Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet
Magneto- hidrosztatikus szeparátor szétválasztásának vizsgálata elektronikai hulladék feldolgozásából származó maradékanyaggal S z ak dol go z at
Készítette:
Ferkó Péter MF06KT
Konzulensek: Dr. Faitli József egyetemi docens Nagy Sándor tanszéki mérnök Miskolc, 2012. november 25 1
Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott Ferkó Péter, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a dolgozatban csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem."
Miskolc, 2012-11-25 ................................................... a hallgató aláírása
2
Tartalomjegyzék: Magyar nyelvű összefoglaló .............................................................................................. 1 Angol nyelvű összefoglaló ................................................................................................ 2 1. Bevezetés ....................................................................................................................... 3 2. Szakirodalmi háttér .......................................................................................................5 2.1. A RECYTECH projekt ................................................................................... 5 2.2. Az MHS jelenség ............................................................................................ 9 2.3. Vágómalom...................................................................................................10 2.4. Sűrűség szerinti dúsító eljárások ..................................................................12 2.4.1. Száraz dúsító eljárások .............................................................................. 12 2.4.2. Nedves dúsító eljárások ............................................................................. 17 2.5. Avco/NASA szeparátor ................................................................................ 20 2.6. Bureau of Mines szeparátor .........................................................................21 2.7. Hitachi szeparátor ......................................................................................... 22 2.8. Ferrofluidok .................................................................................................23 3. Intézeti szeparátor fejlesztése ...................................................................................... 25 3.1 Mágneses rendszer fejlesztése .......................................................................27 3.2 Az áramlási rendszer fejlesztése ....................................................................30 3.3 Szeparációs csatorna fejlesztése ....................................................................30 4. Szétválasztási kísérletek .............................................................................................. 31 4.1 Az MHS berendezésre feladott mintaanyagok .............................................. 31 4.2 Kémcsővel végzett kísérletek ........................................................................32 4.3 Ismert sűrűségű anyagok szétválasztási kísérletei .........................................33 4.4 Elektronikai hulladékok maradványanyagának szétválasztási kísérletei. .....35 5. Összefoglalás ............................................................................................................... 41 6. Köszönetnyilvánítás ....................................................................................................41 Irodalomjegyzék .............................................................................................................. 42 3
MAGNETO- HIDROSZTATIKUS SZEPARÁTOR SZÉTVÁLASZTÁSÁNAK VIZSGÁLATA ELEKTRONIKAI HULLADÉK FELDOLGOZÁSÁBÓL SZÁRMAZÓ MARADÉKANYAGOKKAL A szakdolgozatom címe a „Magneto- hidrosztatikus szeparátor szétválasztásának vizsgálata elektronikai hulladék feldolgozásából származó maradékanyagokkal”. A dolgozatot a 2009. január 1-én indult Nemzeti Technológiai program által támogatott a „Roncsautók és elektronikai hulladékok szerves anyagainak hasznosítására szolgáló technológiák fejlesztése a jövőbeli deponálás elkerülésére” (RECYTECH NTP Tech_08_A4) elnevezésű projekt keretében készítettem. Az Európai Unió területén elektronikai hulladékból évente közel 2 millió tonna, Magyarországon közel 140 ezer tonna keletkezik. Az ebben rejlő szervesanyag (maradékanyag) mennyisége jelentős, amely jelenleg túlnyomó részt hulladéklerakóba kerül. Ennek elkerülése érdekben az Európai Bizottság kiemelt hulladékáramként irányelveket fogalmazott A RECYTECH projekt egyik célja az elektronikai hulladékok továbbá autoshredder üzemek maradékanyagára komplex újrahasznosítási technológia kifejlesztése. A projektben a maradékanyagokból kinyert műanyag frakciót az újrahasznosítás
érdekében
sűrűség
frakciókra
kell
bontani.
A
szétválasztást
Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladékon végeztem magneto-hidrosztatikus szeparátorral. A
hulladékgazdálkodás
szempontjából
kiemelt
fontosságú
a
magneto-
hidrosztatikus jelenség. Nagy előnye az MHS szeparátoroknak, hogy jól szabályozható az áramerősség változtatásával. Részt vettem az MHS berendezés fejlesztésében. A berendezéshez kifejlesztésre került egy kéttermékes szétválasztó csatorna. Meghatároztam a szeparátor üzemi paraméterit mintaanyagokon végzett kísérletekkel. Az iparból érkezett mintán végeztem szétválasztási kísérleteket. A kísérletek azt a eredményeket hozták, hogy az élesebb szétválasztás érdekében változatni kell a mintaanyag előkészítését (szemcseméret csökkentés), továbbá a szétválasztó csatorna geometriáját.
1
The separation of magneto-hydrostatic separators in the case of residuary originated from the processing of electonic waste I wrote my thesis about the separation of magneto-hydrostatic separators in the case of residuary theme from the process of electronic waste. The essay was written for a project called “Elaboration of RECYcling TECHnologies for non-metallic automotive and electronic wastes avoiding further deposition of organic materials” (RECYTECH), which started on the 1st of January 2009, and was supplied by the National Technological Program. The EU-region produces approximately 2 million tons of electrical waste, in which Hungary has a quote of 140 thousand tons. The organic material this waste contains is significant in quantity, and most of it ends up in landfills. To prevent this, the European Committee draw an accentuated directive for the major waste streams. The aim of the RECYTECH project was to develop a complex technology to reuse the residue of electrical wastes and the remains of cars from car-shredders. In the project, the plasticfraction extracted from the residue, must be divided into density-fractions for the sake of re-usage. I did this separation with a magneto-hydrostatic separator on electrical wastes from Dunaújváros,. The magneto-hydrostatic phenomenon is very important regarding waste management. A great advantage of the MHS separator, is that it can easily be adjusted by varying the electric current. I participated in the development of the MHS equipment. We created a two output separation channel for the MHS. The service parameters of the separator were defined, with experiments done on samples. Separation experiments on samples from industrial waste were conducted. The conclusion was, that in order to get a precise separation, the preparations of the samples should be altered (in order to decrease the dense fraction), and in addition, the geometry of the separation channel should be improved.
2
1. Bevezetés A szakdolgozatom címe a „Magneto- hidrosztatikus szeparátor szétválasztásának vizsgálata elektronikai hulladék feldolgozásából származó maradékanyagokkal”. A dolgozatot a 2009. január 1-én indult Nemzeti Technológiai program által támogatott a „Roncsautók és elektronikai hulladékok szerves anyagainak hasznosítására szolgáló technológiák fejlesztése a jövőbeli deponálás elkerülésére” (RECYTECH) elnevezésű projekt keretében készítettem. Napjainkban az életszínvonal és a technológia fejlődése miatt egyre inkább megnőtt a kereslet a legmodernebb elektronikai eszközök iránt. Mindenki igyekszik a régi elavult berendezéseket modernebbekre cserélni. Az Európai Unió területén elektronikai hulladékból évente közel 2 millió tonna, Magyarországon közel 140 ezer tonna keletkezik. Az ebben rejlő szervesanyag (maradékanyag) mennyisége jelentős, amely jelenleg túlnyomó részt hulladéklerakóba kerül. Ennek elkerülése érdekben az Európai Bizottság kiemelt hulladékáramként irányelveket fogalmazott meg az elektronikai hulladékok kezeléséről minden tagállam számára, előírva, hogy 2008-ig lakosonként 4 kg e-hulladékot gyűjtsenek be, és annak 50-80% át termékfajtától függően hasznosítsák újra. Előírja továbbá 2014-ig 7-8 kg/fő/év elektronikai és elektromos berendezés begyűjtését, melynek 75-85 % át kell hasznosítani, 70-80 %-ot újrahasználat vagy újrafeldolgozás révén. A RECYTECH projekt egyik célja az elektronikai hulladékok, továbbá autoshredder üzemek maradékanyagára komplex újrahasznosítási technológia kifejlesztése. A projektben a maradékanyagokból kinyert műanyag frakciót az újrahasznosítás érdekében sűrűség frakciókra kell bontani. A szétválasztást Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladékon végezzük magneto-hidrosztatikus szeparátorral. A hulladékgazdálkodás szempontjából kiemelt fontosságú a magnetohidrosztatikus jelenség. Nagy előnye az MHS szeparátoroknak, hogy jól szabályozható az áramerősség változtatásával. Részt vettem az MHS berendezés fejlesztésében. A berendezés két fő egysége a mágneses elektromos rész és az áramlástechnikai rész. A mágneses elektromos egység kifejlesztése során nagyobb, mint 1 Tesla mágneses térerősségű elektromágneseket építettünk ahol a hiperbolikus alakú mágneses pólusok segítségével állítottuk elő az állandó gradiensű mágneses erőteret. Az áramlástechnikai egység kifejlesztése során 3 különböző szétválasztó csatornát építettünk. A csatornafejlesztési munka során megoldottuk az un. csatornafal menti súrlódás miatt fellépő instabil üzemállapotot, illetve megállapítottuk, 3
hogy a kifejlesztett 3. csatorna szétválasztási élesség szempontjából is jó. Szisztematikus kísérleteket
végeztünk
elektronikai
hulladék
feldolgozásából
származó
maradványanyagokra (műanyagokra).
