Fém-brikettek vizsgálata reaktív gátakban történő mátrixanyagként való felhasználás céljából. Szakdolgozat

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet

Fém-brikettek vizsgálata reaktív gátakban történő mátrixanyagként való felhasználás céljából Szakdolgozat

Készítette: Fekete István Környezettechnikai szakirány Konzulensek: Dr. Gombkötő Imre, egyetemi docens Dr. Nagy Sándor, tanszéki mérnök Dátum: 2013.11.25

Miskolc, 2013

Eredetiségi nyilatkozat "Alulírott Fekete István, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a dolgozatot saját magam készítettem, a benne leírt vizsgálatokat – ha ezt külön nem jelzem – magam végeztem el, és az ismertetett eredményeket magam értem el. Adatokat, információkat csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokból használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, 2013.11.25. ................................................... a hallgató aláírása

Summary

In today’s global economy the protection of the drinking and ground water plays a significant role. This is the reason why the remediation of groundwater has become a serious question for which newer and newer technologies are being developed. Such a technology is the so-called Permeable Reactive Barrier in which zero valent iron is most often used as reactive filling media. The reason why this material is advantageous is because it can easily be oxidized while it reduces the other elements around it. Its drawback is that it is relatively expensive. So the question arises if it could be substituted with cheap scrap metal with similar characteristics e.g. wires from tyres. It is experimentally proven that scrap wire from tyres can be used for the above purposes; on the other hand it is difficult to handle due to its large volume. However, a filling material can be produced from it by briquetting which is easy to handle and to transport and the hydraulic conductivity of the briquette can be set as wished thus the material can be placed into the appropriate environment. During my research I examined wires with different diameters (1mm, 0,8mm, 0,5mm) and lengths (25mm, 12,5mm, 6,25mm, 3,125mm). I also studied the briquettability of wires with the diameter of 0,5mm chopped by a vertical cutting mill at five different pressures (50 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa, 250 MPa). I ranked the produced briquettes according to their density and the used specific work. I examined the porositypressure and the porosity- wire length dependences, then I measured the hydraulic conductivity of the briquettes in a rigid-wall permeameter. Based on the results of the measurements it can be stated that the diameter and length of the wires strongly influence the briquettability. The shorter ones are problematic to briquette even at the highest pressure. The stability of the briquettes depends mostly on the length of the wire. The porosity does not basically depend on the length but much more on the applied pressure. The hydraulic conductivity of the briquettes falls into the range of sandy-gravel’s or gravelly-sand’s therefore it can be utilized mainly in sandy-gravelly soils or in environments where the value of hydraulic conductivity is similar.

Tartalomjegyzék

1.

Bevezetés ....................................................................................................................... 1

2.

Szakirodalmi áttekintés ............................................................................................... 2 2.1

Reaktív gátak .......................................................................................................... 2

2.2

A reaktív gátak kialakításának módja ..................................................................... 3

2.3

Kezelésre használt közeg típusai ............................................................................ 4

2.3.1 Redoxireakciókat használó gátak ........................................................................ 4 2.3.1.1 Nulla vegyértékű vas (ZVI) ......................................................................... 4 2.3.1.2 Vastartalmú közegek egyéb formái ............................................................. 6 2.4 3.

4.

5.

A drót, mint vasalapú reaktív töltetanyag ............................................................... 7

Agglomerálás ................................................................................................................ 8 3.1

Kötésmechanizmusok ............................................................................................. 9

3.2

Nyomással történő agglomerálás .......................................................................... 11

3.3

Fémbrikettálási eljárások ...................................................................................... 18

Kísérleti berendezések ............................................................................................... 19 4.1

Hidraulikus brikettprés ......................................................................................... 19

4.2

Vágómalom ........................................................................................................... 20

Kísérleti vizsgálatok ................................................................................................... 21 5.1

A mérés menete .................................................................................................... 22

5.2

Brikettek minősítése ............................................................................................. 24

5.2.1 Brikettek sűrűségének meghatározása .............................................................. 24 5.2.2 Sűrűség-nyomás összefüggésének a vizsgálata................................................. 24 5.2.3 A porozitás - nyomás összefüggéseinek vizsgálata........................................... 26 5.2.4 A porozitás - szálhosszúság összefüggése ........................................................ 27 5.2.5 Az erő-elmozdulás időbeli változásának vizsgálata .......................................... 28

5.2.6 A brikettálási munka vizsgálata ........................................................................ 28 6.

Vágómalommal aprított dróttal végzett vizsgálatok ............................................... 30 6.1

Sűrűség-nyomás összefüggéseinek vizsgálata ...................................................... 32

6.2

A porozitás - nyomás összefüggéseinek vizsgálata .............................................. 33

6.3

Az erő-elmozdulás összefüggésének vizsgálata ................................................... 34

6.4

A brikettálási munka, fajlagos brikettálási munka vizsgálata ............................... 35

6.4.1 A préselési nyomás-befektetett munka összefüggése ....................................... 35 7.

Eredmények kiértékelése ........................................................................................... 36

8.

Szivárgási tényező meghatározása ............................................................................ 37

9.

8.1

A méréshez használt műszer és a mérés menete ................................................... 39

8.2

A mérés menete .................................................................................................... 40

8.3

Szivárgási tényező-porozitás összefüggése .......................................................... 41

Dróthuzalok sűrűségének vizsgálata ........................................................................ 42

10. Laboratóriumi kísérletek összefoglalása .................................................................. 43 11. Összefoglalás ............................................................................................................... 45 12. Irodalomjegyzék ......................................................................................................... 46

1.

Bevezetés Napjaink egyik legégetőbb kérdésévé vált az ivóvíz készleteink védelme és ennek

érdekében a felszín alatti vizek szennyezésének elhárítása. Ezeknek a szennyezéseknek a felszámoláshoz újabb- és újabb technológiákat dolgoznak ki, a hatékonyabb kármentesítés és gazdaságosság céljából. Ilyen újszerű technológiának számítanak a reaktív falak (Permeable Reactive Barrier). Ezeket a reaktív gátakat a felszín alá a szennyezett talajvíz áramlásának útjába építik, melyen keresztül áramlik a talajvíz így lehetővé teszi annak fizikai, kémiai vagy biológiai in-situ kezelését. A reaktív gátakban leggyakrabban használt töltetanyag az ún. nulla vegyértékű vas (ZVI). Azért előnyös a ZVI, mert könnyen oxidálódik, redukálva a környezetében lévő többi elemet, ezáltal gyakran vízoldhatatlan csapadékot képezve un. redox reakciók során, emellett viszont a gát élettartama és hatásfoka mérséklődik, mert a hidraulikai tulajdonság a felhasználás alatt nagymértékben csökken, valamint elég drága. Felmerült a kérdés, hogy nem-e helyettesíthető hasonló tulajdonságú viszonylag olcsó hulladékfémmel, mint például gumiabroncsból származó dróthuzalokkal. A Műszaki Földtudományi Karon a közelmúltban több erre irányuló kutatást végeztek. Kísérletek igazolják, hogy a hulladék vasdrót hidraulikai jellemzői jelentősen kedvezőbbek, hatásfokát figyelembe véve ugyan olyan megfelelő lehet a szennyező anyagok kiválasztására. Viszonylag olcsó és könnyű hozzájutni nagy mennyiségben [1], de nehéz kezelni a nagy térfogata miatt. Viszont brikettálással könnyen kezelhető, szállítható töltetanyagot gyárthatunk, mely során a brikett szivárgási tényezője beállítható így elvileg ezek jól környezetbe illeszthetőek. Szakdolgozatom célja fémhuzalokból eljárástechnikailag megfelelő jól környezetbe illeszthető reaktív gát mátrixanyag kifejlesztése brikettek formájában, amelyek alkalmasak lehetnek reaktív gátban történő alkalmazásra. A Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetben található dugattyús préssel végeztem kísérleteimet, melyhez az általam beszerzett különböző átmérőjű drótokat használtam a brikettek elkészítésére. Kísérleteim során vizsgáltam a drótszálak hosszának jelentőségét, valamint a préselési nyomás hatását a brikettálhatóság szempontjából. Meghatároztam a préseléshez szükséges fajlagos munkát, amely gazdasági szempontból nem elhanyagolható. Az elkészült briketteket sűrűségük és porozitásuk alapján minősítettem. Végül merev falú permeabiméterrel mértem a brikettek szivárgási tényezőjét.

1

2.

Szakirodalmi áttekintés Ebben a fejezetben a szakdolgozat előkészítéséhez szükséges szakirodalmi alapokat

ismertetem. 2.1

Reaktív gátak A reaktív gátak 1982 óta ismertek, igazán a 90-es évektől kezdetek elterjedni, a

passzív kármentesítési eljárások közé tartoznak, melyek külső energiabetáplálást nem igényelnek. Ide tartoznak szádfalak, injektált falak, jet grouting falak, injektált függönyfalak, résfalak kombinált- résfalak, reaktív gátak (Permeable Reactive Barier; PRB). [2] A PRB technológia a szennyezett talajvizek, felszín alatti vizek tisztítására szolgáló eljárás, mely reaktív anyagok segítségével teszi lehetővé a talajvíz fizikai, kémiai vagy biológiai in-situ kezelését, amely azt jelenti, hogy a talaj és a talajvíz kitermelése nélkül a természetes talajvízáramlást kihasználva megy végbe a szennyező csóva tisztítása. Leggyakrabban alkalmazott tisztítási eljárások/reakciók: redoxreakciók, kicsapatás, adszorpció, ion csere vagy biodegradáció. Más eljárásokkal összehasonlítva ez a módszer költséghatékonyabb és kevésbé környezetszennyező. A Pump and treat eljárásokhoz képest a PRB rendszer költségei akár 50 %-kal kevesebbek lehetnek. [3] A PRB- k működési elvét az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra: A reaktív gát működési elve [4]

2

2.2 A reaktív gátak kialakításának módja A reaktív gátak kialakítása számos formában történhet, ezek közül a négy legfőbb: 

Folytonos reaktív gátak



Funnel and Gate rendszer (F&G)



Kút tömbök telepítése megtöltve reaktív anyagokkal



Injektált rendszerek [6]

