EGYÉB HULLADÉKOK
6.9
Rizshéj és műanyag keverékéből készült kompozit építőanyagok kifejlesztése Tárgyszavak: építőanyag; hulladékhasznosítás; kompozit; műanyaghulladék; rizshéj; vizsgálat.
Bevezetés Japánban az utóbbi években számos iparágban keletkeznek olyan hulladékok, amelyek egyre komolyabb problémát jelentenek a társadalom számára. Ilyen pl. a habosított polisztirol (EPS) és a hántolásnál képződő rizshéj. Jelenleg polisztirolhabból évente több mint 170 ezer, rizshéjból pedig 2,5 millió tonna kerül a lerakókra. A hulladék polisztirolhab egy részét oldószeres vagy hőkezelés kapcsán zsugorítva újra felhasználják, de az újrahasznosítás aránya körülbelül csak 37%. A rizsfeldolgozó üzemekben és a rizstermelő vidékeken működő tárolókban keletkező rizshéjat komposztként, talajtakaró rétegként és talajok víztelenítésére használják fel, de az újrahasznosítás aránya csak mintegy 10%. A fenti két, nagy mennyiségben keletkező hulladék újrahasznosításában ezért további hatékony intézkedésekre lenne szükség. Rizshéjból már próbáltak kötőanyagként cseppfolyós gyantát alkalmazva rizshéjlapokat készíteni, az alábbi tanulmány azonban polisztirolhab és rizshéjhulladék együttes hasznosítására ajánl új módszert, amely szerint kötőanyagként oldott polisztirolhab-hulladékot használva rizshéj/műanyag kompozit készíthető. Ennek az összetett anyagnak melegalakító présben történő előállítása kapcsán kutatók a különféle keverékarányoknak a rizshéj/műanyag kompozit alapvető tulajdonságaira gyakorolt hatását vizsgálták.
Anyagok A hulladék habosított polisztirol modellezésére a japán szabványnak megfelelő, 17 kg/m3 sűrűségű polisztirolhabot használtak. Szabványos minőségű sztirolt alkalmaztak mint oldószert a hab oldására, illetve mint
a rizshéj/műanyag kompozit kötőanyagát. A belső kötések létrehozására trimetilolpropán-trimetakrilátot (TMPTMA), indítóanyagként pedig 50%os diciklohexil-ftalátot, illetve porított benzoil-peroxidot (BPO) alkalmaztak. A kötőanyag-rendszerek paramétereit az 1. táblázat tartalmazza. 1. táblázat A kötőanyag-rendszerek paraméterei Molekulasúly
Sűrűség (20 °C, g/cm3)
Sztirol
104,1
0,91
TMPTMA
338,4
1,06
Az anyag fajtája
Viszkozitás (20 °C, MPa s) 0,75 13,0
Tisztasági fok (%) 99,8 97,3
Töltőanyagként a kereskedelemben kapható kalcium-karbonátőrleményt használtak (térfogatsűrűsége 20 °C-on 2,7 g/cm3, szemcsemérete 2,5 µm). Ennek víztartalma 105 °C-on 48 óráig folytatott hőkezelés után nem érte el a 0,1%-ot. A rizshéjat egy szövetkezeti gabonatároló szállította még 2001-ben. Térfogata 20 °C-on 0,11 g/cm3, víztartalma 80 °C-on 48 óráig folytatott hőkezelés után <0,1%.
