Recykling w mechatronice Ćwiczenie 2 Recykling odpadów celulozowych (papier, tektura) - badanie ich właściwości i ponowne wykorzystanie tych odpadów   Wiadomości ogólne na temat recyklingu:   Recykling to wielokrotne wykorzystywanie materiałów do wytwarzania nowych produktów. Zadania recyklingu to przede wszystkim zmniejszenie ilości odpadów, zmniejszenie ich szkodliwości dla środowiska oraz oszczędzanie zasobów naturalnych. Odzysk to wszelkie działania, które nie stwarzają zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi lub środowiska, a które polegają na wykorzystaniu odpadów w całości lub w części a także zmierzają do odzyskania z odpadów materiałów, substancji lub energii. Recykling i organizacja odzysku to złożony system, obejmujący pełną organizację obiegu takich materiałów, które mogą być wielokrotnie przetwarzane. Rozróżnia się trzy rodzaje recyklingu:  ● Ponowne zastosowanie - powtarzające się zastosowanie materiału lub produktu w tym samym celu (np bieżnikowanie opon, butelki na wymianę)  ● Dalsze zastosowanie - użycie odpadów do nowych zastosowań po odpowiedniej przeróbce fizycznej, chemicznej lub biologicznej (np granulacja zużytych tworzyw sztucznych i opon, gdzie granulat jest stosowany jako wypełniacz w materiałach budowlanych  ● Ponowne zużytkowanie - odzyskiwanie odpadów chemicznych ze śmieci i ponowne wprowadzenie ich do produkcji (np użycie wraków samochodowych w stalowniach) Od niedawna istnieje jeszcze jedne podział recyklingu - ze względu na specyfikę technologii.  Wyróżnia się trzy główne metody recyklingu:  ●Materiałowy ●Surowcowy ●Energetyczny Materiałowy (mechaniczny) Najbardziej preferowana forma recyklingu. Polega na ponownym przetwarzaniu odpadów w produkt o wartości użytkowej. Zazwyczaj jest to wyrób o innym przeznaczeniu niż pierwotny, co tworzy system kaskadowy, w którym każdy następny etap ma mniejsze wymagania stawiane produktom. W przypadku wyroby z tworzyw sztucznych jest tracona minimalnie wytrzymałość mechaniczna w następstwie zmian, zachodzących w strukturze chemicznej polimerów w trakcie eksploatacji oraz składowania (zwłaszcza przy ekspozycji na czynniki atmosferyczne). Także inne substancje ulegają degradacji bądź ekstrakcji w czasie eksploatacji, co ma znaczenie dla stabilności surowca wobec czynników fizycznych (np. światło, temperatura). Dla podniesienia walorów użytkowych produktów recyklingu z reguły sporządza się wieloskładnikowe kompozycje zawierające składniki uszlachetniające. Odpowiedni dobór kompozycji pozwala na przetwórstwo materiałów wtórnych z dużą wydajnością przy dobrej jakości wyrobów. Ta metoda jest technologicznie prosta o ile dotyczy tworzyw o identycznej strukturze chemicznej.   Surowcowy (chemiczny) Polega na odzyskiwaniu surowców użytych do produkcji danego wyrobu. Surowce mogą być ponownie wykorzystane do wytworzenia pełnowartościowych tworzyw, a odpady powstałe w wyniku tej metody (petrochemiczne frakcje lekkie i ciężkie) mogą stanowić domieszkę do paliw i smarów. Podstawową zaletą tej metody jest możliwość przeróbki tworzyw bez uprzedniej ich segregacji. Natomiast stosowanie skomplikowanych instalacji, wysokiej temperatury, ciśnienia, katalizatorów oraz ścisła kontrola parametrów powodują ograniczenia w upowszechnianiu tej grupy metod recyklingu Energetyczny (spalanie z odzyskiem energii) Proces transformacji materii odpadowej do postaci paliw, z których odzyskuje się część energii zużytej na wyprodukowanie tych