A négy fő konstrukció közül a folyamatos reaktív gát és a Funnel and Gate rendszer kialakítás a leggyakoribb, melyet a 2. ábra szemléltet, ezért ezt a két rendszert ismertetem az alábbiakban. A folytonos reaktív gát elhelyezése a teljes szennyezett víztesten keresztül történik úgy, hogy a szennyezett talajvíz teljes mennyisége átáramoljon rajta. A reaktív közeg áteresztő képessége egyenlő vagy nagyobb kell legyen, mint a körülötte lévő víztározó rétegé, annak érdekében, hogy a reaktív zóna körül a szennyezett talajvíz ne terelődjön el. Ha csapadékkiválás megy végbe az megzavarhatja a talajvíz áramlását a mátrixon keresztül, ezért ajánlott, hogy legalább kétszer akkora legyen, mint a talajszint alatti környezet permeabilitása. Legegyszerűbb kialakítása Fe törmelékkel megtöltött ásott árkok. Az árok kialakítását és a közeg tulajdonságait úgy kell megválasztani, hogy azok ne befolyásolják a talajvíz áramlását. Mivel ez egy passzív technológia, így a kártalanítás a szennyezett talajvíz reaktív közegek keresztüli természetes áramlásától függ. A gátat a talajvízszint alá kell elhelyezni, így a közeg telepítése közben problémát okozhatnak a vízbeáramlások vagy az árok beomlása. A telepítés közben általában a következőket lehet alkalmazni: ideiglenes résfalazás, vedersoros kotrógép, esetleg egy innovatív elhelyezési módszer. A résfalas technikával kialakított zárógáton egy vagy több reaktoron át áramlik a talajvíz, amely reaktív anyaggal van feltöltve. [5] A F&G rendszer egy része az áteresztő közeg, a többi része szigetelő falként működik, mely funkciója a talajvíz terelése az áteresztő rész felé. Ebben a rendszerben az áteresztő kapu építhető reaktor vagy kút formájában, mely lehetővé teszi a töltetanyag cserjét is. Szennyezés kiterjedésétől függően párhuzamosan kapcsolt kapu illetve reaktor építhető. Ezt a két leggyakrabban használt kialakítási formát a 2. ábra szemlélteti. Több féle szennyezés/szennyezőanyag estén sorba kapcsolt reaktorok és kapuk különböző töltetanyagokkal létesíthetők [2], melyek megfelelő kiválasztása függ a szennyezés típusától. 3

2. ábra: A reaktív gátak két leggyakoribb kialakítási formája [6] 2.3

Kezelésre használt közeg típusai A reaktív gátakban többféle töltetanyag alkalmazható. A megfelelő töltetanyag

kiválasztását a jelenlévő szennyezőanyag típusa, és a vizes fázisból való eltávolításához szükséges reakciók határozzák meg. A választott közegnek a következő elvárásoknak kell megfelelnie, amellett, hogy a szennyezőanyag eltávolítására képes: olcsó, könnyen beszerezhető, nem tartalmaz veszélyes anyagokat, így a másodlagos talajvízszennyezés elkerülhető,

hosszú

élettartamú,

azonos

szemcseméretű

anyagból

álljon,

hogy

elkerülhessük a dugulást valamint lehetővé tegyük a pontos modellezhetőséget, elég nagyméretű szemcsékből álljon ahhoz, hogy a talajvíz szabadon átáramolhasson rajta. [5] 2.3.1 Redoxireakciókat használó gátak 2.3.1.1 Nulla vegyértékű vas (ZVI) A Waterlooi Egyetem szabadalmaztatta a ZVI-t a szennyezett talajvizek reduktív kártalanítására. [5] Mind a reagens és ipari minőségű vas hatékonynak bizonyult az oldott klórozott oldószer kezelésére. [7]

4

1. táblázat: Vasreszelék tulajdonságai [5] Szemcseméret Halmazsűrűség Fajlagos felület Hidraulikus vezetőképesség

2.0 - 0.25 mm 2,6 g/cm3 1,0 m2/g 0,05 cm/sec

A vas három oxidációs állapotban létezik: 0, +2 és +3. Termodinamikai szempontból a Fe0-nak kedvező, ha Fe2+-á oxidálódik a következő reakciók szerint: Fe2+ + 2 e- Fe0,

EH = -0.44V

A félreakciót a redukció irányába szokás felírni. A folyamat ellenkezője zajlik le, mivel a Fe2+ fémvassá történő redukciója nem előnyös, így tehát a ZVI oxidálódik, átadva az elektronjait a fém-szennyezőanyagoknak, amik normál felszín alatti viszonyok között többféle oxidációs állapotban is képesek létezni. Ezekben a reakciókban nem minden fémszennyezőanyag vesz részt. A fémvas oxidációja során képes redukálni azokat a szennyezőket, melyeknek a redoxpotenciálja nagyobb, mint -0.44V (U(VI), Cr(VI)). Szakirodalmi adatok alapján gyakran használják a következő célokra: klórozott oldószerek reduktív klórtalanítása és a Cr(VI) Cr(III)-á való redukálása, ami már oldhatatlan hidroxid képzésére alkalmas. Hasonlóképpen, az UO22+-t (az U +6-os oxidációs számú) UO20-á lehet redukálni, ami már szilárd halmazállapotú (itt az U +4-es oxidációs számú) [5]. A talajvíz oxigéntelítettsége megzavarhatja a reakciókat, a ZVI oxidálódik és így FeO(OH) és Fe(OH)3 szilárd anyagok keletkezhetnek. Ezek a szilárd anyagok eldugíthatják a közeget, amely a hidraulikus áteresztő képesség csökkenésével jár, így már a nulla vegyértékű vas nem lesz jelen, hogy a szennyeződésekkel reakcióba lépjen. A vas granulátumok ki vannak téve a légköri oxigénnek, ezért a valóságban soha nem 100% fémvasból állnak, emiatt javasolt, hogy a fémvas tartalom legalább 95 tömeg % legyen, a maradék 5% pedig oxidbevonat és kisebb mennyiségű szén. A víz pH-ját a fémvas és a szennyezett víz reakciója megemeli, mert OH- -t képez, melynek növekvő koncentrációja hidroxid- és karbonát- csapadékokat eredményez, ami eltömődéshez vezethet. A karbonátok (CO32-) adják a savbázis tulajdonságokat, protont vesznek fel a pH szerint: H2CO3 + OH- HCO3- + H2O, HCO3- + OH- CO32- + H2O A protonfelvétel a karbonátok pKa értékeinél történik (pH 6 és 10,3). A talajvíz áramlását a gáton keresztül akadályozza a megnövekedett CO32- tartalom, mert vassal, kalciummal és magnéziummal szilárd anyagokat képezhet. A csapadékok képződése akkor előnyös, ha 5

azzal a mérgező fémtartalom kicsapódik a talajvízből, hátrányos akkor, ha csökkenti a gát áteresztő képességét, vagy ha megzavarja a fő szennyeződést eltávolító mechanizmusokat. A probléma megoldására különféle puffer segédanyagok adagolásával a közeghez a kémhatás semlegesen tartható. A semleges kémhatás azoknak a mikroorganizmusoknak is előnyös, amik hozzájárulnak a kármentesítés folyamatához. [5] 2.3.1.2 Vastartalmú közegek egyéb formái A ZVI a legáltalánosabban használt anyag ezen a területen, amely természetesen más formában is használatos ( Fe2+ Cu, Ni vagy Pd vegyületben). [8,5] Említésre méltók a pirit (FeS), a sziderit (FeCO3). A pirit hatékonyan puffereli a fémvas alkotta bázist, mert savat képez, ha O2-nek, vagy H2O-nak van kitéve. Megemlíthetjük még a két fémből álló közeget, ami más fémekkel bevont fémvas törmelékből áll. Ezek a bevonatok megnövelik a reakció sebességét

szerves szennyeződések esetében, valamint a szervetlen

szennyeződések eltávolítására is alkalmas. Ilyen vastartalmú közeg még a kolloid-vas, mely 1-3 mikronos átmérője miatt elég kicsi és könnyű ahhoz, hogy zagy formájában kútba injektáljuk. [5] Nátrium-ditionit A kármentesítés során egymást átfedő reakciózónákat hoznak létre nátrium-ditionit (NaS2O4) felszín alá injektálásával. A befecskendezett folyadék szabadon mozoghat a talajvízzel, ezért a szilárd közeget tartalmazó gátakhoz képest ez a megoldás több szabályozást igényel. A talajban természetes állapotban megtalálható vas(III) oxidokat vas(II) oxidokká képes redukálni. A Fe2+ pedig képes a mérgező fém szennyezőanyagokat ártalmatlan, immobilis anyagokká redukálni. [5] Poliszulfid vegyület A poliszulfid vegyület közvetlenül reagál a szennyezőkkel. A befecskendezés történhet direct-push vagy hidraulikus repesztési technológiával. Az ex-situ rendszereket (kiszivattyúzás majd felszíni kezelés) poliszulfát (S32-, S42-, S52-, S62-,) vagy biszulfit (HSO3-) vegyületeket használva alkalmazták, amiket a tiszta vízzel injektáltak. A kén oxidálódik amint a Cr(VI) Cr(III)-á (az immobilis formává) redukálódik. [5]

6

2.4

A drót, mint vasalapú reaktív töltetanyag Már korábban is felmerült a kérdés, hogy hulladék vasdrót alkalmas lehet-e reaktív

töltetanyagnak. A Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet a PEREBAR kutatási projekten belül folytatott már erre irányuló vizsgálatokat, amely során gumiabroncsból származó drótszálakat, ZVI-t és hidroxiapatitot hasonlítottak össze. A vizsgálat eredménye kimutatta, hogy a drótszálak hasonló tulajdonságokkal bírnak, mint a ZVI, viszont hátránynak számít, hogy kisebb a fajlagos felülete és, ezáltal a tisztítási hatékonysága, illetve a nagy térfogata miatt nehéz kezelni. [1] Ez a kezelési probléma brikettálással megoldható, jól szállítható töltetanyagot gyárthatunk, amely során a brikettek szivárgási tényezője beállítható így elvileg ezek jól környezetbe illeszthetőek. Nagyon fontos szempont a reaktív töltetanyag környezetbe való illesztése, amely elengedhetetlen a megfelelő működéshez. A kifejlesztett töltetanyagot a tényleges földtani környezetbe kell illeszteni, kisebb szivárgási tényező esetén a szennyezett talajvíz felduzzadhat és megkerülheti a gátat [9], nagyobb esetén depresszió léphet fel. Mindezeket figyelembe véve egy hatékony és olcsó mátrixanyagot állíthatunk elő. Világszerte évente keletkező gumiabroncs hulladék mennyisége 13,5 millió tonna, ebből az USA-ban 4,4 az EU-ban 3,4 (ebből Magyarországon 45ezer tonna keletkezik évente [25]) a világ többi részén 5,7 millió tonna.

Európában 2009-ben begyűjtött

abroncsokból mely az összmennyiség 96 %-a, 5%-a került lerakásra, 42%-át energetikailag, 33%-át anyagában hasznosítottak, 9% újrafutózásra került, 11% pedig újrahasználat céljából exportáltak. A gumiabroncsok összetételét a következő táblázat szemlélteti. [10] 2. táblázat: Gumiabroncs összetétele [11] Kaucsuk (természetes és szintetikus kaucsuk)

Töltőanyagok (korom, szilika, szén, kréta…)

Merevítő anyagok (acél, rayon, nylon, poliészter)

Lágyító anyagok (olajok és gyanták)

41%

30%

15%

6%

7

A vulkanizáláshoz szükséges vegyi anyagok (kén, cink-oxid, különböző más vegyi anyagok) 6%

Öregedést gátló és egyéb vegyi anyagok 2%

3.