Vizsgálati módszerek A folyékony gyanta és a kötőanyagok elkészítése A 40%-os polisztirolhabot úgy állították elő, hogy a hulladékhabot közel 70 °C-on, rozsdamentes edényben sztirolban feloldották. A rizshéj/műanyag kompozithoz szükséges cseppfolyós gyantát a polisztirolhab oldata és a TMPTMA intenzív összekeverésével készítették. A kompozitok kötőanyagául cseppfolyós gyanta és BPO keverékét használták. A cseppfolyós gyanta sűrűsége 20 °C-on 0,99 g/cm3, viszkozitása 8860 MPa, TMPTMA-tartalma pedig 20% volt. A kötőanyag 32% EPS-t, 48% sztirolt és 20% TMPTMA-t tartalmazott, 100 tömegrész gyantához 2 résznyi BPO-t adtak. Mivel BPO-t csak kis mennyiségben adagoltak, a kötőanyag és a cseppfolyós gyanta paraméterei csaknem változatlanoknak tekinthetők. A minták elkészítése A minták elkészítéséhez a 2. táblázatban szereplő keverési arányoknak megfelelően a kötő- és a töltőanyagokat keverőben 2 percig ke-
zelték, és pasztát készítettek belőlük. Ezután a pasztát és a rizshéjat 3 percig szintén összekeverték, majd az így kapott újabb pasztát egy acél présformába öntötték, és az anyagot 120 °C-on és 25 MPa nyomáson 15 percig melegen sajtolták. A présszerszámba helyezett anyag tömegét úgy állították be, hogy a sajtolásnál állandó vastagságú, 9 ± 1 mm-es mintákat lehessen előállítani. E kezelést követően a présszerszámot szétszedve az így kapott lapot 20 °C-on és 60% relatív páratartalom mellett kondicionálták, majd a tesztvizsgálatokhoz 40x60x9 ± 1 mm-es mintákat vágtak ki belőle. 2. táblázat A rizshéj/műanyag kompozit keverési arányai Sorszám
Töltő- és kötőanyag tömegaránya
A keverék összetétele, % Kötőanyag
1
0,0
2
25,0
Töltőanyag
Rizshéj
0,0
75,0
0,5
12,5
62,5
3
1,0
25,0
50,0
4
1,5
37,5
37,5
5
0,0
0,0
70,0
6
0,5
15,0
55,0
7
1,0
30,0
40,0
8
1,5
45,0
25,0
9
0,0
0,0
65,0
10
0,5
17,5
47,5
11
1,0
35,0
30,0
12
1,5
52,3
12,5
30,0
35,0
A keverékenként készített 5 darab rizshéj/műanyag kompozit lap látszólagos sűrűségét a JIS A 5908-as japán szabványnak megfelelően öt lapon mért átlagértékként a következő egyenlőség segítségével határozták meg (a variációs együttható kisebb volt 10%-nál). m Látszólagos sűrűség (g/cm3) = 0 , (1) V ahol: m0 a lapok tömege (g) és V a térfogatuk.
Vízfelvétel és a vastagság növekedése A minták vízfelvételét és vastagodását szintén szabványos módszerrel, kilenc mintán végrehajtott mérés alapján, 10%-osnál kisebb variációs együtthatóval, a következő egyenletek segítségével határozták meg: Vízfelvétel (%)=
(m2 − m1 ) × 100 ,
(2)
m1
ahol: m1 a minták tömege (g) a 48 óráig tartó vízbe merítést megelőzően, m2 pedig azt követően. Vastagságnövekedés (%) =
(h2 − h1 ) × 100 ,
(3)
h1
ahol: h1 a minták vastagsága (mm) a 24 óráig tartó vízbe merítést megelőzően, h2 pedig azt követően. A száraz és nedves állapotban lévő minták hajlítási szilárdságát az Instron univerzális tesztberendezésen, a JIS A 5908-as japán szabványnak megfelelően, hárompontos terhelés és 0,5 mm/perc keresztfejsebesség mellett vizsgálták. Nedves állapotban végzett mérés előtt a mintákat 20 °C-on 24 óráig vízben tartották, majd kétórás 100 °C-on végzet vízben tartást és egyórás újabb 20 °C-os „fürdőt” követően újra méréseket végeztek rajtuk. A száraz és nedves állapotban lévő minták hajlítási szilárdságát 10%-osnál kisebb variációs együtthatóval, a következő egyenlőség segítségével határozták meg: Száraz és nedves hajlítási szilárdság (MPa) =
3PL , 2bh 2
(4)
ahol: P a maximális hajlító terhelés (N), L a fesztávolság (100 mm), b a minták szélessége (mm) és h a vastagságuk (mm).