4
2. Szakirodalmi háttér
2.1 A RECYTECH projekt [5] Az Európai Unió területén működő, a nagyméretű műszaki termékek (roncsautók, nagyobb háztartási gépek) automatizált feldolgozását végző 200 darab forgókalapácsos aprítómű, ún. shredderüzem évente 8-9 millió tonna hasznosításra nem kerülő nem fémes őrlési mellékterméket „hoz létre” és juttat legnagyobb részt lerakókba. Az ebben rejlő szerves anyag mennyisége ennek közel 45-50%-a, azaz 4-4,5 millió tonna mennyiségűre tehető. Ennek mennyiségét növeli még az elektronikai hulladék-feldolgozókból származó, éves szinten 1-2 millió tonna nagyságrendű, hasznosításra csak minimálisan jutó főként szerves
eredetű
hulladék.
Ezek
a
mennyiségek
folyamatosan
emelkednek.
A
hulladéklerakók gyors megtelése, a természeti erőforrásokkal történő pazarló bánásmód, a szándék a műszaki termékek gyártóinak környezettudatos tervezői, alkotói magatartásra ösztönzésére az Európai Bizottságot számos, az egyes összetett műszaki termékekre vonatkozó rendelet megalkotására és ebben az elhasználódás utáni időszakra vonatkozó új kötelezettségek megfogalmazására késztette. Mindennek elsődleges célja a gyártói termékfelelősség kiterjesztése, a „Hulladék termelője fizet” alapelv érvényesítése volt. A kiterjesztett gyártói felelősség alapján az Európai Bizottság a roncsautókra, valamint az elektromos és elektronikai hulladékokra – mint kiemelt hulladékáramokra - a 2000/53/EK és a 2002/96/EK számú irányelveket tette kötelezővé a tagállamok részére. Az irányelvek alapján Magyarországon is életbe léptek ezen kiemelt hulladékáramok jogszabályai (többek között a 264/2004. Korm. rendelet és a 267/2004. Korm. rendelet). A jogszabályoknak megfelelően mind a roncsautók, mind az elektronikai hulladékok esetén kiépültek hazánkban az országos átvevőhelyek és bontóüzemek. Az elektronikai hulladékok esetén a hulladékkezelési feladatok átvállalására több koordináló szervezet is létrejött gyártói kezdeményezésre, amelynek elsődleges mozgatóeleme a speciális, európai államokban általában kevésbé ismert és alkalmazott termékdíjas rendszer működése volt. A termékdíj fizetés alóli mentesülés feltétele a gyártók részéről a meghatározott visszagyűjtési arányokat teljesíteni képes begyűjtői hálózat megvalósítása és folyamatos, megbízható működtetése. Mind a roncsautók, mind az elektronikai hulladékok esetén törvényben leírt mértékű hasznosítási kötelezettség áll fent, amelynek teljesítése jelenleg is komoly nehézséget okoz, mindez a jövőben a növekvő kvóták miatt súlyos 5
problémákat fog eredményezni. Roncsautók esetén 2015-re el kell érni a 95%-s hasznosítási arányt és ezen belül az anyagában történő hasznosításnak el kell érni a 85%ot. Az elektronikai hulladékok esetén a tíz berendezés kategórián belül eltérő hasznosítási kötelezettség van előírva, ezek értéke 70-80% között változik. Az elektronikai hulladékok esetén ezen értékeket már 2008-ban teljesíteni kell. Ma Magyarországon évente mintegy 120-130 ezer roncsautó és közel 140 ezer tonna elektronikai hulladék keletkezik. A kézi előbontást követően a roncsautókat automatizált mechanikai zúzó-aprító eljárásnak, shredderezéses aprításnak vetik alá, amelynek eredményeképp a fémfrakciók (amely a roncsautók nagyjából 70%-át teszi ki) szeparálása megoldottnak tekinthető. Jelenleg Magyarország legnagyobb shredderüzeme az Alcufer Kft Fehérvárcsurgói üzeme. Ezen kívül még két nagyobb shredderüzem működik Budapesten. A shredder technológia alkalmazása világszerte ismert és bevált hulladék-feldolgozási módszer, azonban alkalmazása során keletkezik egy nem-fémes anyagokat tartalmazó melléktermék - a shredder maradékanyag („könnyűfrakció”) –, amely kevert műanyag, gumi, üveg, textil frakciókból áll. Ez a vegyes frakció jelenleg szinte
kizárólag
hulladéklerakókba,
csak
ilyen
hulladékot
befogadni
képes
monodepóniákba jut. Az 1. ábrán egy általános autóshredderüzem törzsfája látható.
1.ábra: Általános autóshredder üzem törzsfa
6
Az elektronikai hulladékok esetén több kisebb shredder is működik hazánkban, de jelentős kapacitásokkal rendelkező üzem igazából csak Dunaújvárosban, Jobbágyiban és Budapesten üzemel. Egy elektronikai hulladék feldolgozó üzem technológiáját mutatja a 2. ábra. Az elektronikai hulladékok méretben és anyag összetételben is jelentősen különböznek a roncsautókétól. A műanyagtartalma is magasabb, átlagosan kb. 20%-os (egyes berendezés kategóriában ez elérheti a 40%-ot is). Ennek köszönhetően az elektronikai hulladékok feldolgozásából fajlagosan nagyobb mennyiségű „problematikus frakció” nehezíti meg az üzemeltetők életét, a fellelhető hasznosítási kapacitások hiányában.
Feladás
APRÍTÁS I.
MÁGNESES SZEPARÁLÁS
mágneses fém I.
SZEPARÁLÁS Légáramkészülék
műanyag I.
ÖRVÉNYÁRAMÚ SZEPARÁTOR ill. EGYÉB LEVÁLASZTÁS
egyéb fém I.
APRÍTÁS II.
PORELSZÍVÁS
MÁGNESES SZEPARÁLÁS
mágneses fém II.