Agglomerálás Az agglomerálás más szóval darabosítás, mely ambivalens folyamata az aprításnak,

vagyis az anyaghalmaz fajlagos felületének csökkenését eredményezi. Az agglomerálás lényege az egymástól független részecskékből álló anyagok szemcseméretének megnövelése a szemcsék közötti kötőerő növelésével. [12] Az eljárás során anyagok (finom szemcsés, szálas, rostos) szemcseméretét növeljük préseléssel, sajtolással, termikus módszerekkel, görgetéssel. A vegyi eljárás-technológiai iparban rengeteg lehetőség áll rendelkezésünkre por anyagok darabosítására. [13] Több iparágban fellelhető az agglomerálási eljárás alkalmazása a termelésben. Részünkre ezek közül a legfontosabb az ércelőkészítési iparág. Szemcseméret növelést az ipar különböző területein alkalmaznak. Példaként említenék néhány iparágat és termékeit, amelyet a 3. táblázatban foglaltam össze. 3. táblázat: Az agglomerátumok felhasználási területei [12] Ipari szektor Ércelőkészítés Agrártechnika Élelmiszeripar Vegyipar Gyógyszeripar Kerámiaipar Környezetvédelmi technika

Termékek/Felhasznált anyagok Ércpelletek, szinterezett érc, koksz, meddő, hengerelési reve Állati eledelek, műtrágyák, peszticidek (növényvédőszer), fungizidek (gombaölőszer) Instant termékek, édességáruk Közbülső és végtermékek előállítása Tabletta-, drazsékészítés és granulátumok Szinter-testek, katalizátorok, porlasztott granulátumok Porok-, hamuk feldolgozása, iszapok szilárdítása

Az agglomerátum előnyei a porformátummal ellentétben az alábbiak: -

halmaz térfogatsúly növekedés – előny a szilárd anyagok szállításánál, tárolásánál, csomagolásánál,

-

folyási tulajdonságok megváltozása – javul a szállíthatóság, adagolhatóság

-

javuló

keverhetőség

–

ha

a

szemcsék

mérete

azonos

(különböző

szemcseméretnél a szemcsék méret szerint szétválnak, de agglomerátumként stabil marad a keverék) -

átáramlási ellenállás – granulátum formában lényegesen kisebb, mint a porformának (nagykohó, reaktív gát)

-

csökken a kiporzás – az anyag kezelésénél (szállítás, adagolás, töltés, ürítés), csökken az anyagveszteség és megelőzhető a porok környezetszennyezése

8

-

nő a finomanyag leválasztási hatásfok [12]

A darabosítás folyamán használni kívánt eljárás kiválasztásánál szem előtt kell tartani a vizsgálatok során felhasznált anyagok fizikai és kémiai tulajdonságait. A megfelelő folyamat kiválasztása a feladás bizonyos tulajdonságaitól valamint számos egyéb tényezőtől is függ. Mindezek figyelembe vételével választjuk ki az általunk alkalmazni kívánt darabosítási módszert, melyek a következőek lehetnek: a; Felépítő agglomerálás (pelletálás) b; Nyomással történő agglomerálás (brikettezés, tablettázás) c; Szinterezés (zsugorítás) [12] A felsorolt agglomerálási eljárások elvét mutatja be az alábbi 3. ábra.

3. ábra: Az agglomerálás eljárásai, (a) felépítő agglomerálás (b) nyomással történő agglomerálás, (c) szinterezés [12] 3.1

Kötésmechanizmusok Többféle kötés léphet fel két szemcse között. A keletkezett kötéseknek két fő

csoportja van: anyag és anyagkötés nélkül létrejött kapcsolódások. Ezek további alcsoportokra oszthatók, melyeket a 4. ábra összegez. [14]

9

4. ábra: Kötésmechanizmusok csoportosítása [14]

A brikettált anyag fizikai tulajdonságai pozitívan változnak az agglomerálási eljárás során, mert nagy nyomás hatására bizonyos anyagok térfogata csökken kötőanyaggal vagy kötőanyag nélkül. Agglomerálási kísérleteim során különböző átmérőjű és különböző hosszúságú drótot használtam. A drótszálak főként alakjuk révén álltak össze ezért ez a kötéstípus jellemzi Az ipar különböző területein alkalmazzák a szemcseméret növelést, például: tüzelőanyag-gyártás, ércelőkészítés, vegyipar, gyógyipar, élelmiszeripar, agrártechnika, kerámiaipar, környezetvédelmi technika. Mivel munkám során kötőanyag nélkül dolgoztam, röviden ismertetem ennek a lényegét. A kötőanyag nélküli brikettálás manapság egyre növekvő szerepet tölt be. A megfelelő nyomás és hőmérséklet aránya hozza létre a kötőerőt. Elsősorban a biomasszák agglomerálása

során

alkalmazzák.

Alapja,

hogy

egyes

szilárd

anyagok

nagy

hőmérsékleten, akár szobahőmérsékleten összeolvadnak, képlékennyé válnak, de a nagy nyomás összeköti őket. Fontos az anyagok megfelelő nedvességtartalma, mert a víz a

10

szemcséket összetapasztja és préselés hatására a szemcsék között kapillárisok képződnek a vízből. [15] Kötőanyag nélkül alkáli fémsók, kalcium, magnézium sói, szabad fémek, plasztikus ásványok kötnek [14], ilyen anyag például a drót, melyet agglomerálási kísérleteim során használtam.

3.2

Nyomással történő agglomerálás A fentiekben említett három fő darabosítási módszerek közül a nyomással történő

agglomerálást ismertetem részletesen, mert méréseimet ezzel az eljárással végeztem.

5. ábra: Nyomással történő agglomerálás vázlata [12]

A nyomással történő agglomerálás (tablettázás, brikettezés, kompaktálás) technikáját a fentiekben bemutatott 5. ábra illusztrálja. A kísérleteim során a nyomással történő agglomerálási folyamatot alkalmaztam, ezért ezt az eljárást részletesebben mutatom be. Az érintkező felületek között, hogy a megfelelő kötőerők léphessenek fel nagy nyomás szükséges. Tehát az eljárások lényege a megfelelő nyomás alkalmazása. A tablettázhatóság és brikettálhatóság függ az adott anyag tulajdonságaitól. Meghatározó tényező a szemcseméret, az eljárási körülmény – hőmérséklet -, a kötőanyag jelenléte vagy hiánya. [16] A nyomással történő agglomerálás az egyik leggyakrabban alkalmazott eljárás a darabosításra. Az iparban hasznosítható, megfelelő minőségű brikettek előállításához a

11

kiindulási anyagnak több megfelelő jellemzővel kell rendelkeznie ahhoz, hogy a folyamat alkalmazható legyen. Nagy nyomás alatt, egyes anyagok térfogata csökken – kötőanyaggal vagy kötőanyag nélkül -, ezért a brikettált anyag fizikai tulajdonságai előnyösen módosulnak, ez a brikettálás folyamata. Alkalmazási módjait széles körben használják. Nagyüzemi –iparimennyiségben eltérő anyagokból előállíthatók brikettek, például: égetett mész, foszfátérc, vasérc, szén, koksz, faszén, szivacsos fém, öntöttvas forgács, szálló pernye, sók, biomassza és más anyagok felhasználásával. [17] Optimális feltételek kialakításával csaknem mindegyik finomszemcséjű anyag brikettálható, ha biztosított a megfelelő kötőanyag és nyomás. Vonzóerők, melyek a kellő nyomás hatására lépnek fel a van-der-Waals illetve elektrosztatikus erők lehetnek. [17] Brikettezéskor az anyaghalmaz szemcséi nyomás alkalmazásával kerülnek olyan szoros kapcsolatba, hogy amikor a nyomás megszűnik a közöttük fellépő kötőerők akkor is hatnak és a briketteknek megfelelő tömörséget biztosítanak. [18] A nyomásértékek 10 1000 MPa közé esnek, viszont 50 - 250 MPa közé eső értékeket használják a leggyakrabban. [17] Az anyag lehet jól és rosszul préselhető. A jól préselhető anyag szemcséi nyomás hatására egymáshoz igazodva formálódnak. A rosszul préselhető anyaghoz kötőanyagot tesznek vagy képlékennyé teszik az anyagot a fizikai állapot megváltoztatásával. [18] A kiindulási anyag több sajátosságának alkalmasnak kell lennie ahhoz, hogy jó minőségű, az iparban felhasználható brikettet kapjunk. Fontos a brikettálandó anyag megfelelő folyási tulajdonsága, a feladásnak kiegyenlített ütemben kell zajlania. Ekkor a berendezésben együtt haladnak a szemcsék a tömörítés folyamata alatt, ezért a brikett belsejében kiegyenlített marad a nyomási- és nyírási feszültség. A brikett elrepedhet, ha az anyag belső súrlódása túl nagy, valamely részeken kitöltetlen, túlkompaktálódik, nem kompaktálódik megfelelően. [17] A nyomással történő agglomerálás során térfogatcsökkenés valósul meg.

12

Kompresszibilitás A brikettálásnak két tulajdonsága van: a kompresszibilitás és a kész brikettek egyirányú törési szilárdsága. A kompresszibilitás megadja a kapcsolatot a sűrűség és a préselési nyomás között, viszont a szilárdságukra nem terjed ki. A kompresszibilitás meghatározására több egyenlet létezik, korlátozott érvényességi tartományú empirikus és félempirikus

közelítő

egyenletek.

Johanson

hengeres

prések

méretezésére

hatványfüggvényt dolgozott ki mérések alapján (lásd fent). 1/κ meredekségű egyenest kapunk, ha a mért ρA(p) értékeket logaritmikus hálón ábrázoljuk. κ- a kompresszibilitási tényező, mely a préselési ellenállásra jellemző érték. 2-10 közé esnek általában a kapott értékei. [19] A térfogatváltozással szemben a testek ellenállást fejtenek ki, Johanson szerint:

6. ábra: Agglomerátumsűrűség a préselési nyomás függvényében a kompresszibilitási tényező meghatározására [14]

ahol:

- agglomerátum- (tabletta-) sűrűsége, p - présnyomás, ρ*, p* - kiindulási sűrűség

és nyomás, κ – kompresszibilitási tényező [11] Brikettálási munka A mért erő-elmozdulás görbe integrálásával kapjuk meg a brikett előállításához szükséges munkát, amelyet az alábbi 7. ábra mutat be.

13

7. ábra: Erő-elmozdulás görbe a tablettázás során [14]

Az a munka, melyet a Terhelés-görbe mentén a terhelés (préselés) alatt nélkülözhetetlen be kell fektetni

és

között

(függőlegesen

vonalazott sáv). Többnyire a tehermentesítés folyamán rugalmas visszatágulás történik, ami alatt egy kisebb hányada felszabadul a befektetett munkának, ami elméletben visszanyerhető, de a gyakorlatban általában nem. [14] A két görbe közötti területen a plasztikus elváltozáshoz, súrlódáshoz, aprózódáshoz befektetett munka látható. A fajlagos tablettázási munkát egységnyi tömegre vonatkoztatva kJ/kg dimenzióban kapjuk meg. [14] A nyomással történő agglomerálás három alapformája: a) Nyomással való agglomerálás zárt formában a geometria által meghatározott tömörítés (lökethossz a pecsétnyomónál és tablettázó berendezésnél). b) Nyomással való agglomerálás nyitott formában erő (a súrlódó erő) által korlátozott tömörítés. c) Nyomással való agglomerálás hengerekkel. Ezek az alapformák többféle átalakított változatban előfordulnak, valamint egymással is kombinálódnak. [12] A három alapforma az alábbi 8. ábrán tekinthető meg.