Eredmények és értékelés A rizshéj/műanyag kompozit látszólagos sűrűségének függését a kötőanyagtól, illetve a töltőanyag/kötőanyag aránytól az 1. és a 2. ábra szemlélteti. A kompozitok látszólagos sűrűsége a töltőanyag/kötőanyag aránytól függetlenül a kötőanyag-tartalom emelkedésével nő. Hasonlóképpen, a kompozitok látszólagos sűrűsége a kötőanyag-tartalomtól füg-
3
1,6 1,4
látszólagos sűrűség, g/cm
látszólagos sűrűség, g/cm
3
getlenül, növekvő töltőanyag/kötőanyag aránnyal nő. A kompozitok látszólagos sűrűsége a 0,80–60 g/cm3 értéktartományba esik. Mindez annak tulajdonítható, hogy a kompozit sűrűsége a hozzáadott töltőanyag és a melegen sajtoló nagy nyomású (25 MPa) préselés hatására megnőtt. A 3. és a 4. ábra a rizshéj/műanyag kompozit vízfelvételének alakulását mutatja be 24 órás vízben tartás hatására, különböző kötőanyagtartalom, illetve töltőanyag/kötőanyag arány esetében. A kompozit 24 órás vízfelvétele a kötőanyag-tartalom emelkedésével a töltőanyag/kötőanyag aránytól függetlenül csökken. Ugyanígy, a kompozit 24 órás vízfelvétele a töltőanyag/kötőanyag arány emelkedésével a kötőanyagtartalomtól függetlenül nő. A rizshéj felülete sok SiO2-t és sörtét tartalmazó kemény sejtből áll össze. A rizshéjak között a melegen sajtoló prés nyomása ellenére sok összefüggő üreg maradt fenn, mivel a nyomás nem volt elég nagy. A kompozitok vízfelvétele a bennük lévő ilyen üregeken át fellépő kapilláris jelenségnek tulajdonítható. Amennyiben a kötőanyag-tartalom eléri vagy meghaladja a 30%-ot, a töltőanyag/kötőanyag arány pedig az 1-et, 2%-os vagy ennél kisebb mértékű 24 órás vízfelvétel is elérhető. A vízfelvétel csökkenése a kötőanyag-tartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány emelkedésével azzal függhet össze, hogy a kompozitok mikrostruktúrája tömörödik, mivel a kötő- és töltőanyagok kitöltik a fent említett üregeket, illetve azzal is, hogy magában a rizshéjban is csökken a vízabszorpció, mivel a kötőanyag bevonja felületét.
1,5
1,2
1,0 0,5 0,0
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 20
25
30
kötőanyag-tartalom, %
35
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6
25
0,4
30
0,2
35
0,0 0
0,5
1
1,5
töltőanyag/kötőanyag arány
1. ábra A rizshéj/műanyag 2. ábra Összefüggés a kompozit látszólagos sűrűségének rizshéj/műanyag kompozit függése a töltőanyag/kötőanyag töltőanyag/kötőanyag aránya aránytól az utóbbi 0,0, 0,5, 1,0 és látszólagos sűrűség között 25%, és 1,5 értékénél 30% és 25% kötőanyag-tartalom mellett
20,0 24 órás vízfelvétel, %
24 órás vízfelvétel, %
20,0 0,0 0,5
15,0 10,0
1,0
5,0
1,5
0,0
25 15,0
35 10,0 5,0 0,0
20
25
30
0
35
3. ábra Összefüggés a rizshéj/műanyag kompozit kötőanyag-tartalma és a 24 órás vízfelvétel között 0,0, 0,5, 1,0 és 1,5-es töltőanyag/kötőanyag aránynál
0,0 0,5 1,0
2,0 1,5 1,0 0,0 20
25
30
kötőanyag-tartalom, %
1
1,5
4. ábra A rizshéj/műanyag kompozit 24 órás vízfelvételének függése 25%, 30% és 25% kötőanyag-tartalom mellett
megvastagodás mértéke, %
4,0 3,0
0,5
töltőanyag/kötőanyag arány
kötőanyag-tartalom, %
24 órás vízfelvétel, %
30
35
4,0
25 30
3,0
35
2,0 1,0 0,0 0
0,5
1
1,5
töltőanyag/kötőanyag arány
5. ábra A rizshéj-műanyag kompozit 6. ábra A rizshéj/műanyag kompozit megvastagodásának függése megvastagodásának függése a kötőanyag-tartalomtól 0,0, 0,5, 1,0 a töltőanyag/kötőanyag aránytól és 1,5 töltőanyag/kötőanyag 25%, 30% és 25% kötőanyag arányok esetén tartalom mellett Az 5. és a 6. ábra azt mutatja, hogy miként befolyásolja a kötőanyag-tartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány a rizshéj/műanyag kompozit megvastagodását. A kompozitok megvastagodásának mértéke a kötőanyag-tartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány növekedésével