wyrobów, które po zużyciu trafiają zasadniczo na wysypisko lub składowisko. W zależności od rodzaju odpadów i użytej technologii można z nich otrzymać stałe (surowe lub przetworzone frakcje palne zawierające w molekułach atomy węgla, nadające się do spalenia bezpośrednio lub współspalane z paliwami tradycyjnymi), ciekłe (przede wszystkim metanol, etanol oraz benzyny i oleje otrzymywane w drodze katalitycznego rozkładu tworzyw sztucznych, zwłaszcza poliolefin) lub gazowe (głównie bogaty w metan gaz wysypiskowy powstający w wyniku fermentacji odpadów organicznych oraz otrzymywany w procesie tlenowo - parowej utylizacji odpadów gaz syntezowy, zawierający znaczne ilości wodoru i tlenku węgla) nośniki energii. Recykling energetyczny można prowadzić dla każdej grupy odpadów osobno -wymaga to selektywnej ich zbiórki, segregacji i selekcji lub wykorzystując je w stanie surowym (wymieszane), co jest wygodniejsze i prowadzi do bezpośredniego przetworzenia odpadów na energię cieplną lub elektryczną.   Recykling dzieli się na poszczególne etapy:  ●Sortowanie  Polega na rozdzieleniu różnych rodzajów odpadów. Najkorzystniejsze jest, gdy sortowanie odbywa się na etapie selektywnej zbiórki odpadów. Dokonywane jest ono przez użytkowników, a więc odbywa się na etapie najbliższym powstawania odpadów. Odpady ze zbiórek są mniej zanieczyszczone i bardziej przydatne do obróbki. ●Rozdrabnianie  Odpady gromadzone w pojemnikach do zbiórki selektywnej są zazwyczaj w formie nieprzydatnej do bezpośredniego przetwórstwa. Rozdrabnianie tworzyw sztucznych odbywa się w młynach wyposażonych w noże tnące oraz sita separujące odpady o wymaganej wielkości. Rozdrobnienie odpadów ułatwia ich transport. ●Mycie  Odpady ze szkła i tworzyw sztucznych są z reguły zanieczyszczone i wymagają mycia. W tym celu stosuje się wanny myjące zawierające kąpiele wodne z detergentami. Po myciu konieczne jest odwirowanie i osuszenie odpadów. ●Wytłaczanie  Stanowi zasadniczy element linii technologicznej recyklingu mechanicznego.  W tym etapie wytwarzany jest produkt końcowy, który może być granulat lub, w przypadku szkła, wyrób finalny o formie użytkowej. ●Pozostałe  W linii recyklingu powinny znajdować się także elementy towarzyszące takie, jak transportery, cyklony oraz silosy, które spełniają funkcje magazynowe i homogenizujące odpady. Dodatkowo mogą występować specyficzne urządzenia pomocnicze: krystalizatory czy aglomeraty. Papier (łac. papyros) – spilśniona na sicie masa włóknista pochodzenia organicznego o gramaturze od 28 do 250g/m². Wytwarzany poprzez ułożenie na sicie (w procesie flokulacji) włókien. Papier jest wytwarzany w formie arkuszy lub wstęgi nawijanej w zwoje. Po uformowaniu masy na sicie jest odwadniany, prasowany, suszony i gładzony w podzielonych etapach ciągłego procesu wytwarzania.  Można powiedzieć, że papier to wstęga z włókien z dodatkiem pewnej ilości chemikaliów, które wpływają na jego właściwości i jakość. Papiernicza masa włóknista może być produkowana z pierwotnych włókien, z zastosowaniem procesów chemicznych lub mechanicznych, bądź w wyniku ponownego roztwarzania makulatury. Surowce  do otrzymania papieru Głównym surowcem włóknistym jest drewno, ale mogą również być użyte: słoma, konopie, trawa, bawełna oraz inne materiały zawierające celulozę. Najważniejszymi składnikami drewna są: celuloza, hemicelulozy i lignina a dokładny skład zależy od jego rodzaju i odmiany. Zazwyczaj drewno zawiera około 50% wody, a