14

8. ábra: Nyomással való agglomerálás: a) Zárt formában; b) Nyitott formában; c) Préshengerrel . Fp - préserő; FR - falsúrlódási erő; H - lökethossz; L - töltött állapot; ß1 - behúzási szög; S - brikett-vastagság (1) - pecsét, (2) – forma [12]

A brikettálás berendezései széles körben elterjedtek és számottevő a gyakorlati alkalmazásuk. Többféle géptípus létezik: - Dugattyús prés - Csigás prés - Hengeres prés - Matricás brikettáló A munkám során használt anyag brikettálására potenciálisan két berendezés jöhetett szóba a dugattyús-, illetve a hengeres prés, ezért ezt a két berendezést ismertetem részletesen. Dugattyús prés

a)

b)

9. ábra: Dugattyús présgép működésének elvi ábrája (a) és valódi képe (b) [13,14] 15

Amíg 9/a. ábrán a dugattyús présgép működésének elvét figyelhetjük meg, addig a 9/b. ábrán pedig egy valódi képet láthatunk a berendezésről. A présgép működési folyamata: a szállítócsiga a töltőtoronyba szállítja a darabosítandó anyagot, aztán elrendeződik az anyag, ezt követően a szállítócsiga leáll. A függőleges előtömörítő dugattyú az alapanyagot a préskamrába nyomja, majd az alsó végállásban marad az előtömörítő, miközben a présdugattyú előre mozog, és a brikettet tömöríti. Hossz és keresztirányú préselés is zajlik a préscsatornában. Amikor kész a brikett, a fogó kinyit, mert a présgép elérte az előre beállított nyomást, majd a fogó zárásával, a dugattyúk visszamozgásával a művelet újraindul. Napjainkban

a

dugattyús

présgépeket

elsősorban

biomassza

brikettezésére

használják, de sok más jellegű anyag préselésére is alkalmas, például: szalma, fapor, forgács, farostlemez hulladék, rézforgács, alumíniumforgács, cellulóz, papírpor, gyapot, dohány. [14] Hengeres prés A 10. ábrán hengeres présgép működési elvét és valódi képét láthatjuk.

a)

b)

10. ábra: Hengeres prés működésének elvi ábrája (a) és valódi képe (b) [14]

A hengeres présgép két azonos méretű, egymással szemben elhelyezkedő, megegyező sebességgel forgó préshengerből álló eszköz, melynek segítségével behúzzák és kompaktálják a feladott finom diszperz anyagokat. A hengerek felülete lehet sima vagy mintázott, az adott produktum formájának megfelelően. Ebből következően a tömörítés a két henger között megy végbe. [12] A két henger közül az egyiknek a csapágyai 16

hidraulikus megtámasztás vagy rúgóerő hatására elmozdulhatnak, miközben a másik henger csapágyai rögzítve vannak. Szükségszerű lehet csigás adagolóra finom porok tömörítésénél. A brikett szilárdsága és a por anyagi jellemzői írják le e géptípusoknál a fajlagos kompaktáló erő dimenzióját kN/cm –ben (1 cm préshenger szélességre eső préserő). 10 – 140 kN/cm közé esik a fajlagos kompaktálási erő ezeknél a berendezéseknél. [14] Johansontól ered a tömörítés alatt a hengerek közti résben lezajló folyamat leírása, melyet az alábbi 11. ábra szemléltet. Főbb elemei a következőek:

11. ábra: A henger prés vázlata a csúszó-zóna, a hatózóna és az előresiető zóna ábrázolásával [12] A henger-résben három zóna különböztethető meg: csúszó-zóna, hatózóna, és az előresiető zóna. A tömegáram a következőképp határozható meg:

mb = v×s×B×(1-ξ)×ρ ahol: v - kerületi sebesség, s – résméret, B – hengerszélesség, ρ –anyagsűrűség, ξkompaktum porozitása [12]

17

3.3

Fémbrikettálási eljárások A fémek brikettálásának alapvetően két típusa van, a meleg ill. a hideg tömörítés.

Meleg tömörítés Ércelőkészítésben alkalmazzák, az oxidált vasérc darabosítása 650℃ fok fölött történik, így 5g/cm3-nél nagyobb sűrűségű briketteket hoznak létre mely 1,5-2,0 % tartalmaz szenet, vastartalma 91-94 %. Kivitelezése mintával ellátott hengeres préssel történik, amely aktív felületén a nyomás 120kN/cm. [20] A melegtömörítés folyamatát a 12. ábra szemlélteti, ahol a brikett prés, és az utána kapcsolt ütő berendezés látható.

12. ábra: Meleg brikettálás sematikus ábrája [20]

Hideg tömörítés: Jól alakítható fémeknél alkalmazzák, mint például öntött vas, alumínium, acél, réz, titán, magnézium, bronz, finomcsiszolásból visszamaradt zagy. A folyamat során nagy (95%-os) tömörség érhető el, a kész briketteket a kohászatban közvetlenül olvasztókemencében használják fel. [21]

a) 13. ábra: Ruf brikettáló berendezés (a) és termékei (b) [22] 18

b)

4.

Kísérleti berendezések Ebben a fejezetben minták előkészítése és a vizsgálatok során felhasznált kísérleti

berendezéseket és azok működési elvét mutatom be. 4.1

Hidraulikus brikettprés A

kísérleteim

során

a

brikettek

elkészítéséhez

a

Miskolci

Egyetem

Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete által kifejlesztett, és legyártott hidraulikus dugattyús prést használtam. A berendezésen található két dugattyút egy hidraulikus egység működteti. A felső dugattyú végzi a préselést maximum 200 kN erő kifejtésével, az alsó dugattyú a kész brikett kiemelésére szolgál. A prés felső dugattyújában egy 20 tonnás Kaliber gyártmányú erőmérő cella található, az út mérése mágnes csíkos inkrementális elmozdulás mérővel történik. A berendezésen több paraméter változtatható: fokozatmentesen beállítható a dugattyúmozgási sebessége, az alkalmazott maximális nyomás és a hőmérséklet. A prés összeköttetésben van egy számítógéppel, amely a brikettálás során rögzíti a mérés paramétereit ezzel segítve a kiértékelést. A felső keresztgerendában elhelyezett alsó dugattyú az alaplapból kimozdítható, míg a keresztgerenda és a keret stabil, nem mozgatható. A méréseim során az alsó minta kitolására használatos- dugattyút nem használtam. A keretre többféle alapzat szerelhető, a berendezéssel 25 illetve 40 mm átmérőjű brikettek készíthetők. [23]

19

14. ábra: Hidraulikus brikettprés (Szerző saját szerkesztése)

4. táblázat: A dugattyús prés főbb műszaki paraméterei Fmax vmax Hőmérséklet tart. Tabletta átmérők Távolságmérés Adatfeldolgozás (erő, távolság)

4.2

200kN 30mm/s 20-140 ℃ 25 ill. 40mm Inklementáris PC, LabWindows

Vágómalom Vágómalmokat leggyakrabban fémhulladékok (pl: kábelhulladék) előkészítésére,

gumiabroncs finomaprítására ezen kívül fa és ólomakkumulátor hulladék utóaprítására használják. Vízszintes tengelyű malomnál 5-25 m/s sebességgel forgó vágó-rotor végzi az aprítást, ez egy stabil házban helyezkedik el, melyen állókések találhatók. A vágótér alján egy, a szemnagyságot szabályozó, cserélhető szita van, melynek funkciója a nagyobb szemcsék megszűrése. Az őrlési folyamat során a szitán csak a már elég kisméretű szemcsék jutnak át, amelyek még nem megfelelőek, azok tovább aprítódnak. A berendezésben fellépő fő igénybevételek a vágás, nyírás. Vizsgálataimhoz az intézet törőcsarnokában található függőleges tengelyű vágómalmot használtam. [24] 20

a)

b)

15/a) és15/b). ábra: Az intézetben található vertikális tengelyű vágómalom [16]

5. táblázat: Vágómalom főbb műszaki paraméterei Teljesítmény Energiaigény Tömeg Szájnyílás Rotorátmérő

5.

kb 100kg/h 5,5 kW 210 kg 170x190 mm 200 mm

Kísérleti vizsgálatok Vizsgálataim két részre bonthatóak. Elsősorban adott méretű kézzel aprított

monodiszperz, majd vágómalommal aprított nem monodiszperz anyaghalmazzal végeztem brikettálhatósági vizsgálatot. Kísérleteim során kiderült, hogy a szálak hosszúsága ás a préstérben való viselkedése a préstérhez viszonyított hosszúságuk függvényében relevánsak. Ennek tükrében a továbbiakban az alkalmazott szálhossz/préstér (l/D) számszerűsített arányát használom.

21

5.1

A mérés menete A brikettek készítéséhez általam beszerzett lágyított fekete huzalt (kötöző drótot)

használtam három különböző átmérőben (d = 0,5 mm; 0,8 mm és 1 mm). A drótokat csípőfogó segítségével méretre vágtam (l = 25 mm; 0,5 mm; 0,25 mm; 3,125 mm), a pontos szemcseméret elérése érdekében, így a szálhosszak és a préstér aránya a következőképp alakul (l/D = 1; 0,5; 0,25; 0,125 arányban). A 16. ábra szemlélteti a darabolás eredményét.

16. ábra: Dróthuzalok méretre darabolva (Szerző saját szerkesztése) A leaprított anyagból 25 g-ot mértem be minden egyes brikett elkészítéséhez, majd az intézeti dugattyús préssel elvégeztem a brikettálást, 5 különböző nyomáson (50, 100, 150, 200, 250 MPa), nyomásonként 1 darab brikettet készítettem. Az alkalmazott nyomáson kívül fontos szerepe van a dugattyú sebességének is, melyet 20 mm/s-ra állítottam. A megfelelő halmazsűrűség elérése érdekében 3 másodpercig a mintán tartottam a dugattyút a beállított nyomáson. A 17/a), 17/b), 17/c) ábra az l/D = 1 arányú szálakból elkészült briketteket mutatja, az a; d=1 mm, b; d=0,8 mm, c; d=0,5 mm átmérőjű drótszálak esetében.

22

a)

b)

c) 17/a), 17/b) és 17/c). ábra: l/D = 1 arányú szálakból elkészült briketteket (Szerző saját szerkesztése)

A brikettek készítése közben illetve a kitolásakor megfigyelhető volt, hogy a hosszabb méretű préstér átmérőjével megegyező szálak kis nyomáson is összeálltak, míg a szálhossz csökkenésével egyre több szemcse pergett le, főként a brikett aljáról. Ennek legvalószínűbb oka, hogy a feladáskor préstér aljára kerülő első pár szemcse vízszintesen, a dugattyúval párhuzamosan helyezkedett el, így ezek a szálak nem tudtak megfelelő alaki kapcsolatokat a kialakítani. A legkisebb szálhosszal (l/D = 0,125 arányú) tett brikettálási kísérletek sikertelenek voltak, mert a legnagyobb nyomás (250 MPa) is kevés volt ahhoz, hogy a brikettek összeálljanak (lemorzsolódás 100%). A brikettek lemorzsolódási arányát a 6. táblázatban foglaltam össze.