SZEPARÁLÁS Légáramkészülék
műanyag II
ÖRVÉNYÁRAMÚ SZEPARÁTOR ill. EGYÉB LEVÁLASZTÁS
egyéb fém II.
maradvány
2. ábra: Elektronikai hulladék törzsfák
7
A shredderezést követően a roncsautókból és az elektronikai hulladékból származó maradékanyag (könnyű frakció) mennyisége elérheti az 50 ezer (a tervezett újabb shredderkapacitások rendszerbe állításával pedig akár a 100 ezer) tonnát, amely a hazai hulladéklerakókat terheli. Bár ezek mennyiségét számos nemzetközi és hazai jogszabály (többek között a szerves anyagok lerakóba jutását akadályozni hivatott lerakási – Landfill – direktíva is) csökkenteni kívánja, az igazi áttörést eredményező technikai, technológiai háttér eddig nem született meg. Ettől függetlenül előfordulhat, hogy az aktuális magyar környezetvédelmi kormányzat számos EU-s Tagállam gyakorlatát követve (pl. közvetlen szomszédunk Ausztria példáját) kísérletet kíván tenni a shredderezési könnyűfrakció lerakásának teljes megtiltására, amely törekvését ösztönözheti a már említett lerakási (Landfill-) direktíva hazai derogációjának 2009. július 16-i végső határidős kifutása. Ez a direktíva alapvetően gátat kíván szabni a szerves anyagok jövőbeli hulladéklerakókban történő elhelyezésének, amely a mennyiségét tekintve legalább 50%-ban ilyen anyagokat tartalmazó automotive shredder-könnyűfrakció és elektronikai hulladék őrlési maradékok esetében az azok hasznosítására szolgáló szeparációs és hasznosítási technológiák hiányában megoldhatatlan feladat elé állítaná a hazai shredderüzemeltetőket. A projekt célja éppen ezért olyan komplex
újrahasznosítási
technológia
és
hozzá
tartozó
kisüzemi
berendezések
kifejlesztése, amelynek eredményeként a problematikus anyagfrakciók egymástól elválaszthatók, a szétválasztott, elkülönített anyagáramok az anyagkörfolyamatokba részben, vagy egészben visszavezethetők, miáltal jelentősen csökkenthető a lerakóba jutó hulladék mennyisége. Első lépésben az automotive shredder könnyűfrakciók és az elektronikai hulladékok feldolgozási maradékának optimális szeparátor-technológiája kerül kiválasztásra, amely segít az egyes anyagáramok fizikai tulajdonságokon alapuló szétválasztásában, majd ezt követően a szétválasztott anyagféleségek anyagában történő hasznosítását kívánja a program konkrét alkalmazások hozzárendelésével elősegíteni. A projekt újdonságtartalma: A projekt újdonságtartalmát az adja, hogy eddig Magyarországon egyetlen olyan projekt célkitűzés sem fogalmazódott meg az egyes hulladékáramok tekintetében, amely több Magyarország által harmonizált Európai Uniós jogszabály együttes teljesítését kívánta volna elősegíteni, megvalósítani. Ez azt jelenti, hogy mind az autóroncsok, mind az elektronikai hulladékok esetében, amellett, hogy a fejleszteni kívánt technológia és prototípus hozzájárul a hasznosítási irányszámok teljesítéséhez, segít teljesíteni a szerves hulladékok lerakásának korlátozását elrendelő másik direktíva célkitűzéseit is. 8
Mind a fejleszteni kívánt szeparációs technológiák, mind a mintapirolizátor olyan eszközt testesít meg, amelyek alapvetően új megközelítésben tálalják a problematikus frakciók hasznosítását, ilyen alapon felépített hasznosítási koncepció, ezekkel az eszközökkel nem létezik egyetlen hulladékfeldolgozó üzemben (shredder + elektronikai feldolgozó) sem.
2.2 Az MHS jelenség [1] A jövő szempontjából kiemelt fontosságú a magneto-hidrosztatikus jelenség. A magneto-hidrosztatikus jelenséget (MHS) tapasztalhatjuk akkor, amikor egy paramágneses testet (amit levegőben egyébként az inhomogén mágneses térben vonz a mágnes), olyan közegbe helyezzük (ugyanabban az eredeti mágneses térbe), amelynek mágneses szuszceptibilitása nagyobb, mint a szemcséé, akkor e testet a mágnes (a közeg „kiszorítván” magából) eltaszítja. Az MHS mágneses erőt a nehézségi erő egyenlíti ki, s mivel a mágneses tér inhomogén, a különböző sűrűségű szemcsék különböző magasságban foglalják el egyensúlyi helyzetüket, ahonnan elvezethetők. A mágnesezhető közeg lehet mágnesezhető fémsók ( pl. vas-, nikkel-klorid…) oldata, vagy nanoméretű magnetit részecskékből képzett stabil szuszpenzió ( ez utóbbiak a leghatásosabbak). Az MHS szeparátorok nagy előnye, egyszerűségében és szabályozhatóságában van: a gerjesztő áram változásával ugyanis a látszólagos elválasztási sűrűség fokozatmentesen, jól szabályozható. A Frantz MHS szeparátor megtalálható a legtöbb műszaki laboratóriumban. A korábbi kutatások és alkalmazások főként az ásványiparra koncentrálódtak, ezen belül az értékes ásványokra
is.
Ez
a
technológia
fontos
változásokat
eredményezett
a
hulladékgazdálkodásban, különösképpen az újrahasznosításban, az autó- és elektronikai hulladékok feldolgozása során keletkező maradvány anyagokra. A múltban a gazdasági és környezetvédelmi jelentősége nagyban megnőtt a használt autóipar és az elektromos készülékek újrahasznosításának Magyarországon. Ez az oka az új kutatásnak amit nálunk a Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetben kezdtek.
9
3. ábra: Mágneses folyadékban lévő anyagra ható erők a mágnes pólusai között
2.3 Vágómalom [4,10] A Dunaújvárosból érkezett minta előkészítésének fontos lépése volt a feltárás, melynek lényege az volt, hogy a szerkezeti elemek elkülönüljenek egymástól, az összenövések megszűnjenek, ezzel lehetővé téve a minta szeparálását. Ezt a műveletet MD 200 típusú lehel gyártmányú műanyagőrlő géppel végeztem, ami egy függőleges tengelyű vágómalom. Ezt a gépfajtát általában szálas, rugalmas, viszko- elasztikus, képlékeny anyagok finomapritásánál, őrlésénél alkalmazzák. Az aprítás a stabil házban, nagy fordulatszámon forgó rotor, és a ház peremére felszerelt álló kések között következik be. Az aprítóteret oldalról egy szita határolja, amellyel szabályozni lehet a kikerülő végtermék szemcseméretét.
10
A műanyagőrlő főbb tulajdonságai: Teljesítmény: kb 100 kg/ó Energia igény: 5,5 kW Tömeg: 210 kg Szájnyílás: 170 × 190 mmVégtermék: 3-5 mm
4. ábra: Intézeti vágómalom
11
2.4 Sűrűség szerinti dúsító eljárások[2,3] A következő fejezetben bemutatok különböző dúsító eljárásokat, melyeknek célja a magneto- hidrosztatikus szeparátorhoz hasonlóan a mintaanyag darabjainak egymástól való sűrűség szerinti elkülönítése. Dúsítás: A dúsítási eljárások a szemcsék közötti fizikai, kémiai különbségeken alapszanak. Ezeket a tulajdonságbeli különbségeket felhasználva lehet egymástól elválasztani a darabokat. Ahány fizikai tulajdonságot ismerünk, annyi különböző dúsítási eljárás létezik. A szétválasztásnak azonban az is feltétele, hogy a szemcsék különböző anyagminőségűek legyenek. A hulladékokban pl.: számítógépekben ezek az anyagok gyakran együtt (összenövés) fordulnak elő. Ezért ezeket először szét kell szednünk (feltárnunk), hogy a dúsítás elvégezhetővé váljon. Ezt általában aprítással érhetjük el. Az aprítás mértékét az adott hulladékban lévő szerkezeti anyagok legkisebb mérete határozza meg. A dúsítás tehát az aprítással feltárt komponensek egymástól való szétválasztása a köztük lévő fizikai, fizikai- kémiai tulajdonságkülönbségek alapján. Az eljárások csoportosíthatók közeg szerint. Így megkülönböztethetünk egymástól száraz és nedves eljárásokat. 2.4.1 Száraz dúsító eljárások[2]: A sűrűség szerinti száraz szétválasztás történhet áramkészülékekben, ellenáramú vagy keresztáramú légáramban süllyedési végsebesség szerint, vagy légárammal fluidizált ágyban sűrűség szerint aerocsatornával, légszérrel vagy légülepítőgéppel. Többféle alkalmazási területük ismert, amelyek a lenti táblázaton vannak feltüntetve:
12
1.táblázat: Eljárások hatásossága különböző hulladékokra[2] Légáramban történő szétválasztás áramkészülékkel [2]: A légáramban való szétválasztás alapja a szemcsék eltérő süllyedési végsebessége. A süllyedési végsebesség meghatározható az eredő erők egyensúlyi helyzetre vonatkozó összefüggéséből (∑ „A
süllyedési
). végsebesség
alapján
a
szétválasztás
az
ellenáramú
áramkészülékekben például oly módon valósulhat meg, hogyha szemcséket mozgásukkal szemben áramló közegbe helyezzük, akkor azok a szemcsék, amelyeknek nyugvó közegben kisebb volt a süllyedési sebessége (v0), mint a közegáram sebessége (w), azokat a közeg magával ragadja; a közegáramnál nagyobb süllyedési sebességű szemek pedig a közeggel szemben haladva kiülepednek.”