jego część stała składa się na ogół z około 45% celulozy, 25% hemiceluloz, 25% ligniny oraz 5% innych substancji Podczas obróbki chemicznej z drewna otrzymywana jest masa celulozowa. Można ją otrzymać poprzez proces rozpuszczenia ligniny wiążącej roślinne włókna. Pozbycie się ligniny nadaje drewnu strukturę pojedynczych włókien z dominującą przewagą celulozy. Wyroby otrzymywane na bazie mas celulozowych nazywa się wytworami bezdrzewnymi. Podczas obróbki chemicznej otrzymywana jest z drewna masa celulozowa, a obróbka mechaniczna daje ścier drzewny. Są to dwa surowce, z których otrzymuje się większość papieru na całym świecie. Ścier drzewny powstaje podczas ścierania drewna w obróbce mechanicznej, można wyróżnić ścier: ●biały (w przeważającej części z drewna świerkowego),  ●ścier brązowy ( w pierwszym etapie użyto drewna pod ciśnieniem - zazwyczaj sosnowego)  ●ścier chemiczny (gdy drewno zostało najpierw poddane impregnacji) Surowce pomocnicze woda - wchodzi w skład masy papierniczej, jest używana przy myciu oraz płukaniu, najlepsza jest woda miękka o dużej czystości. wypełniacze - białe pigmenty, które nanoszone są na włókna; dzięki nim otrzymany wyrób ma większą przeźroczystość i jest bielszy środki zaklejające - kleje zwierzęce lub żywiczne, barwniki środki koagulujące pigmenty środki wodoutrwalające   Proces wytwarzania papieru 1) Sporządzenie masy papierniczej ● proces mielenia masy papierniczej - noże mielące rozgniatają, tną oraz gładzą masę; działanie to nadaje większość dalszych cech papieru  ● zaklejanie papieru - ten etap nadaje pożądany stopień zaklejenia, odpowiedzialny za odporność na rozlewanie różnorodnych cieczy i ich przenikanie; odbywa się to na zasadzie dodatku kleju do samej masy lub tylko na jej powierzchnię  ● wypełnianie papieru - za pomocą wypełniaczy; dodaje się na włókna oraz do samej masy białe pigmenty nadające papierowi wysoką białość, gładkość powierzchni, miękkość oraz nieprzeźroczystość, wypełniacze obniżają jednak wytrzymałość oraz stopień zaklejania papieru.  ● barwienie - używa się w tym procesie paru substancji koloryzujących pozwalających nadać wyrobowi papierniczemu pożądaną barwę, zastosowanie pigmentów barwiących oraz barwników.  ● rozwodnienie  ● proces oczyszczania 2) Spilśnianie papieru ● przykłada się masę papierniczą do odpowiednich sit i prowadzi odwodnienie, poprzez oczka sita przepływa woda składająca się z  masy papierniczej  ● następnie specjalnym walcem naciska się na masę, która ulega spilśnieniu oraz w odpowiedni sposób rozkłada się na niej włókna; możliwe jest jednoczesne wygniatanie znaków wodnych [filigran [znak wodny] - napis, znak firmowy, rysunek, godło, jest to znak, który widać, gdy arkusz wyprodukowanego papieru jest oglądany pod światło, zastosowanie dla wysokojakościowych papierów oraz przy papierach o dużej wartości] ● odciśnięcie wody - włókna papieru rozkłada się na taśmie, którą wprowadza się między walec wyżymaka wyciskającego ze wstęgi papieru wodę   3) Proces formowania wstęgi papieru ● dalsza utrata wody przez wstęgi odbywa się dzięki prasom  ● kolejno wstęga papieru zostaje poddana sprasowaniu i przenosi się ją na cylindry, gdzie jest suszona dzięki podgrzewaniu jej do temperatury 120^0C -w tej temperaturze żywica ulega stopieniu a pozostała część wody odparowuje, wstęga papieru zostaje równomiernie uformowana  ● chłodzenie oraz zwinięcie wstęgi papieru Rodzaje papieru: ● Papier gazetowy ● Tektury opakowaniowe ● Niepowlekane papiery drukowe i do pisania ● Papiery na warstwy płaską i pofalowaną tektury falistej ● Powlekane papiery drukowe i do pisania ● Papiery opakowaniowe ● Papiery specjalne Klasy papieru: Klasa artykułu papierniczego bierze pod uwagę zawartość procentową surowców włóknistych, używanych przy produkcji materiału. Pierwszym kryterium jest udział włókien szmacianych, następnie zwraca się uwagę na ilość włókien pochodzących od celulozy drewnianej, a następnie ilość ścieru drzewnego oraz włókien pochodzących z mieszanej makulatury. Jeśli włókna szmaciane zostały użyte w największej ilości to produkt papierniczy zalicza się do klasy I. Przewaga włókien makulatury mieszanej daje ostatnią z możliwych, 10 klasę.   Papier klas I oraz II - charakteryzuje się najwyższą trwałością i mocą. Służy do produkcji banknotów i jest wykorzystywany przy sporządzaniu ważnych dokumentów.   Papier klasy III - określa się jako bezdrzewny (100% celulozy) i zalicza się do papieru specjalnego. Przeznaczany jest do wieloletniego przechowywania lub ciągłego posługiwania się nim (np. na zeszyty szkolne).   Papier klasy IV - ma trwałość i wytrzymałość zbliżoną do papieru III klasy. Przeznaczany jest na druki specjalne. Papier klas V i VI - jest on dostatecznie dobry, charakteryzujący się dużą wytrzymałością i wieloletnią trwałością (np. do druku wielu książek)   Papier klasy VIII – jest używany wyłącznie do druku gazet.   Makulatura W dobrze zorganizowanych, zdyscyplinowanych i świadomych społeczeństwach wskaźnik odzysku makulatury jest wysoki - w Europie przodują Niemcy oraz Finlandia, gdzie około 73% zużywanych papierów i tektur jest odzyskiwanych w postaci makulatury. Dla całej Unii (bez nowych członków) wskaźnik ten wynosi około 58%, w Polsce około 37%. Polska jest zatem potencjalnie dużym dostawcą makulatury - przy obecnych wskaźnikach zużycia papierów i tektur, wykorzystując rozwiązania w zakresie odzysku przodujących krajów europejskich, moglibyśmy dodatkowo w ciągu roku zebrać i przekazać do recyklingu około 700 tys. ton makulatury. Gdyby nie przetwarzano makulatury na nowy papier, stawałaby się ona niepotrzebnym śmieciem, masowo zalegającym na wysypiskach. Wzrosłoby także zapotrzebowanie na włókna pochodzenia roślinnego. Na wytworzenie jednej tony papieru trzeba wyciąć 12 – 17 drzew.  Idąc w druga stronę przetworzenie 1 tony papieru pozwala na zaoszczędzenie:   •Od 2,3 do 7 m3 miejsca na składowisku śmieci, •26 500 litrów wody, •1 476 litrów ropy, •4 200 kWh energii.   Procesy przerobu makulatury można podzielić na dwie główne kategorie:   •        Procesy z zastosowaniem wyłącznie mechanicznego oczyszczania, tzn. bez odbarwiania, obejmujące produkcję takich wyrobów jak testliner - papier dla płaskich warstw tektury falistej i mieszanej makulatury; niepowlekane tektury i tektury pudełkowe, bibułki do celów higienicznych. •        Procesy obejmujące mechaniczne oczyszczanie i odbarwianie, stosowane przy produkcji takich wyrobów jak papier gazetowy, bibułka, papiery do druku i pisania, papiery na czasopisma ilustrowane, powlekane tektury i tektury pudełkowe lub rynkowa odbarwiona masa makulaturowa.   