23

6. táblázat: Brikettek lemorzsolódási aránya (Szerző saját szerkesztése) Nyomás [MPa]

50

100

150

200

250

5.2

l/D arány 1 0,5 0,25 0,125 1 0,5 0,25 0,125 1 0,5 0,25 0,125 1 0,5 0,25 0,125 1 0,5 0,25 0,125

lemorzsolódás [%] d = 1 mm d = 0,8 mm 0,92 0,40 5,60 41,02 25,16 100,00 100,00 100,00 0,84 0,16 1,16 4,40 3,64 100,00 100,00 100,00 0,88 0,12 1,12 1,60 1,56 21,36 100,00 100,00 0,76 0,04 0,92 0,88 0,96 3,96 100,00 100,00 1,16 0,12 0,88 0,08 0,56 3,56 100,00 100,00

d = 0,5 mm 0,00 6,56 100,00 100,00 0,08 0,28 100,00 100,00 0,20 0,28 21,84 100,00 0,04 0,36 3,80 100,00 0,08 0,40 1,84 100,00

Brikettek minősítése

5.2.1 Brikettek sűrűségének meghatározása Az elkészült brikettek magasságát és átmérőjét tolómérő segítségével megmértem. Az átmérő megmérése azért volt fontos, mert egyes anyagok estében előfordulhat tágulás, ez a jelenség a mintáimon nem jelentkezett. A préselés során illetve a kész brikett kitolásakor kisebb tömegveszteségek léptek fel, ezért szükséges volt a brikettek tömegének lemérése. Ezekből az adatokból a sűrűségük számolható.

ahol: ρt : a brikett sűrűsége, m: a brikett tömege, V: a brikett térfogata, D: a brikett átmérője, h: a brikett magassága 5.2.2 Sűrűség-nyomás összefüggésének a vizsgálata Munkám során vizsgáltam a brikettek sűrűségét az 5.2.1 fejezetben leírtak szerint határoztam meg ezen értékeket. A kapott eredményeket a 7. táblázatban összegeztem.

24

7. táblázat: Brikettek sűrűségei (szerző saját szerkesztése) Brikettsűrűségek, ρt [kg/mᶟ] Nyomás (MPa)

50 100 150 200 250

d = 1 mm 1 3413,7 4308,5 4783,1 5018,4 5112,6

0,5 3132,1 4126,2 4641,5 4899,1 5258,5

d = 0,8 mm 0,25 4106,8 4820,8 5147,1 5445,7

1 2996,3 3893,6 4354,7 4822,2 5150,6

0,5 3848,9 4555,9 5040,6 5206,0

d = 0,5 mm 0,25 4891,3 5183,8

1 3518,0 4386,3 5074,2 5243,3 5482,9

0,5 3399,2 4341,3 5071,1 5313,7 5543,8

0,25 5130,3 5570,2

A 18. ábra a sűrűség-nyomás összefüggéseit ábrázolja 0,5; 0,8; 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból készült brikettek esetén. Szemmel láthatóan mindhárom esetben a nyomás növekedésével a brikettek sűrűsége is növekszik. A brikettek készítése során azt feltételeztem, hogy azonos szálhossz mellett, de különböző átmérőnél azonos nyomáson készített brikettek sűrűsége a szálátmérő csökkenésével fog növekedni (1mm; 0,8mm; 0,5mm). A diagramon ábrázolt értékek nem ezt igazolják. Ennek oka lehet az, ha az egyes mintaanyagok anyagi minősége eltér és képlékenységükben van különbség illetve a szálak préstérben történő eltérő elrendeződése is okozhatja az észlelt jelenséget. A kapott értékekre Johanson féle összefüggést illesztettem, az egyenes egyenletei és a kompresszibilitási tényező értékei a 8. táblázatban találhatók.

18. ábra: Sűrűség nyomás diagram 0,5; 0,8; 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

25

8. táblázat: Illesztett görbék egyenletei drót átmérő (mm) 0,5 0,8 1

Illesztett görbe ρ = 1192,45 p0,280893 ρ = 817,21 p0,334718 ρ = 1283,93 p0,256643

κ - kompresszibilitási tényező 3,56 2,99 3,90

5.2.3 A porozitás - nyomás összefüggéseinek vizsgálata Méréseim során fontos szerepet kap a porozitás változása, mely a későbbiekben vizsgált szivárgási tényezőt jelentősen befolyásolja. A 19. ábra a porozitás-nyomás összefüggéseit ábrázolja 0,5; 0,8; 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból készült brikettek esetén. A diagramon látható, hogy mindhárom esetben a nyomás növekedésével csökken a porozitás. A 0,5 mm és 1mm átmérőjű huzalból készült brikettek porozitása 50 MPa nyomáson közel megegyezik egymással, viszont a nyomás növekedésével 250 MPa on az 1mm és 0,8 mm-es átmérőjű drótból készítettek közel azonos értéket mutatnak.

19. ábra: Préselési nyomás - porozitás diagram 0,5; 0,8; 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

26

5.2.4 A porozitás - szálhosszúság összefüggése A következő 20. ábra a porozitás változását szemlélteti a szálhosszak és a préstér átmérőjének arányában (l/D) 1 mm – es drótátmérőnél mind az 5 nyomáson, értékeit a 9. táblázatban foglaltam össze. Az ábrázoltak alapján megfigyelhető, hogy a brikettek porozitásának változása 5 %-os tartományban mozog. Az ábrán jól látható, hogy 250 MPa nyomáson a préselés hatására a szálhosszak növekedésével nő a porozitás. A többi esetben 50, 100, 150, 200 MPa-on a 0,25 arányú szálakból készült brikettek értékeihez képest a 0,5 arányú szálakból készült brikettek porozitása nő, viszont az l/D = 1 szálaknál csökkenés tapasztalható. 9. táblázat: 1 mm átmérőjű drótszálból készült brikettek porozitás értékei (Szerző saját szerkesztése) l/D arány 1 0,5 0,25

poroztiás, ε [%] 50 MPa 100 MPa 56,62 45,25 60,20 47,57 47,82

150 MPa 39,22 41,02 38,74

200 MPa 36,23 37,75 34,60

250 MPa 35,04 33,18 30,81

20. ábra: Brikettek porozitásának változása a szálhossz/préstér arányának függvényében 1mm-es drótátmérőnél (Szerző saját szerkesztése)

27

5.2.5 Az erő-elmozdulás időbeli változásának vizsgálata A brikettek készítése során méréseket végeztem a dugattyús préssel összekapcsolt számítógép, valamint a berendezésen található erő-és elmozdulás mérő segítségével. A számítógép Dr. Faitli József által kidolgozott program segítségével rögzítette az erőelmozdulást az idő függvényében a brikettálás során. A program másodpercenként 50 mérési pontot rögzít, e pontok segítségével vehető fel az erő – elmozdulás diagram. Ezt a diagramot a Graph v4.4 program segítségével ábrázoltam. Az így kapott diagramokra segédfüggvényeket illesztettem (ötödfokú polinom, mozgóátlag). A függvény alatti terület a brikettáláshoz szükséges munkát adja meg. Példaként a 21. ábrán az 1mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból 100 MPa nyomáson készült brikett erő-elmozdulás diagramja látható.

21. ábra: 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból 100 MPa nyomáson készült brikett erő-elmozdulás összefüggése (Szerző saját szerkesztése)

5.2.6 A brikettálási munka vizsgálata Az 5.2.5 fejezetben ismertettek alapján a rögzített adatokból diagramot rajzoltam minden egyes brikettnél. A kapott eredményeket a 10. táblázatban összegeztem.

28

10. táblázat: Brikettek fajlagos munkaszükségletei (Szerző saját szerkesztése) Fajlagos munka w=W/mt [J/g] Nyomás (MPa)

50 100 150 200 250

d = 1 mm 1 3,94 8,81 12,21 15,36 15,48

0,5 2,22 9,06 17,15 15,42 18,22

0,25 3,56 6,15 5,83 12,57 16,17

d = 0,8 mm 1 4,90 7,35 10,47 13,35 25,23

0,5 2,86 8,35 13,42 18,29 12,58

0,25 4,79 9,91 11,32 16,33

d = 0,5 mm 1 3,52 7,02 10,75 25,11 17,79

0,5 3,00 8,26 11,01 14,96 18,94

0,25 2,12 5,56 8,86 12,16 10,06

A táblázat alapján megfigyelhető, hogy a munkaszükségletek változó tendenciát mutatnak. Egyes nyomási sorozatoknál pl. d = 1mm átmérőnél a 0,5 arányú frakció esetében 150 MPa-on, a fajlagos munkaigény nagyobb, mint 200 MPa-on. Feltételezéseim szerint ennek egyik oka lehet a feladott szálas anyag préstérben való elrendeződése. Az l/D = 1 arányú szálhossz feladáskor a teljes présteret kitöltötte, amíg pl. a 0,25 arányú szálhossznál csak a kb. préstér a felét, mivel a hosszabb szemcsék nem tudnak keresztbe feküdni a préstérben. Szemléltetésként a 22. ábra a 250 MPa-on 1 és 0,25 arányú és d = 0,8 mm átmérőjű szálakból készült brikettek erő - elmozdulás diagramját mutatja. Jól látható hogy a 1-es arányú szálhossznál hosszabb úton történt az erőkifejtés így a befektetett munka is nagyobb.

22. ábra: 250 MPa nyomáson 1 és 0,25 arányú, 0,8 mm átmérőjű szálakból készült brikettek erő-elmozdulás diagramja (Szerző saját szerkesztése)

29

6. Vágómalommal aprított dróttal végzett vizsgálatok Vizsgálataim során függőleges tengelyű vágómalommal d = 0,5 mm átmérőjű drótot aprítottam, melynek célja az volt, hogy egy valós aprítás során kapott aprított frakcióból készült brikettek viszonyítási alapként szolgáljanak az általam aprított szálakból készült brikettekkel szemben. A függőleges tengelyű vágómalommal a 0,5 mm átmérőjű dróthuzalból 210 g-ot aprítottam le. Mivel a beszerzett drót kötegelve, tekercs formájában állt rendelkezésemre ezért feladás előtt a bemért huzalköteget 4 felé vágtam így már feladható volt a berendezésre. Az aprítás során 10 mm lyukbőségű szitarácsot használtam. A 23. ábra a leaprított anyagot szemlélteti.

23. ábra: 0,5 mm átmérőjű drót aprítás után (Szerző saját szerkesztése)

Az aprítást követően a szemmel láthatóan 25 mm-nél hosszabb szálakat (9,94g) kézzel kiválogattam

az

egyszerűbb

mintakisebbítés

céljából.

A

szemcsehossz-eloszlás

meghatározása során a mintából, szabályos mintakisebbítés után reprezentatívan 24,36 g anyagot vettem, majd kézi válogatással és a szálak kiegyenesítésével (egy kis mintán) egy 50 mm-es 5 mm beosztású skála mellett, szálhossz mérete szerint meghatároztam az egyes frakciókba jutó anyag mennyiségét.