13
5. ábra: Szeparálás áramkészülékkel ellen és keresztáramú közeggel[2] A Miskolci Egyetem Nyersanyag Előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében készült és az Alpine cég által legyártott cikk- cakk dúsító készülékkel, (melynek ábrája lejjebb látható) az elvégzett kísérletek szerint, nem csak a könnyű fa, műanyag, papír és gumi választhatók el hatásosan a fémektől, betontól vagy a téglától, hanem a tégla a betontól is.
6. ábra: A miskolci egyetemi és az Alpine ellenáramú légáramkészülék[2]
14
A keresztáramú légáramkészülék [2]: A keresztáramú légáramkészüléket leggyakrabban a roncsautók illetve a építési hulladékok feldolgozása során alkalmazzák a könnyűfrakció kinyerésére, valamint a szilárd települési hulladékoknál nagy fűtőértékű másod-tüzelőanyag kinyerésére.
7. ábra: Ellenáramú légáramkészülék[2] Dúsítás légszérrel [2]: „A légszérek szemipermeábilis (perforált) asztalán átáramló, a ventilátor által szállított levegő fluid ágyat hoz létre, amelyben a nagyobb sűrűségű szemek az asztalra ülepednek, és e szemeket a vibrációs asztal a lejtőn felfelé kihordja, miközben a kissűrűségű fluidizált szemcsék a lejtő irányába lefolynak a szérasztalról. A légszérek kapacitása: 1…2 t/h.m2.” A folyamat során a tiszta kis és nagy sűrűségű szemcsék mellett kevert frakció is keletkezik, amelynek a további tisztítása szükséges.
15
8. ábra: kéttermékes légszér
Az Aero- csatorna [2]: „Az aero-csatorna száraz dúsító berendezés, ahol az enyhén dőlt és lefelé szűkülő csatornában az alulról bevezetett levegő hatására fluidizált ágy (és lefelé irányuló szemcseáramlás) alakul ki, amelyben a nehezebb és nagyobb süllyedési végsebességű szemcsék a csatorna aljára dúsulnak fel, miközben könynyebbek és kisebb süllyedési végsebességű szemcsék pedig az ágy felsőrétegébe szállítódnak. Az elkülönült szemcserétegek a csatornavégen terelőlappal egymástól elvezethetők.” Az ülepítőgépek: „Az ülepítés lényege gép szitáján levő szeparálásra feladott szemcsehalmaz szakaszos fel-fellazítása és a szitára való visszaülepítése, miáltal az anyagréteg sűrűség szerint rendeződik. A fellazítás vagy szita, vagy pedig a közeg (levegő vagy víz pulzáló) mozgatásával érjük el. A sűrűség szerinti szétrétegződés annak köszönhető, hogy az ülepítőgép szitáján lévő szemcsehalmaz-ágynak a fellazított állapotában is nagy a szilárd részek térfogataránya, amely a rétegek összezáródásakor még nagyobbra növekszik. Minél nagyobb szemcsék térfogataránya az ágyban, annál nagyobb az ágyat alkotó szilárd szemcsék és a köztük levő közeg a sűrűsége, és ezzel együtt az ágy szemcséire gyakorolt felhajtóerő. Az ágy (jelen esetben levegő-szilárd keverék) sűrűségénél nagyobb sűrűségű szemek leülepednek az ágy aljára, a kisebb pedig felúsznak az ágy tetejére.” 16
9.ábra: Dúsítás ülepítőgéppel[2]
2.4.2 Nedves dúsító eljárások [3] A nedves dúsító eljárások nagy előnye a szárazokkal szemben, hogy sokkal pontosabban lehet velük a szemcséket szétválasztani. Viszont a keletkező mellékterméket (szennyvízet) tisztítanunk szükséges, továbbá az iszap megfelelő lerakásáról is gondoskodnunk kell. Ezeket az eljárásokat hulladékelőkészítés területén első sorban az autó és elektronikai hulladékokból történő fém kinyerésére, és építési hulladékok kezelésére használják. A következő táblázatban fel vannak tüntetve az eljárások alkalmazási területei:
2.táblázat: Dúsitási eljárások összehasonlítása különböző hulladékokra[3] 17
Gravitációs nehézszupenziós szeparátorok[3]: Ezeknek a szeparátoroknak a működési elve eléggé egyszerű. A szuszpenziótól vagy oldattól nagyobb sűrűségű szemcsék leülepszenek a kád aljára és onnan könnyen eltávolíthatóvá válnak egy kihordószerkezet segítségével. A kisebb sűrűségű szemcsék viszont a felszínen lebegve a túlfolyón az oldattal vagy szuszpenzióval együtt távoznak.
10.ábra: Láncos vonszoló[3] Örvénycsövek[3]: Ez egy hengeres tartály, amelybe tangenciálisan vezetik be a közeget. A közeg egy örvénypályán végighalad a hengeren. A közeg a bevezetési módjától függően vagy ellentétes vagy megegyező irányban halad a szemcsékkel. „A közegnél kisebb sűrűségű, abban úszó szemcséket a tengelyvonalban beépített csővel vezetjük el, miközben a közegnél nagyobb sűrűségű szemcsék az örvénycső falán ülepednek ki, és örvénycsőhöz tangenciálisan illeszkedő kihordó csövön (vagy csöveken) keresztül távoznak. Az ellenáramú készülék esetében háromtermékes szeparálás is megvalósítható, ha a hengert két részre osztjuk, és az egyes szakaszokra eltérő sűrűségű közeget vezetünk.”
18
11.ábra: Örvénycső[3]
Szétválasztás nedves szérrel[3]: Finomabb szemcséjű anyagok sűrűség szerinti osztályozására használják. A szér egy hosszirányban lökött enyhén lejtő lapból áll, amelyen vékony áramban víz folyik. Erre adják fel a szétválasztandó anyagot. A széren a szétválasztás sűrűség alapján tör-ténik úgy, hogy a szérlapon a vékonyvízárammal fellazuló anyagágyban a szemcsék egyrészt a szér hosszirányában (a szérlap-mozgatás irányába) a tömegerők révén, másrészt a szérlap dőlése irányában a víz szállító ereje hatására eltérően mozognak: a nagyobb szemek a szérlap dőlése mentén, a nagyobb sűrűségűek a hosszirány (lökés irányában) haladnak nagyobb sebességgel. A bordázott szérek esetében a bordázat (vagy keresztlécek) megakadályozzák a bordázatba beülő finom nehéz szemeknek a lejtő irányba való haladását, s ezáltal a szérlap legtávolabbi pontján hagyják el szérlapot.