Etapy procesu przerobu makulatury obejmują:   •        składowanie makulatury, •        rozwłóknianie •        usuwanie zanieczyszczeń, tzn. skuteczne oddzielanie materiału włóknistego od towarzyszących mu zanieczyszczeń, •        wytwarzanie papieru na maszynie papierniczej. W zależności od możliwości technologicznych odzyskany papier i tekturę można wykorzystać wtórnie do produkcji różnych papierów i tektur makulaturowych. Kierunki zagospodarowania tych wyrobów to produkcja opakowań i tektur specjalnych, produkcja papierów graficznych - głównie gazetowych oraz produkcja papierów higienicznych (toaletowy i ręczniki). Recykling, czyli wtórne przetworzenie jest najbardziej ekonomicznym i ekologicznym kierunkiem zagospodarowania makulatury. Odpady papierów i tektur można także utylizować poprzez: ● kompostowanie - w przypadku makulatury o niskiej przydatności do recyklingu,  ● spalanie (np. w przypadku opakowań kombinowanych - tworzywa sztuczne/papier lub tektura, tworzywa sztuczne/papier lub  tektura/aluminium). Cel ćwiczenia:   Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jednym ze sposobów produkcji papieru makulaturowego, a także z oznaczaniem wilgotności i suchej masy.   Wykonanie ćwiczenia:   1. Oznaczanie wilgotności i zawartości suchej masy.   Wytwory papiernicze z wyjątkiem papieru wodoodpornego, należą do artykułów higroskopijnych. Zdolność chłonięcia wody zależy od składu chemicznego struktury. Zwiększona zawartość wody podnosi gramaturę papieru, ale wpływa obniżająco na szereg jego cech, przede wszystkim mechanicznych.   1.a. Wyposażenie stanowiska do oznaczania wilgotności.   - suszarka elektryczna z automatyczną regulacją temperatury    (dokładność pomiarów wynosi ± 2°C) - waga techniczna - waga analityczna - naczynka suszarkowe z pokrywkami - eksykator z suchym pochłaniaczem wilgoci   Zasada oznaczenia polega na wysuszeniu próbki badanego produktu w suszarce w temperaturze 103 ± 2°C do stałej masy. Należy przyjąć, że próbka osiągnęła stałą masę, jeżeli wynik 2 kolejnych ważeń nie różni się między sobą więcej niż o  0,1% pierwotnej masy próbki z naczynkiem.   Tok postępowania podczas oznaczania jest następujący: - włączyć suszarkę i ustawić temperaturę 103± 2°C, - rozdrobnić  (pociąć, poszarpać, itd.) na małe kawałki papier. Czynność rozdrobnienia należy przeprowadzić szybko i sprawnie, aby uniknąć zmian w zawartości wody w badanym produkcie papierniczym. W przypadku ręcznego rozdrobnienia należy użyć rękawiczek gumowych. - odważyć do każdego z naczynek po 2g badanego  produktu z dokładnością do 0,0002g i równomiernie rozprowadzić na dnie - ustawić naczynka w suszarce i suszyć w temperaturze 103± 2°C, - po zakończeniu suszenia zważyć próbki.   Wilgotność produktu w % należy obliczyć z następującego wzoru:                                                                                         gdzie:   a – masa próbki produktu pobranego do oznaczenia (g), b – masa próbki produktu po wysuszeniu (g).   Zawartość suchej masy w % można obliczyć z następującego wzoru:                                                                                          Dopuszczalna różnica między wynikami poszczególnych oznaczeń w próbkach analitycznych nie powinna przekraczać 0,2%. Za wynik ostateczny przyjmujemy  średnią arytmetyczną z poszczególnych oznaczeń obliczonych z dokładnością do 0,1%.   2. Proces produkcji papieru:   2.a. Wyposażenie stanowiska do produkcji papieru.   - mikser z misą obrotową - klej biurowy - prasa pneumatyczna   Zasada wykonania ćwiczenia : - podrzeć na małe kawałki papier - włożyć do miksera, dodać wodę i klej biurowy - zmiksować do momentu uzyskania jednolitej masy - wylać masę do formy i równomiernie rozprowadzić - sprasować Opracowanie instrukcji: Barbara Sykut