30

11. táblázat: A függőleges tengelyű malommal aprított anyag eljárástechnikai jellemzői (Szerző saját szerkesztése) x [mm] 45-50 40-45 35-40 30-35 25-30 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5 ∑

m [g] 0,31 0,14 0,73 1,45 3,20 4,47 4,27 3,94 3,71 2,14 24,36

∆ mi [%] 1,27 0,57 3,00 5,95 13,14 18,35 17,53 16,17 15,23 8,79 100

F(l) [%] 100,00 98,73 98,16 95,16 89,21 76,07 57,72 40,19 24,02 8,79

Az függőleges tengelyű vágómalommal aprított anyag szálhossz-eloszlását a 24. ábrán látható eloszlásfüggvénnyel tudjuk jellemezni. A függvény nevezetes értékei a következők: lmax= 49,5 mm; l80= 26,57 mm; l50=17,6 mm

24. ábra: Az intézeti függőleges tengelyű vágómalommal aprított anyag szemcsehosszeloszlása (Szerző saját szerkesztése) A szemcsehossz-eloszlás meghatározását követően mind az 5 nyomáson brikettáltam a leaprított anyagot, melyet a 25. ábra szemléltet. Ebben az esetben is 25 g-ot mértem be brikettenként. A folyamat során megfigyelhető volt, hogy a préstér aljába került kisebb

31

szemcsék kiperegtek a brikettből 50 MPa - on, a nyomás növelésével ez a kipergés megszűnt. A lemorzsolódás arányát a 12. táblázat mutatja.

25. ábra: Vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű dróthuzalból készült brikettek (Szerző saját szerkesztése)

12. táblázat: Lemorzsolódás aránya (Szerző saját szerkesztése) Nyomás [MPa]

l [mm]

50 100 150 200 250

0-50

6.1

0,5 [mm] lemorzsolódás [%] 3,6 1,8 0,64 0,28 0,12

Sűrűség-nyomás összefüggéseinek vizsgálata A vizsgálatok során a korábbiakhoz hasonlóan itt is vizsgáltam a brikettek

sűrűségét. A brikettek elkészítése után közvetlenül az 5.2.1 fejezetben említett módon meghatároztam a sűrűségüket. A 26. ábrán szemléltetem a kapott értékeket. Itt is megfigyelhető a brikettek sűrűsége növekszik a nyomás növekedésével. A sűrűségértékek a kézzel aprított (d = 0,5 mm) frakciókból készült brikettek értékeihez képest kisebbek. Ez a sűrűségkülönbség a nyomás növekedésével csökken, 250 MPa-on közel azonos értékeket érnek el.

32

26. ábra: Sűrűség - nyomás diagram a vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű drótból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése) 13. táblázat: Az illesztett görbe egyenlete drót átmérő (mm) 0,5

6.2

Illesztett görbe ρ = 792,79 p0,355275

κ – kompresszibilitási tényező 2,81

A porozitás - nyomás összefüggéseinek vizsgálata A 27. ábra a porozitás-nyomás összefüggéseit ábrázolja 0,5 mm átmérőjű

vágómalommal aprított drótszálakból készült brikettek esetén. A diagramon látható, hogy a nyomás növekedésével csökken a porozitás, melyet a görbe meredeksége megfelelően szemléltet. Erre a 26. ábra szövegdobozában található egyenlet meredekségét kifejező 18,9072 tag utal. A brikettek porozitása 150 MPa nyomásig jelentősen csökken, míg 200 és 250 MPa-on már lényeges kisebb a változás.

33

27. ábra: Préselési nyomás - porozitás diagram a vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű drótból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

6.3

Az erő-elmozdulás összefüggésének vizsgálata A 5.2.4 fejezetben leírtak alapján vizsgáltam a számítógép által rögzített erőt és

elmozdulást az idő függvényében a tabletták készítése során. Példaként az 150 MPa nyomáson készített brikett erő-elmozdulás függvénye látható a 28. ábrán.

28. ábra: 150 MPa nyomáson készített brikett erő-elmozdulás függvénye (Szerző saját szerkesztése)

34

6.4

A brikettálási munka, fajlagos brikettálási munka vizsgálata

6.4.1 A préselési nyomás-befektetett munka összefüggése A fentebb írt fejezetekben említett módon a kapott mérési pontokból diagramot rajzoltam minden brikettnél Graph v4.4 program segítségével. Az így kapott diagramokra segédfüggvényeket illesztettem. A függvény alatti terület a brikettáláshoz szükséges munkát adja. A 14. táblázatban a brikettek készítése során szükséges fajlagos brikettálási munkát foglaltam össze, amelyet a brikettálási munkákból kaptam az 25g-os brikettek tömegével elosztva. 14. táblázat: Brikettek fajlagos munkaszükségletei (Szerző saját szerkesztése) Nyomás (MPa) 50 100 150 200 250

Fajlagos munka w=W/mt [J/g] 4,44 8,53 12,99 13,06 20,17

A táblázatban szereplő értékeket a brikettek sűrűségeinek függvényében ábrázoltam, melyet a 29. ábra szemléltet. Az ábrán megfigyelhető, hogy a nyomás növekedésével a fajlagos munkaigény is folyamatosan nő. Feltételezésem szerint az aprított szálak jobban, rendezettebben helyezkedtek el a préstérben mind az 5 brikett készítésekor, mint a kézzel aprított frakcióknál, továbbá az aprítás során meghajlott szálak kisebb ellenállást gyakoroltak a dugattyús présre.

35

29. ábra: A fajlagos brikettálási munka a sűrűség függvényében (Szerző saját szerkesztése)

Eredmények kiértékelése

7.

A 15. táblázatban összefoglaltam a vágómalommal aprított (d = 0,5 mm) dróthuzalból készült brikettek valamint az általam kézzel aprított (d = 0,5 mm) huzalokból készült brikettek adatait. Megfigyelhető hogy a vágómalommal aprított drótból készült brikettek sűrűség értékeihez az l/D = 0,25 arányú frakcióból készültek állnak a legközelebb, bár itt a viszonyítási alap csak 2 érték. A brikettek előállításához szükséges befektetett fajlagos munkát tekintve a keverék brikettek esetében (200 MPa nyomást kivéve) nagyobb volt a munkaigény. A porozitás értékeit figyelembe véve az aprított drótból készült brikettek porozitása nagyobb, ez a különbség a nyomás növekedésével folyamatosan csökken, 250 MPa nyomáson közel azonos értéket mutat, mint az l/D = 1 arányú szálakból készült brikett. 15. táblázat: A vágómalommal aprított drótból készült brikettek adtainak összevetése a kézi aprításból készült brikettek adataival (0,5 mm átmérőjű drót). (Szerző saját szerkesztése) Nyomás (MPa)

50 100 150 200 250

Brikettsűrűségek, ρt [kg/mᶟ] vágóKézi aprítás malom 0-50 1 0,5 0,25 mm 3518,0 3399,2 3127,1 4386,3 4341,3 4066,1 5074,2 5071,1 5012,7 5243,3 5313,7 5130,3 5129,9 5482,9 5543,8 5570,2 5469,8

1 3,52 7,02 10,75 25,11 17,79

0,5 mm átmérő Fajlagos munka, w [J/g] vágóKézi aprítás malom 0-50 0,5 0,25 mm 3,00 2,12 4,44 8,26 5,56 8,53 11,01 8,86 12,99 15,00 12,16 13,06 18,9 10,06 20,17

36

Porozitás, ε [%] Kézi aprítás 1

0,5

0,25

55,30 44,27 35,53 33,38 30,33

56,81 44,84 35,56 32,48 29,54

34,81 29,22

vágómalom 0-50 mm 60,26 48,33 36,31 34,82 30,50

8.

Szivárgási tényező meghatározása Szivárgási tényező: A kőzetek vízszállítási képességével arányos tényező. Jellemzi a

fluidumot és a közeget, amelyben a folyadék áramlik. Jele: k; Mértékegysége: [cm/s], [m/d], [m/s]. A szivárgási tényező függ az áramló és az áramlási közeg jellemzőitől: Áramló közeg: 

fajsúly (egyenesen arányos) o sűrűség o nehézségi gyorsulás



viszkozitás (fordítottan arányos) o hőmérsékletfüggés

Áramlási közeg: 

szemcsék alakjától



szemcsék méretétől

A szivárgási tényezőt számítással, laboratóriumban vagy terepi (in situ) mérésekkel határozhatjuk meg. Az általam készített brikettek szivárgási tényezőit laboratóriumi úton mértem meg merev falú permeabiméterrel változó víznyomás mellett. A laboratóriumi meghatározás annak a vízmennyiségnek a mérésén alapul, amely egy adott nyomásszint mellett egy adott magasságú és keresztmetszetű mintán adott idő alatt átfolyik. Szivárgási tényező számítása: Szükséges paraméterek, értékek: l – mintatest magassága, F – mintatest felülete, H – mérőhenger „0” beosztása és az asztallap közötti távolság, d – mérőhenger belső átmérője, ebből → f – mérőhenger felülete Nyomásszintek kiszámítása: A mérés során a nyomásszintet úgy kapjuk meg, hogy a leolvasott aktuális vízszint mindegyikéhez hozzáadjuk az asztallap és a mérőhenger 0 cm-es beosztása közötti távolságot (H). Jele: hi

37

h0/hi számítása majd 10-es alapú logaritmusainak számítása A k érték számítása kétféle módszer alapján történhet. I. módszer: A kapott értékekből a következő képlettel számolható k tényező:

Ebben az esetben a minden egyes nyomásszintnél kiszámoljuk a szivárgási tényezőt, a kapott eredményeket diagramon ábrázoljuk, az x tengelyen a ∆t-t [s], az y-on pedig a kapott k [m/s] értékeit. Az ábrázolt pontokra görbét illesztünk, amikor a görbe egy bizonyos értékhez konvergál abban a pontban az x tengellyel párhuzamost húzunk, amely az y tengelyen kimetsz egy értéket. Ez az érték lesz az anyagra jellemző szivárgási tényező. II. módszer:

Az x tengelyen ábrázoljuk a h0/hi 10-es alapú logaritmusát. Az y tengelyen pedig a ∆t [s] értékeket. A kapott pontokra egy egyenest illesztünk, majd megmérjük az x tengellyel bezárt szögét, majd a megfelelő adatokat a képletbe helyettesítve számolható a szivárgási tényező.