19
12.ábra: Nedves szér[3]
2.5. Avco/ NASA separator (1973) [6] A NASA által megbízott Avco System Division kifejlesztett egy szeparátort azzal a céllal, hogy autoshredder maradványokból vissza tudják nyerni a nem mágneses fémeket. A készülék kerozin bázisú ferrofluidot használt, amivel egy 50 mT mágneses erő mellett lehetséges volt a nem mágneses fémek kinyerése az aprítékból. A feladást követően egy szalag szállítja keresztül az anyagot a folyadékon. A kisebb sűrűségű szemcsékre a MHS elv miatt felhajtó erő hat, ezért lebegnek. Ezeket a lebegő anyagokat egy, a folyadék felső részében lévő második szalag távolítja el. A ferrofluid a mágneses pólusok között helyezkedik el. A mágneses erő tartja helyén a folyadékot, ezért nem történik szivárgás, így a folyadékvesztés csekély.
20
Feladás
Lebegő anyag Lesüllyedt anyag
13.ábra: Sematikus ábra a NASA szeparátorról[6]
2.6 Bureau of Mines szeparátor [6] Bureau
of
Mines
szintén
fejlesztett
egy
rendszert
az
autoshredder
maradékanyagának feldolgozására. A feldolgozandó frakció szemcsemérete 6.3- 50 mm közé esett. Összetétele: 48% Zn, 39% Al , 7% Cu, 4% nemfémes anyag és kevesebb, mint 1% acél és rézkábel. A berendezésre két különböző alternatívát dolgoztak ki. Az egyikhez a NASA szeparátor terveit használták, amely futószalagos rendszert használt, míg a másik szalag nélkül, vibrációs adagolással működött.
21
Feladás
Lebegő anyag Feladás
Lesüllyedt anyag
Lesüllyedt anyag
Lebegő anyag
14. ábra: Bureau of Mines szeparátorok (A- szalagos B- Szalag nélküli)[6] A készülék a MHS elvet kihasználva a lebegő, kisebb sűrűségű anyagot külön leválasztva működött. 2.7 Hitachi szeparátor [6] Japánban 1973-ban a Hitachi vállalat szintén fejlesztett a NASA szeparátorhoz hasonló berendezést két különböző adagolási módszerrel. Az első módszernél lebegőanyag leválasztás történik. A szalag végigfut a folyadékon, majd a felemelkedő szemcséket egy másik szalag távolítja el a rendszerből. A másik típusnál a középső zónában történik az elválasztás, ahol a szalag csak a lebegőanyagot szállítja tovább, míg a többi már ebben a zónában távozik a rendszerből.
22
Feladás Lebegő anyag
Lesüllyedt anyag
Feladás
Lebegő anyag
Lesüllyedt anyag
15. ábra: A Hitachi szeparátorok működése[6]
2.8 Ferrofluidok [7,8,9] A ferrofluid neve a latin ferrum (vas) és a fluidum (folyadék) szóból ered. Az első ilyen folyadékot Papell alkotta meg 1965- ben az USA-ban. Ez olyan folyadék, ami mágneses térben erősen polarizálható. Ezek mágneses részecskékből álló kolloid szuszpenziók. Ezek nanoméretű ferromágneses részecskéket tartalmaznak, melyek magnetit, hermatit vagy más vasalapú részecskék, amik elég kicsik ahhoz, hogy hőmozgás során szétoszoljanak a hordozó folyadékban, és a fluidoknak mágneses tulajdonságot kölcsönözzenek. A hordozó anyag általában szerves oldószer, vagy más folyadék. A ferromágneses nanorészecskéket felületaktív anyaggal vonják be, ami meggátolja, hogy a részecskék a mágneses, vagy van der Waals- erők hatására összetapadjanak. Ez az anyag azonban évek alatt lebomolhat, így a részecskék összesűrűsödnek egy adott pontba, és többé nem reagál a külső mágneses mezőre. Ezek a kolloidok csak külső mágneses tér hatására mutatnak ferromágneses tulajdonságot.
23
16. ábra: A ferrofluid mágneses tér hatására[7] Ezeknek a folyadékoknak viszonylag magas a mágneses szuszceptibilitása. A ferrofluidokban található részecskék nanoméretűek, és jellemző rájuk a Brown-mozgás, így normál körülmények között nem ülepednek le. A ferrofluidok ugyanakkor érzékenyek a nagyon magas hőmérsékletre, amely Curie-hőmérséklet néven ismert, ezen a hőmérsékleten elveszítik mágneses tulajdonságaikat. A nanorészecskék összetétele miatt minden ferrofluidra más specifikus hőmérséklet jellemző, amelyen még megőrzik stabilitásukat. Felhasználásuk széleskörű. Használják elektronikai készülékek gyártásánál, ahol a ferrofluidokat folyékony tömítésként használják a merevlemezek meghajtott tengelye körül. A forgó tengelyek mágnesekkel vannak körülvéve. A tengely és a mágnes közti résben elhelyezett kis mennyiségű ferrofluidot stabilan tartja a mágneses tér. A mágneses részecskékből álló fluidum védőburkolatot képez, amely megakadályozza, hogy a por a merevlemezre jusson. Az orvostudomány az MRI készülékeknél használja kontrasztanyagként. A MHS szeparátoroknál kiemelt jelentőségűek a magas szuszceptibilitásuk miatt, mert így pontosabban el lehet érni a kívánt szétválasztási sűrűséget, illetve kisebb mágneses erőre van szükség és nagyobb hézagot lehet hagyni a mágnes pólusai között,
24
mint az előtte használt anyagoknál. A ferrofluidokat az MHS szeparátorokkal párhuzamosan fejlesztették.
17.ábra: Ferrofluid egy csőben mágneses pólusok között[8]
3.Intézeti szeparátor fejlesztése [1] Az ipari MHS szeparátorok többségében nem áramoltatják a mágneses folyadékot, hanem nagy mágneses mezőt és nagy szuszceptibilitású mágneses folyadékot használnak, ezért nincs szükségük elválasztó csatornára. A mágneses erő egyhelyben tartja mágneses folyadékot. Ennek az eljárásnak a hátránya az, hogy a mágneses mezőt nem vehetjük alacsonyra, ezért alkalmatlan alacsony sűrűségű műanyag hulladékok szétválasztására. Projektmunka során mivel az elsődleges cél laboratóriumi sűrűség szerinti szétválasztás volt, ezért a szétválasztó csatornás MHS mellett döntöttek, amiben mágneses folyadékot cirkuláltattunk.
25
Az intézeti mágneses rendszer egyik része a ferritmag (2) hiperbolikus alakú légréssel. A másik része az elektromágneses tekercs (3) és az elektromos DC tápegység, amelynek az áramellátása pontosan szabályozható. Az áramlástani része áll az adagolóból (7), tartályból (4), szivattyúból (5), szétválasztási csatornából (1) és a mintavevő edényekből (8). Az 18. ábra mutatja az épített MHS szeparátort 3 kimeneti elválasztó csatornával.
18. ábra: Épített MHS szeparátor 3 kimeneti elválasztó csatornával
19. ábra: Fotó az épített MHS szeparátorról. 26
3.1 A mágneses rendszer fejlesztése A cél laboratóriumi mennyiségű anyag elemzése ill. szétválasztása a MHS szeparátorral, ezért izodinamikus mágneses tér előállítására volt szükség. Meghatározandó a pólusok alakja. Ha két tekercset egyenáram alá helyezünk megfelelő polaritással mágneses mező erővonalai záródnak a vasmagban és áthaladnak a légrésen is. A keletkezett mágneses mező az áramerősség (I), a menetszám (n) és a vasmagban és a légrésben megjelenő erővonalak hosszától (lferrit, lair) fog függni.