mérséklődik. A megvastagodásra a kompozitok vízfelvétele miatt kerül sor. Amennyiben a kompozitok kötőanyag-tartalma eléri vagy meghaladja a 30%-ot, a töltőanyag/kötőanyag arány pedig az 1-et, a megvastagodás 1,0%-on vagy az alatt tartható. Mint a 7. ábrán látható, a megvastagodás és a kompozitok 24 órás vízfelvétele között megbízható korreláció mutatható ki. A 7. ábra alapján a kapcsolat empirikus egyenlet formájában is kifejezhető: Vnöv = 0,68 + 0,20 Vf (γ = 0,99)
(5)
megvastagodás mértéke, %, Vnöv
ahol: Vnöv a kompozitok vastagságnövekedésének mértéke (%), Vf a 24 órás vízfelvétel (%), γ pedig a korrelációs együttható. 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
24 órás vízfelvétel, %, Vf
7. ábra Kapcsolat a rizshéj/műanyag kompozit megvastagodása és a 24 órás vízfelvétel között Ami pedig a kompozitok száraz és nedves hajlítószilárdságát illeti, a kísérleti adatok szerint e mutatók a kötőanyagtartalom-növekedésével, 0,0 és 0,5 töltőanyag/kötőanyag arány között nőnek, a maximális értéket 30% kötőanyag-tartalomnál érve el. Ha viszont a töltőanyag/kötőanyag arány 1,5, a kompozitok hajlítószilárdsága a kötőanyag-tartalom növekedése dacára csökken. Általában véve megállapítható, hogy a kompozitok száraz hajlítószilárdsága meghaladja a nedves állapotban mért értéket, de 30% kötőanyag tartalomnál és 1,0 vagy azt meghaladó töltőanyag/kötőanyag arány mellett gyakorlatilag nincs köztük kimutatható
különbség. Ugyanezt tapasztalták 30% kötőanyag-tartalom és 0,0, illetve 0,5 töltőanyag/kötőanyag arány mellett is. Feltételezhető, hogy a száraz és nedves hajlítószilárdságot a kötőanyag-tartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány egymáshoz viszonyított értékei erősen befolyásolják. A legnagyobb száraz és nedves hajlítószilárdságot 30,0% kötőanyag-tartalom és 1,0 töltőanyag/kötőanyag arány mellett mérték.
Következtetések A fent leírt vizsgálati eredményekből az alábbi következtetések adódnak: 1. A rizshéj/műanyag kompozitok látszólagos sűrűsége a kötőanyagtartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány növekedésével 0,80– 1,60 g/cm3 között nő. 2. A kompozitok 24 órás vízfelvétele és megvastagodása a kötőanyag-tartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány növekedésével csökken. Amennyiben a kompozitok kötőanyag-tartalma eléri vagy meghaladja a 30%-ot, a töltőanyag/kötőanyag arány pedig az 1-et, a megvastagodás 1,0%-on vagy az alatt, a vízfelvétel pedig legfeljebb 2,0%-on tartható. A vízfelvétel és a megvastagodás között megbízható korreláció áll fenn. 3. A száraz és nedves hajlítószilárdságot a kötőanyag-tartalom és a töltőanyag/kötőanyag arány egymáshoz viszonyított értékei erősen befolyásolják. A legnagyobb száraz és nedves hajlítószilárdság optimális keverékarányok mellett érhető el – például 30% kötőanyag-tartalom és 1,0 töltőanyag/kötőanyag arány esetében. A nedves hajlítószilárdság általában elmarad a szárazon mért értéktől, de 30% kötőanyag-tartalomnál és 1,0 vagy azt meghaladó töltőanyag/kötőanyag arány mellett gyakorlatilag nincs köztük kimutatható különbség. 4. Mivel a rizshéj/műanyag kompozitok hajlítószilárdsága elég nagy, és a kötőanyag-tartalom valamint a töltőanyag/kötőanyag arány megfelelő beállításával kitűnő lehet vízállóságuk is, alkalmazhatók az építőiparban, pl. betonozásban (zsaluk), tetőfedésben és belső falfelületek burkolására. Összeállította: Dr. Balogh Károly Choi, N.-W.; Mori, I.; Ohamo, Y.: Development of rice husks-plastics composites for building materials. = Waste Management, 26. k. 2. sz. 2006. 189–194. Kato, F.: Recycling waste husk into road construction material. = Monthly Waste, 26. k. 12. sz. 2002. p. 68–71.
