése, 2004. [11] Rubberised Bitumen in Road Construction, WRAP UK, TYR 0009, Feb., 2006, www.wrap.org.uk. [12] Chem. Risk Inc. (Pittsburgh), Review of the Human Health & Ecological Safety of Exposure to Recycled Tire Rubber found at Playgrounds and Synthetic Turf Fields, July 17, 2008. [13] Zhang, J.; Han, I. K.; Zhang, L.; Crain, W.: Hazardous chemicals in synthetic turf materials and their bioaccessibility in digestive fluids, J. of Exposure Science and Environmental Epidemiology, 27. August (2008). [14] Integrated Waste Management Board and California Environmental Protection Agency, Evaluation of Waste Tire Devulcanisation Technologies, Dec. (2004). [15] California Waste Management Board, Environmental Factors of Waste Tire Pyrolysis, Gasification and Liquefaction, July (1995).
315