H
In l ferrite l air A mágneses erővonalak a vasmagban záródnak, a légrés helyett, ezért az Iferrite
elhanyagolható. Az inhomogén mágneses mező beállítható a légrés alakjával. Ha a z tengelyt a légrés közepének aljáról felfelé irányítjuk: Ha l air
const Inz dH In akkor H és H deriváltja: gradH z const dz const
Adott tápfeszültségnél és tekercsben a gradH konstans, a mágneses mező izodinamikus. A mágneses felhajtóerő arányos a H.gradH-val, ezért az a z tengely mentén nem konstans, hanem lineárisan csökken . A légrés alakjának tehát:
l air
const hiperbolát kell leírnia. z Mérnöki gyakorlat szempontjából a konstans a légrés legszűkebb és legszélesebb
hosszából meghatározható. Nagyobb meredekség nagyobb gradH-t eredményez. A vasmag több darabból épül fel (a légrés szélessége állítható), a légrés szélei 10 mm széles karbonacél lapból lézerrel kerültek kivágásra. A mágneses teret két párhuzamosan kapcsolt lapos vezetékből tekercselt tekercs biztosítja. Az elektromos áram precíz szabályozása elengedhetetlen a kísérletekhez. A megépített tápegység része a nagy áramerősségű háromfázisú transzformátor (12 diszkrét volt érték állítható be). Másik része a tápnak pulzusszélességgel szabályozott elektronikus szabályzó. Az áramerősséget pontosan lehet szabályozni a 0...30 A-es tartományban, a feszültség 400 V-ig kapcsolható. A
berendezés
megépítését
követően
meghatároztuk
a
mágneses
mező
alaptulajdonságait egy kézi Tesla-mérővel. Az nagyon erős mágnes miatt biztonsági intézkedéseket be kell tartani. 27
A légrés legszűkebb részének középső pontjában mértük az áramerősség függvényében 200 V feszültségen (20. ábra)
Magnetic field in narrowest gap [ Tesla ]
Mágneses térerősség a legszűkebb keresztmetszetben [Tesla]
1.6
1.2
0.8
0.4
0 0
5
10
15
20
25
currentaintekercsben coils [ A ] [A] Elektromos Electric áramerősség
20. ábra: A mágneses mező a legszűkebb résben az áramerősség függvényében
Kikapcsolt állapotban (0 A) 0,1 T mágneses mező mérhető a remanens mágnesesség miatt. Először a mágneses mező lineárisan növekszik a növekvő áramerősséggel, ezt követően a vasmag telítődik és kb. 20 A esetén elérjük a maximális 1,2 T-s mágneses mezőt. Nagyobb térerősség nem érhető el vasmaggal, mivel annak telítődése esetén a mágneses erővonalak a levegőbe kilépnek. Azonban a fentiek azt is jelentik, hogy van tartalék a tápegységben a beállított résméret esetén, azaz a résméret a későbbiekben növelhető lesz.
28
A szétválasztó tér geometriai mérete jelenleg 230 mm hosszú, effektív magassága 120 mm, legszűkebb résméret 24 mm, legtágabb résméret 120 mm. Mértük a mágneses mező eloszlását (9,6 A és 200 V esetén) (21. ábra). Mágneses Tesla]] Magnetic mező field HH[ [Tesla Height l [[mm] mm ] Magasság
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
120
80
40
0
21. ábra: Mágneses mező gradiense a magasság függvényében (9,6 A, 200 V)
22. ábra: A szeparátor pólusai
29
3.2 Az áramlási rendszer fejlesztése [1]
A folyadékáramoltatás első eleme az 50 l térfogatú tartály. Ebbe történik a feladás, és egy WARMAN centrifugális zagy szivattyú segítségével keringtetjük a szemcséket tartalmazó mágneses folyadékot. A szivattyú térfogatárama széles tartományban változtatható frekvenciaváltó segítségével. Az áramlásra jelentős ellenállást fejt ki a mágneses folyadék szétválasztó térben történő áthaladása. A részegységeket 1 colos műanyag csővel kötöttük össze. Ultrahangos áramlásmérővel mérhető az átlagos áramlási sebességet közvetlenül a szivattyú utáni részen. A szétválasztó térbe is helyeztünk egy Doppler-hatáson alapuló ultrahangos áramlásmérőt. 3.3 Szeparációs csatorna fejlesztése [1] A szétválasztó csatorna a mágneses pólusok közé helyezhető. A berendezés egyik legfontosabb része, az eddig elkészült két csatorna átlátszó műanyagból készült. Az első csatorna 1 bemenettel és három kimenettel rendelkezett. A csatorna szélessége 20 mm, legnagyobb magassága 120 mm. Két tiszta, és egy kevert frakciót lehetett előállítani vele. A kimeneteket flexibilis csövekkel vezettük a mintázó egységre. A háromtermékes csatorna esetében a falsúrlódás következtében a vízzel végzett kísérletek során közeg nagy része vagy az alsó vagy a felső csatornán távozott, ez a hatás mérséklődött a mágneses folyadék használata esetén. Új csatornát terveztünk, ami kéttermékes (23. ábra).
23. ábra: Kéttermékes szétválasztó csatorna
30
A csatorna keresztmetszete 26×52 mm. A termékkimenetek flexibilis csöveken keresztül kerülnek visszavezetésre a tartályba. A sebességprofilokat az ultrahangos (Doppler) áramlásmérővel vettük fel (24 ábra). v [ mm/s ] 1600
1200
800
400
0 0 10
42 L/min
20
33 L/min 18 L/min 59 L/min
70 L/min
30
Vertical position l [ mm ]
Függőleges helyzet [mm]
38 L/min
76 L/min
40 50
24. ábra: A kéttermékes szétválasztó csatorna sebességprofilja a középső keresztmetszetben különböző térfogatáramokon [1]
4. Szétválasztási kísérletek 4.1 Az MHS berendezésre feladott mintaanyagok Projekt során a maradékanyagokból ki kívántam nyerni az anyagában újra hasznosítható szerkezeti anyagokat. Első lépésként fel kellett tárni a szerkezeti anyagokat aprítással. A fémek leválasztását felsőszalagos mágneses szeparátorral, illetve örvényáramú vagy elektrosztatikus szeparátorral végeztem. Ezt követően a kapott –javarészt műanyagból állómintát sűrűség szerinti osztályozással műanyagfajtákra bontottam. A szétválasztási kísérleteket Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladékon végeztem többek közt magneto- hidrosztatikus szeparátorral. 31
3 kísérletsorozatot végeztem. Először megnéztem, hogy különböző áramerősségek milyen magasságra emeli ki a különböző szemcséket egy kémcsőben. Ez után megnéztem, hogy mekkora az a minimális áramlási sebesség, ahol a mágneses mező az összes szemcsét a felső kimenetbe vezeti. Harmadjára ipari mintákat választottam szét sűrűség szerint. 4.2 Kémcsővel végzett kísérletek Kémcsővel az alábbi egyszerű kísérletet végeztem. A mágneses folyadékkal megtöltött kémcsövet a pólusok közé helyeztem (ekkor a szétválasztó csatornát eltávolítottam a pólusok közül). Különböző sűrűségű szemcséket helyeztem a kémcsőbe, és az áramerősség szemcse pozíció (magasság) összefüggést vizsgáltam. A szemcsék magassága a 3. táblázatban látható.