Röviden… ThyssenKrupp: a salak már nem hulladék Az észak-rajna-vesztfáliai környezetvédelmi minisztérium elfogadta, hogy a ThyssenKrupp nagyolvasztójában keletkező salak és kohóhomok már nem hulladék. A vállalattal kötött megállapodásnak köszönhetően megszűnnek a közigazgatási költségek és javulnak a termékek piaci értékesítési lehetőségei. A ThyssenKrupp ezeket az évtizedek óta többek között a cementipar és az építőipar számára értékesített termékeket az acéltermelés során célzottan állítja elő, a vonatkozó ipari szabványoknak megfelelően. Az acélművekben évente mintegy 2,7 millió tonna kohóhomok és 500 000 tonna salak keletkezik, amely teljes mennyiségében hasznosítható. Mind a két termék a nyersvas előállítása során, a nagyolvasztó folyékony salakjából nyerhető ki. A szemcsés kohóhomok a salak gyors, vízsugárral történő hűtésekor, míg a nagyolvasztó salakja levegővel történő, lassabb hűtés során keletkezik. A kohóhomok iránt elsősorban a cementiparban mutatkozik kereslet, ahol mészkő helyett a cementgyártás alapanyagaként alkalmazzák. A nagyolvasztó salakjából készült cement különösen tartós, fagy-, vegyszer-, illetve (útszóró) sóálló, a salak további felhasználási lehetőségét az útépítések jelentik. (RECYCLING Magazin, 61. k. 1. sz. 2006. p. 10.)
Új aprítóberendezés ipari hulladékok feldolgozására Az oberwili (Svájc) székhelyű Holzmag Rt. egy vezető francia útépítő társaság részére vizsgálatsorozat keretében az acherni Stopa művekben kifejlesztett egy kátránypapír-darabolót. A vizsgált anyag homokragasztással készült bitumenes kátránypapír volt. A belső és a külső felületek ragasztottak voltak, a darabok nagysága 200–1500 mm volt. A vizsgálathoz 20 mm-nél kisebb granulátumokat állítottak elő, a teljesítmény meghaladta az óránként 10 tonnát, és ezt szabványos kialakítású PowerCut 730s kettős tengelyű darabolóval érték el. A ragadós anyag darabolás utáni összecsomósodásának megakadályozása érdekében
vizet adagoltak a rendszerbe. A Holzmag által kifejlesztett darabolóban alkalmazott vágási technika garantálja a komprimálás-, összetorlódás-, súrlódás- illetve nyomásmentes darabolást a vágó- és a szitafejtartományban, és megakadályozza a hőképződést. A Holzmag kéttengelyes darabolója jól bevált, alkalmazható háztartási és ipari hulladékok feldolgozására, helyettesítő tüzelőanyagok előkészítésére és hulladékok komposztálására, illetve a fóliák, üvegszállal erősített anyagok és hőérzékeny műanyagok hulladékból történő gyártásában. Rendelkezésre áll az egytengelyes PreciCut sorozat is, a jövőbe mutató darabolási technikával felszerelve. (RECYCLING Magazin, 61. k. 2. sz. 2006. p. 12.)