38

8.1

A méréshez használt műszer és a mérés menete A szivárgási tényező mérését erre a célra készített merevfalú permeabiméterrel

végeztem, amely a 30. (a) ábrán látható. A mérőműszer részei: mérőhenger, gumicső, mérőhenger

állvány,

bonamidból

esztergált

mintabefogó

test

és

záródugók,

gyorscsatlakozó, túlfolyócsap, gumigyűrű. A mérőműszer részeit a 30. (b) ábra szemlélteti, paramétereit a 16. táblázat foglalja össze.

a) 30. ábra: A mérésre kész merevfalú permaebiméter (a), és annak részei (b)

39

b)

16. táblázat: Merev falú permeabiméter részeinek paraméterei Mérőhenger PVC cső

Gumicső

Mintabefogó test (bonamid)

Gumigyűrű

Túlfolyócsap Bonamid dugó alsó rész felső rész

8.2

térfogat magasság külső átmérő belső átmérő hosszúság belső átmérő külső átmérő átmérő magasság átmenő furat átmérő külső átmérő belső átmérő vastagság lyukbőség furat átmérő összmagasság átmérő magasság átmérő magasság

250 ml 100 mm 63 mm 56 mm 340 mm 8 mm 10 mm 55 mm 20 mm 25 mm 55mm 51 mm 4 mm 5 mm 12 mm 35 mm 63 mm 20 mm 55 mm 15 mm

A mérés menete A mérés során a briketteket az erre a célra készített bonamidból esztergált

gumigyűrűvel ellátott befogótestbe raktam, majd azzal együtt a pvc csőbe helyeztem, melyet a következő 31. ábra szemléltet.

a)

b)

31. ábra: Befogótestbe helyezett brikett (a), a befogótest a pvc csőbe illesztve (b)

A pvc csövet alul és felül egy-egy ugyancsak gumigyűrűvel ellátott bonamidból készült dugóval zártam. Az alsó dugó furattal és egy gyorscsatlakozóval van ellátva, amely a víz bevezetésére szolgál, a felső dugó a pvc cső zárására szolgál, mivel a felső dugó is furattal volt ellátva, ezért azt nyersgumival tömítettem el, így a rendszer tökéletesen szigetelt. Az 40

átfolyó víz elvezetésére a pvc cső felső részére szerelt csap szolgált. Az így összeállított permeabimétert egy gumicső segítségével kötöttem össze a mérőhengerrel. A mérőhengert feltöltöttem vízzel majd a csap kinyitásával kilevegőztettem a rendszert, ezt követően zártam a csapot ismét feltöltöttem a mérőhengert, így a berendezés készen állt a mérésre. A méréseket videokamerával rögzítettem, ennek oka, hogy egyes mintatesteknél a gyors vízszintcsökkenés miatt nehéz lett volna egyszerre nyitni a csapot, mérni az eltelt időt és feljegyezni a vízszintváltozást. Video lejátszó program segítségével kiértékeltem a készített felvételeket, majd a kapott értékekből a fentiekben leírt módon a II. módszerrel számoltam a szivárgási tényezőt, melyet a 17. táblázatban összegeztem. 17. táblázat: Brikettek szivárgási tényezői nyomás (MPa) 50 100 150 200 250

8.3

0,5mm v.malom 0-50mm 2,10·10-3 1,26·10-3 9,81·10-4 6,49·10-4 3,85·10-4

1mm 1 2,92·10-3 1,67·10-3 1,06·10-3 9,11·10-4 2,93·10-4

0,8mm 0,5 2,87·10-3 1,54·10-3 9,72·10-3 2,97·10-4 1,44·10-4

0,25 1,55·10-3 7,15·10-4 3,22·10-4 1,90·10-4

1 3,40·10-3 2,35·10-3 1,71·10-3 1,42·10-3 1,21·10-3

0,5mm 0,5 0,25 2,30·10-3 1,64·10-3 1,10·10-3 8,94·10-4 8,51·10-4 6,29·10-4

1 2,49·10-3 1,32·10-3 8,80·10-4 5,55·10-4 3,70·10-4

0,5 0,25 2,36·10-3 1,53·10-3 6,87·10-4 5,16·10-4 3,77·10-4 3,31·10-4 1,99·10-4

Szivárgási tényező-porozitás összefüggése

A 32. a), b), c), d) ábra a szivárgási tényezők változását szemlélteti a porozitás függvényében a különböző szálátmérők esetén.

a)

41

b)

c)

d)

32. ábra: Szivárgási tényező változása a porozitás függvényében, (a) 1mm; (b) 0,8 mm; (c) 0,5 mm; (d) 0,5 mm átmérő estében

Mind a négy esetben megfigyelhető a porozitás csökkenésével csökken a szivárgási tényező értéke. A szálátmérő csökkenésével a pontokra illesztett egyenesek egyre közelebb helyezkednek el egymáshoz, 0,5 mm átmérőnél közel fedik egymást, ebből látszik, hogy a drótszálak átmérője befolyással van a szivárgási tényezőre. A vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű dróthuzalból készült brikettek k tényezője kisebb a kézzel aprított szálakból készült brikettekéhez képest. Az ábrákról leolvasható, hogy adott szivárgási tényező beállításához különböző porozitás szükséges, pl.: 2·10-3 m/s sebességű szivárgási tényező eléréséhez l/D = 1 arány esetén 1mm-es átmérőnél 47%, 0,8 mm – esnél 45 % míg 0,5 mm átmérőnél 50%-os porozitás szükséges. A kapott értékek alapján megállapítható, hogy a brikettek szivárgási tényezője a homokos-kavics szivárgási tényezőjével hasonlóak.

9.

Dróthuzalok sűrűségének vizsgálata Vizsgálataim során felmerült az a kérdés, hogy az általam használt különböző helyről

származó drótok sűrűsége azonos e, ezért piknométeres eljárással párhuzamos mérésekkel meghatároztam azokat. A 0,5 mm átmérőjű drót sűrűsége 7,76 g/cm3, a 0,8 mm átmérőjűé 7,75 g/cm3, míg az 1mm átmérőjű dróté 7,09 g/cm3. Az 1 mm átmérőjű drót sűrűsége azért különbözik, mert eléggé rozsdás volt az anyag, ezért egy napig rozsdamaróban áztattam az anyagot, majd szárítószekrényben kiszárítottam és újramértem a sűrűségét, az így kapott 42

eredmény 7,58 g/cm3 lett. Feltételezhetően azért nem érte el a 7,75-7,76 g/cm3 értéket, mert a rozsdamaró nem oldotta le az összes rozsdát illetve a szárítás során valamilyen mértékben újrarozsdásodott az anyag.

10. Laboratóriumi kísérletek összefoglalása A vizsgálatok alapján az alábbi megállapítások tehetők: 

A drótszálak hosszúsága, átmérője erősen befolyásolja a brikettálhatóságot, a rövidebb szálak brikettálása gondot okoz az alkalmazott legnagyobb nyomás mellett is, ebből adódóan látszik, hogy a legnagyobb jelentősége az alaki kapcsolatoknak van. A brikettek készítése során a tervezett 65 db-ból 19 teljesen 100 %-osan szétesett, 4 brikettnél jelentkezett jelentős lemorzsolódás 20 és 45 % között, további 12 brikettnél 1 és 7% között, a maradék 30 darabnál 1 % alatti a lemorzsolódás aránya. A 6. táblázat és a 20. ábra adatainak együttes értelmezésével világosan látszik, hogy a brikett porozitás alapvetően nem a szálak hosszúságától függ, hanem sokkal inkább az alkalmazott nyomástól, a brikett stabilitására a szálak hosszúsága van jelentős hatással.



A préselési nyomás növekedésével nőtt a tabletták sűrűsége (értékei 2996,3 kg/m3 - 5570,2 kg/m3 között változik), ezzel együtt csökkent a porozitásuk (értékei 29,22 % – 61,20 % között változik). Ez alapvetően megfigyelhető volt az aprított minták estében is. Az aprított és a monodiszperz módon előkészített minták eredményei jelentősen egybevágtak, ezáltal úgy vélem, hogy a laboratóriumi mérések során kapott eredményeket a gyakorlatba át lehet ültetni.



Mint ahogyan az várható volt a 0,5 mm átmérőjű drótból készült brikett sűrűsége lett a legnagyobb (5570,2 kg/m3), ennek oka feltehetően a szálak kisebb mechanikai stabilitása a 0,8 mm (5183,8 kg/m3) és 1 mm (5445,7 kg/m3) átmérőjű szálakkal szemben, így jobban ki tudta tölteni a rendelkezésre álló teret.



A befektetett fajlagos munka változatos eredményeket mutat, nem monoton az értékek növekedése a nyomás növelésével (értékei 2,18 J/g – 25,23 J/g között változik), hanem bizonyos szórás mellett hoz, alapvetően növekvő tendenciát.

43



A vizsgálataim során készített brikettek szivárgási tényező értékei a homokoskavics és a kavicsos homok szivárgási tényezőjének tartományába esik (10-2 – 10-4 m/s), ezek alapján főleg homokos kavicsos talajokban lehetne alkalmazni, vagy olyan környezetben, ahol a szivárgási tényező értéke ettől nem tér el nagyságrendileg.

44

11. Összefoglalás Az ivóvizeink és ezzel együtt a felszín alatti vízkészleteink védelme a mai világgazdaságunkban fontos szerepet játszik. Ennél fogva égető kérdéssé vált a felszín alatti vízszennyezések elhárítása, melynek elérése érdekében újabb - és újabb passzív technológiákat dolgoznak ki. Ilyen technológia az ún. Permeábilis Reaktív Gát, amelynél töltetanyagként leggyakrabban nulla vegyértékű vasat alkalmaznak. Azért előnyös, mert könnyen oxidálódik, redukálva a környezetében lévő többi elemet. Hátránya, hogy viszonylag drága, így felmerült a kérdés, hogy helyettesíthető-e hasonló tulajdonságú viszonylag olcsó hulladékfémmel, mint például gumiabroncsból származó dróthuzalokkal. Kísérletek bizonyítják, hogy gumiabroncsból származó hulladékdrótok alkalmasak lehetnek ilyen célra, azonban kezelése nehéz a nagy térfogat miatt, viszont brikettálással könnyen kezelhető, szállítható töltetanyagot gyárthatunk, mely során a brikett szivárgási tényezője beállítható így elvileg ezek jól környezetbe illeszthetőek. Munkám során különböző átmérőjű (1 mm, 0,8 mm, 0,5 mm) és szálhosszúságú (25 mm, 12,5 mm, 6,25 mm, 3,125mm) dróthuzalok, illetve vertikális tengelyű vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű drót brikettálhatóságát vizsgáltam, melyeket öt különböző nyomáson (50 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa, 250 MPa) állítottam elő. Az előállított briketteket sűrűségük és befektetett fajlagos munkaigényük alapján minősítettem. Vizsgáltam a brikettek porozitás – préselési nyomás és a porozitás - szálhossz összefüggéseit, majd merevfalú permeabiméterrel mértem a brikettek szivárgási tényezőjét. A mérési eredmények alapján megállapítható, hogy a drótszálak hosszúsága, átmérője erősen befolyásolja a brikettálhatóságot, a rövidebb szálak brikettálása gondot okoz az alkalmazott legnagyobb nyomás mellett is. A brikettek stabilitására a szálak hosszúsága van jelentős hatással. A porozitás alapvetően nem a szálak hosszúságától függ, hanem sokkal inkább az alkalmazott nyomástól. A brikettek szivárgási tényező értékei a homokos-kavics és a kavicsos homok szivárgási tényezőjének tartományába esnek, ezek alapján főleg homokos kavicsos talajokban lehetne alkalmazni, vagy olyan környezetben, ahol a szivárgási tényező értéke ettől nem tér el nagyságrendileg.