. Szemcse Műanyag 1.5 kg/dm3 Műanyag golyó 2.2 kg/dm3
Al szemcse 2.7 kg/dm
Kerámia 3.37 kg/dm3
Ötvözött réz 8.53 kg/dm3
Pontos I. [A] 1,5 > 1.5 <3 3,1 3,2 3,3 3,4 4,2 4,2 4,3 4,4 4,2 5,2 5,8 7,4 10 6,1 6,8 7,5 8,6 9,3 9,8 12,6 20
Magasság [mm] 120 120 0 90 95 100 115 120 5 85 90 95 110 120 120 120 0 90 100 110 115 120 0 0
3.táblázat: szemcsék felemelkedése az áramerősség függvényében 32
A 120 mm es magasság a szétválasztó tér magassága. Kisseb sűrűségű műanyagnál már 1,5 A is elég volt, hogy teljesen felemelje. A 2,2 kg/dm3 -es műanyag golyónál már 4,2 A kellett. Az Al szemcsét 5,8, míg a kerámiát 9,8 A -nál emelte ki a mágnes. 4.3 Ismert sűrűségű anyagok szétválasztási kísérletei A szétválasztási kísérletek során Maxxam C30 H-V2 UV Natural Tp mágneses folyadékot használtam, hígítás nélkül. A folyadék sűrűsége 0,92 kg/dm3. Az alapkísérletek során monodiszperz szemcséket használtam szétválasztandó anyagnak: 2,2 kg/dm3 sűrűségű, 5 mm átmérőjű műanyag golyók, 2,7 kg/dm3 sűrűségű alumínium hengerek (D=5 mm, L=6 mm), A további kutatásokhoz használtam 3…5 ill 5…8 mm-es osztályozott shredder üzemi könnyűterméket, illetve elektronika hulladék maradékanyagát is. Két csatornával és két anyaggal végeztem a kísérleteket. Egy kísérletben 30 db műanyag, ill. alumínium szemcsét adtam fel. A szeparátor fő paramétereit (szivattyú frekvenciája: 6…40 Hz; tekercs áramerőssége: 0…16 A) változtattam, a feladást a 30 db szemcse alkotta (Nofeed). A szemcsék a felső (Noupper) illetve alsó (Nolower) termékbe kerültek, ahol megszámoltam azokat. A háromtermékes csatorna középső kivezetését lezártam a végzett kísérletek alatt. A felső áram tömegkihozatala: 100 * Noupper / (Noupper + Nolower) %. Amikor az áramlási sebesség túl lassú volt, néhány szemcse a csatorna aljában maradt, a veszteséget az alábbi összefüggéssel számoltuk: 100 * (Nofeed – (Noupper + Nolower) / Nofeed). A sebesség növelésével a bent ragadt szemek kinyerhetők voltak. Mágneses mező nélküli teszt eredményeit mutatja az 24 ábra. A kihozatal és a veszteség látható az áramlási sebesség függvényében. (párhuzamos falú csatorna és Al szemcsék esete)
33
100
100
Kihozatal [%] Yield [ % ]
80
80
60
60
40
40
Veszteség Loss[%] [%]
Csatorna: falu Channel:párhuzamos Parallel walls Áramerősség: Current: 0 A0 A Szemcse: Al Al Particles:
Kihozatal Yield 20
20
Veszteség Loss 0
0 40
50
60 Flow rate [ l/min ] Áramlási sebesség [l/min]
70
80
25. ábra: Kihozatal és veszteség az áramlási sebesség függvényében. A kis áramlási sebességnél néhány szemcse visszamarad a rendszerben, ami veszteséget okoz, de minden más szemcse eltávozott a rendszerből az alsó kifolyáson (felső kihozatal 0) a várakozásoknak megfelelően, a gravitációs erő hatására. A sebesség növelésének hatására minden szemcse távozott a rendszerből, néhány szemcse a felső kifolyáson távozott (szeparációs hiba). A mágneses térerő nélküli kísérletsorozat célja az volt, hogy megtaláljuk azt a legkisebb áramlási sebességet ahol a felső áramlás kihozatala és a veszteség is nulla. A mágneses erő hatását is teszteltük, a 26. ábra mutatja az áramlási sebességet és a felső kihozatalt az áramerősség függvényében.
34
100
100
80
80
60
60
Áramlási sebesség Flow rate
40
40
Csatorna: falu Channel:párhuzamos Parallel walls Szivattyú motor frekvenciája: Frequency of pump motor: 16 Hz Particles: Szemcse: AlAl
20
0
Flow rate [ l/min ] Áramlási sebesség [ l/min]
Kihozatal Yield [%] [%]
Yield Kihozatal
20
0 0
4
8
12
16
Current [ A ] Áramerősség [ A]
26. ábra: Kihozatal és áramlási sebesség az áramerősség függvényében. Növekvő mágneses tér hatására a felső termék kihozatala 100 %-ig nő, az áramlási sebesség csökken azonos szivattyú fordulatszám mellett is (16 Hz). A mágneses mező ellenállást fejt ki az áramlásban résztvevő mágneses folyadékra. A kísérlettel meghatároztuk azt a minimális áramlási sebességet, ahol a mágneses erő az összes szemcsét a felső termékbe emeli. 4.4 Elektronikai hulladékok maradványanyagának szétválasztási kísérletei A
mérés
során
elektronikai
hulladékok
feldolgozásából
származó
maradványanyagok műanyag frakcióját választottuk szét. A mintaanyagból először a fém frakciókat választottuk le, majd 1 kg/dm3es sűrűségnél elválasztottuk az anyagot. Ezt követően leaprítottuk 6 mm alá. A kísérletekhez a 2-6 mm- es frakciót használtuk. A mintaanyag sűrűsége 1- 1.6 kg/dm3 közé esett.
35
27. ábra: Mintaanyag a feladás előtt A méréshez desztillált vízzel 1:3 arányban higított Maxxam C30 H-V2 UV Natural TP oldatot használtunk. Az oldat eredeti sűrűsége 0.92 kg/dm3 volt. Hígítás után 0.95 kg/dm3- re változott. Ez az arány elegendő volt arra, hogy 13,4 A áramerősségen kiemeljen egy 2 kg/dm3- es szemcsét. A mérés elején kivettünk a mintából két adagot és félretettük, hogy később megvizsgálhassuk a feladás sűrűség szerinti összetételét. Az anyagot a feladás előtt megmostuk, és az úszó szemcséket levettük. A mosott anyagot először 12 Hz-en és 13,4 A-es áramerősség mellett feladtuk. Az alsó terméket félretettük. Következő lépésben csak az előzőleg fentre került mintát adtuk fel 11,5 A-en. A szivattyú fordulatszámát állandó értéken tartottam a mérés során végig. Mindig az alsó terméket tettük félre és a felsőt adtuk fel újra 10 A-en, 8,9 A-en, és 6,4 A-en.
36
átlag sűrűség [kg/dm3]
28. ábra: A kapott termékek szemcséinek átlagsűrűsége. A kapott termékeknek ezután megmértem a sűrűségét, majd beállított sűrűségű sósvizes (NaCl) folyadékokban szétválasztottam. A mérés eredményei táblázatba foglalva a következők: 4. táblázat: A feladás és az első termék sűrűségeloszlása 1. Sűrűséghatárok Eredeti minta m [g]
Δmi [%]
<1
31,42
32,2389
1- 1,0511
5,43
1,0511- 1,0987
mérés
alsó
Sűrűséghatárok termék (13,4 A) m [g]
Δmi [%]
<1
9,300
6,2609
5,5715
1- 1,0511
8,82
5,9378
8,94
9,173
1,0511- 1,0987
21,75
14,6425
1,0987- 1,1457
3,93
4,0327
1,0987- 1,1443
6,58
4,4298
1,1457- 1,1897
9,010
9,2448
1,1443- 1,1885
11,51
7,7488
>1,1897
38,73
39,7394
>1,1885
90,58
60,9802
97,46
100
148,54
100
Az eredeti minta elemzésének eredményeiből látszik, hogy az anyag nagy része az 1- től kisebb és az 1,897- től nagyobb sűrűségű frakcióba esik. Az első mérés alsó termékének nagy része, 61 % -a az 1,1885-ös sűrűségnél nehezebb. Vagyis a feladott minta 61 %- át nem emelte meg a mágnes annyira, hogy a szétválasztó csatorna felső ágába kerüljön. 37
5. táblázat: A 2. és a 3. termék sűrűségeloszlása Sűrűséghatárok 2. mérés alsó
3. mérés alsó
m [g]
Δmi [%] m [g]
Δmi [%]
<1
9,110
8,7169
11,54
11,9859
1- 1,0470
6,79
6,497
3,81
3,9572
1,0470- 1,0944
16,70
15,979
12,86
13,3569
1,0944- 1,1443
5,53
5,2914
5,310
5,5152
1,1443- 1,1885
8,160
7,8079
9,60
9,9709
>1,1885
58,22
55,7076
53,16
55,214
96,28
100
104,51 100
6. táblázat: A 4. és az 5. termék sűrűségeloszlása Sűrűséghatárok 4 .mérés alsó 5. mérés alsó 5. mérés felső m [g]
Δmi [%] m [g]
Δmi [%]
m [g]
Δmi [%]
<1
4,85
9,6942
0,41
0,9021
3,35
2,6162
1- 1,043
3,270
6,5361
6,190
13,6194
17,14
13,3854
1,043- 1,0910
9,190
18,3690
11,78
25,9186
47,30
36,9387
1,0910- 1,1405
2,55
5,0969
3,080
6,7767
7,43
5,8024
1,1405- 1,1829
5,270
10,5337
4,61
10,1430
29,9
7,2550
>1,1829
24,90
49,7701
19,38
42,6403
43,54
34,0023
45,45
100
128,05
100
50,030 100
A 2. és 3. mérésnél a mintaanyag több mint fele az alsó termékbe kerül. Az 5. szétválasztás esetén az 1- nél könnyebb frakció már csak kis mennyiségben volt megtalálható. Az 5. mérés alsó és felső termékében az 1,043- 1,0910 sűrűséghatárba eső mintaanyag mennyisége megnő (25,9 ill. 36,9). Ezeket az eredményeket lentebb ábrázoltam. Az ábrázolás csak az ismert max. ρ sűrűségig történt, mert a tényleges max ρ nem lett meghatározva.
38
70 Eredeti minta 1. szétválasztás alsó 2. szétválasztás alsó 3. szétválasztás alsó 4. szétválasztás alsó
60
Sûrûségeloszlás, [%]
50
40
30
20
10
0 0.9
1 1.1 Sûrûség, [kg/dm3]
1.2
29. ábra: Az eredeti minta és az első négy termék sűrűség szerinti szétválasztásának eredményei. 70 5. szétválasztás alsó 5. szétválasztás felsõ
60
Sûrûségeloszlás, [%]
50
40
30
20
10
0 0.9
1 1.1 Sûrûség, [kg/dm3]
1.2
30. ábra: Az 5. mérés alsó és felső termékeinek sűrűség szerinti szétválasztásának eredménye. 39
A táblázatokból, és a grafikonokból látható, hogy a berendezéssel történt szétválasztás nem éles, gyakorlatilag minden leválasztott termékben előfordul a teljes sűrűség tartományba eső műanyag, a > 1,2 kg/dm3 frakció minden termékben megtalálható, 35…60 %-ban. A rossz szétválasztás oka lehet, a relatív nagy szemcseméret, és a szétválasztás szempontjából kedvezőtlen szemcsealak (lapkás szemcse). Ezeknek a szemcséknek ebben a viszonylag rövid szétválasztó térben nincs idejük megfelelően sűrűség szerint rendeződni.
40
5. Összefoglalás Az intézetben megépült a laboratóriumi magnetohidrosztatikus szeparátor (200 V, 30 A, 100 l/sec), a szétválasztó csatorna geometriai méretei: 26×52×220 mm, a pólusok alakja a megfelelő inhomogén mágneses tér elérésének érdekében hiperbola. Az áramlási viszonyokat figyelembe véve a két kivezetésű szétválasztó csatornát választottuk. Megállapítottuk a csatornában fellépő áramlási profilt, továbbá azt a minimális áramlási sebességet ill. hígítási arányt, amikor erős mágneses mező mellett a feladott szemcsék teljesen a felső termékbe kerülnek. Ezek után higított mágneses folyadékkal működtettük a gépet, és Dunaújvárosból érkezett elektronikai hulladék feldolgozásából származó maradványanyagot (műanyagot) választottam szét sűrűség szerint. A 4. fejezetben leírtak szerint a szétválasztás nem volt éles, ennek oka a szemcsék relatív nagy mérete, illetve a szemcsék kedvezőtlen alakja. További gépfejlesztés szükséges az éles elválasztás elérése érdekében. Két irányban érdemes elindulni, az egyik irány a szétválasztó tér hosszának növelése (pólusok szélességének ill. a szétválasztó csatorna hosszának növelése). A másik lehetőség, kisebb szemcsék feladása, amit nagyobb aprítási fokkal, illetve többlépcsős aprítással érhetünk el. A kisebb szemcsék alakja jobban közelít a gömbhöz, illetve közegellenállásuk kisebb, így várhatóan jóval élesebb szétválasztást tudunk elérni.
6. Köszönetnyilvánítás Ezúton is szeretném megköszönni konzulenseimnek Dr. Faitli József egyetemi docensnek és Nagy Sándor tanszéki mérnöknek nemcsak a szakdolgozatom létrejöttében, hanem a méréseim során is tanúsított rengeteg, és kitartó segítségét. Hálás vagyok azért, hogy engem kértek fel az MHS szeparátorral történő kísérletek elvégzésére.
41
Irodalomjegyzék: 1. Faitli, J. – Nagy, S. – Antal, G. – Csőke, B. – Lukács, P.: Laboratory Scale Magnetohydrostatic Separator for High Resolution Analysis of Plastic and other Wastes. Proceedings of XXV. International Mineral Processing Congress. CD Rom. pp. 697-707, Brisbane, Australia, 2010. 2. Prof. Dr.Csőke Barnabás: A HULLADÉKFELDOLGOZÁS SZEPARÁTORAI Első rész: Száraz szeparátorok 1-6. oldal http://hulladekonline.hu/files/74 letöltés ideje: 2012.11.20 3.Prof. Dr.Csőke Barnabás: A HULLADÉKFELDOLGOZÁS SZEPARÁTORAI Második rész: Nedves szeparátorok és a válogató berendezések 1- 10. oldal http://hulladekonline.hu/files/73 letöltés ideje: 2012.11.20 4.Prof. Dr. Csőke Barnabás: HULLADÉKOK ÁRTALMATLANÍTÁSA, KEZELÉSE ÉS A HASZNOSÍTÁS ELJÁRÁSAI 46- 47. oldal http://hulladekonline.hu/files/173 letöltés ideje: 2012.11.20 5.Dr. Lukács Pál 2008 Nemzeti Technológia Program: Élhető, fenntartható környezet – RECYTECH pályázati anyag 6. Materials Scince and Enginering, 26 (1976) 269- 275. oldal Elsevier Seqnia S. A. Lousanne Printed 7.R.E. Rosenweig: Ferrohydro- dinamics 3-8. oldal 8. Wikipedia- Ferrofluid http://hu.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid letöltés ideje: 2012.11.5 9.
General
introduction
on
magnetic
fluids
8-11.
oldal
http://igitur-
archive.library.uu.nl/dissertations/1942669/c1.pdf letöltés ideje: 2012. 11.4 10 http://www.agj.hu/hulladekapitok.pdf letöltés ideje: 2012.11. 22
42