45

12. Irodalomjegyzék [1]

Dr. Gombkötő I. - Nagy S.: Gépjármű abroncsból származó acél hulladék hasznosítása nehézfémmel szennyezett talajvizek kármentesítésére. Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, 3515 Miskolc, Egyetemváros

[2]

Geomechanics Kutató, Fejlesztő, Szolgáltató és Tanácsadó Betéti Társaság Passzív kezelések: reaktív falak (2007) http://www.mokkka.hu/db1/get_pic.php?db_type=mysql&table=elolap&col=rec_i d&id=163&pic=pict (letöltés ideje 2013.09.03.)

[3]

F.-G. Simon, T. Meggyes: Removal of organic and inorganic pollutants from groundwater using permeable reactive barriers, Part 1. Treatment processes for pollutants

[4]

F.-G. Simon, T. Meggyes and T. Tünnermeier Federal Institute for Materials Research and Testing.: Groundwater remediation using active and passive processes (BAM),Unter den Eichen 87, D-12205 Berlin, Germany

[5]

N. Ott: Permeable Reactive Barriers for Inorganics (July 2000)

[6]

T. Meggyes, F.-G. Simon: Removal of organic and inorganic pollutants from groundwater using permeable reactive barriers Part 2. Engineering of permeable reactive barriers

[7]

A. Gavaskar - N. Gupta, Bruce Sass, Robert Janosy, and James Hicks: Design Guidance for Application of Permeable Reactive Barriers for Groundwater Remediation (March 31, 2000)

[8]

Literature study on Reactive Materials and Attenuation Processes for Permeable Reactive Barriers (August 2000)

46

[9]

Reaktív Gátak Komplex Tervezése Madarász Tamás, Szűcs Péter, Lakatos János, Gombkötő Imre, Szántó Judit, Radeczky János, Trauer Norbert, Zákányi Balázs, Székely István Miskolci Egyetem, Multidiszciplináris tudományok, 1. kötet (2011) 1. szám, pp. 21-30.

[10]

ETRMA-European Tyre & Rubber Manufacturers’ Association: End of life tyre pdf (2010 ) http://www.genan.eu/tyres-2.aspx (letöltés ideje 2013.09.19)

[11]

Continental honlapja: http://www.continental.hu/www/download/abroncsok_hu_hu/themes/technical//ty re-basics/tyre-basics-hu.pdf (letöltés ideje: 2013.09.21)

[12]

Prof. Dr. Csőke B. - Nagy S.: 6.1.1.2. DARABOSÍTÁS, online jegyzet http://hulladekonline.hu/files/173/ (Letöltés ideje: 2013.09.18.)

[13]

Bryan J. Ennis.: CHE Magazine – Agglomeration Technology: Equipment Selection http://www.gobookee.org/search.php?q=CHE+Magazine%2C+Bryan+J.+Ennis+ %E2%80%93+Agglomeration+Technology%3A+Equipment+Selection+ (Letöltés ideje: 2013.09.03.)

[14]

Nagy S.: Hulladékok dugattyús préssel történő kompaktálásának vizsgálata, Doktori (PhD) értekezés, 2012, Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Nyersanyagelőkészítési és Környezetelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet

[15]

Tarján G.: Ásványelőkészítés II, TK 1989

[16]

Cseppely V.: Mechanikai, biológiai stabilizálásból származó másod-tüzelőanyag frakció nemesítése, 2010, Szakdolgozat

[17]

ELTE-ME:

„A

hazai

szén

biobrikett

gyártás

kutatásfejlesztés” II. Kutatási Részjelentés, 2005

47

megalapozását

szolgáló

[18]

Prof. Dr. Csőke B.: Darabosítás, Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszék, tanszéki jegyzet

[19]

Csóré B.: Lignit brikettálhatóságának vizsgálata kötőanyag nélkül, 2010, Diplomaterv

[20]

HBI – Hot Briquetting of Direct Reduced Iron Technology and Status of Industrial Applications by Dipl.-Ing. Wolfgang R. Schütze General Manager - Hot Briquetting Maschinenfabrik KÖPPERN GmbH & Co. KG http://www.gobookee.org/get_book.php?u=aHR0cDovL21ldGFsbGljcy5pbmZvL 1BERl9saWJyYXJ5LzIwMDItMkRSLnBkZgpIQkktVGVjaG5vbG9neSBhbmQg U3RhdHVzIG9mIEluZHVzdHJpYWwgQXBwbGljYXRpb25z

(letöltés

ideje:

2013.09.30)

[21]

Anyang

GEMCO

Eergy

Machinery

Co.,

Ltd.

http://www.briquettepress.com/Metal-scrap-briquetting-press.html (letöltés ideje: 2013.09.30) [22]

RUF Briquetting System: honlapja http://www.brikettieren.de/en/briquetting/materials/metal/

[23]

Nagy S.: Agglomeration of fine powders used in metallurgy, Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési

és

Környezeti

Eljárástechnikai

Intézet

Előkészítéstechnikai Intézeti Tanszék, Miskolc [24]

Prof. Dr. Csőke B.: Hulladékok ártalmatlanítása, kezelése és a hasznosítás eljárásai, http://hulladekonline.hu/files/173/ (online jegyzet) (2013.09.29)

[25]

EU vonal honlapja: http://www.euvonal.hu/index.php?op=mindennapok_kornyezetvedelem&id=1 (letöltés ideje: 2013.10.10)

48

Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretnék köszönetet mondani konzulenseimnek, Dr. Gombkötő Imrének és Dr. Nagy Sándornak, hogy vezetői és szakmai segítségükkel koordinálták kutatásaimat. Köszönöm a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet vezetőségének, hogy rendelkezésemre bocsájtották azokat a felszereléseket, amelyek szükségesek voltak méréseim elvégzéséhez. Végül, de nem utolsó sorban, megköszönöm az intézet összes dolgozójának, valamint azoknak, akik segítséget nyújtottak dolgozatom elkészítése során.

49

Ábrajegyzék 1. ábra:

A reaktív gát működési elve [4]

2. ábra:

A reaktív gátak két leggyakoribb kialakítási formája [6]

3. ábra:

Az agglomerálás eljárásai, (a) felépítő agglomerálás (b) nyomással történő agglomerálás, (c) szinterezés [12]

4. ábra:

Kötésmechanizmusok csoportosítása [14]

5. ábra:

Nyomással történő agglomerálás vázlata [12]

6. ábra:

Agglomerátums űrűség a préselési nyomás függvényében a kompresszibilitási tényező meghatározására [14]

7. ábra:

Erő-elmozdulás görbe a tablettázás során [14]

8. ábra:

Nyomással való agglomerálás: a) Zárt formában; b) Nyitott formában; c) Préshengerrel . Fp - préserő; FR - falsúrlódási erő; H - lökethossz; L - töltött állapot; ß1 - behúzási szög; S - brikett-vastagság (1) - pecsét, (2) – forma [12]

9. ábra:

Dugattyús présgép működésének elvi ábrája (a) és valódi képe (b) [13,14]

10. ábra:

Hengeres prés működésének elvi ábrája (a) és valódi képe (b) [14]

11. ábra:

A henger prés vázlata a csúszó-zóna, a hatózóna és az előresiető zóna ábrázolásával [12]

12. ábra:

Meleg brikettálás sematikus ábrája [20]

13. ábra:

Ruf brikettáló berendezés (a) és termékei (b) [22]

14. ábra:

Hidraulikus brikettprés (Szerző saját szerkesztése)

15/a), b). ábra: 16. ábra:

Az intézetben található vertikális tengelyű vágómalom [16]

Dróthuzalok méretre darabolva (Szerző saját szerkesztése)

50

17/a), b), c). ábra:

l/D = 1 arányú szálakból elkészült briketteket (Szerző saját szerkesztése)

18. ábra:

Sűrűség nyomás diagram 0,5; 0,8; 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

19. ábra:

Préselési nyomás - porozitás diagram 0,5; 0,8; 1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

20. ábra:

Brikettek porozitásának változása a szálhossz/préstér arányának függvényében 1mm-es drótátmérőnél (Szerző saját szerkesztése)

21. ábra:

1 mm átmérőjű l/D = 1 arányú drótszálakból 100 MPa nyomáson készült brikett erő-elmozdulás összefüggése (Szerző saját szerkesztése)

22. ábra:

250 MPa nyomáson 1 és 0,25 arányú, 0,8 mm átmérőjű szálakból készült brikettek erő-elmozdulás diagramja (Szerző saját szerkesztése)

23. ábra:

0,5 mm átmérőjű drót aprítás után (Szerző saját szerkesztése)

24. ábra:

Az intézeti függőleges tengelyű vágómalommal aprított anyag szemcsehosszeloszlása (Szerző saját szerkesztése)

25. ábra:

Vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű dróthuzalból készült brikettek (Szerző saját szerkesztése)

26. ábra:

Sűrűség-nyomás diagram a vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű drótból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

27. ábra:

Préselési nyomás - porozitás diagram a vágómalommal aprított 0,5 mm átmérőjű drótból készült brikettek esetén (Szerző saját szerkesztése)

28. ábra:

150 MPa nyomáson készített brikett erő-elmozdulás függvénye (Szerző saját szerkesztése)

29. ábra:

A fajlagos brikettálási munka a sűrűség függvényében (Szerző saját szerkesztése) 51

30. ábra:

A mérésre kész merevfalú permaebiméter (a), és annak részei (b)

31. ábra:

Befogótestbe helyezett brikett (a), a befogótest a pvc csőbe illesztve (b)

32. ábra:

Szivárgási tényező változása a porozitás függvényében, (a) 1mm; (b) 0,8 mm; (c) 0,5 mm; (d) 0,5 mm átmérő estében

Táblázatjegyzék 1. táblázat:

Vasreszelék tulajdonságai [5]

2. táblázat:

Gumiabroncs összetétele [11]

3. táblázat:

Az agglomerátumok felhasználási területei [12].

4. táblázat:

A dugattyús prés főbb műszaki paraméterei

5. táblázat:

Vágómalom főbb műszaki paraméterei

6. táblázat:

Brikettek lemorzsolódási aránya (Szerző saját szerkesztése)

7. táblázat:

Brikettek sűrűségei (szerző saját szerkesztése)

8. táblázat:

Illesztett görbék egyenletei

9. táblázat:

1 mm átmérőjű drótszálból készült brikettek porozitás értékei (Szerző saját szerkesztése)

10. táblázat:

Brikettek fajlagos munkaszükségletei (Szerző saját szerkesztése)

11. táblázat:

A függőleges tengelyű malommal aprított anyag eljárástechnikai jellemzői (Szerző saját szerkesztése)

12. táblázat:

Lemorzsolódás aránya (Szerző saját szerkesztése)

13. táblázat:

Az illesztett görbe egyenlete

14. táblázat:

Brikettek fajlagos munkaszükségletei (Szerző saját szerkesztése)

52

15. táblázat:

A vágómalommal aprított drótból készült brikettek adtainak összevetése a kézi aprításból készült brikettek adataival (0,5 mm átmérőjű drót). (Szerző saját szerkesztése)

16. táblázat:

Merev falú permeabiméter részeinek paraméterei

17. táblázat:

Brikettek szivárgási tényezői

53