TBME7501_BT BIODEGRADÁBILIS ANYAGOK, HULLADÉK-KEZELÉS A tantárgy oktatója: Dr. Nagy Miklós egyetemi adjunktus

Az anyagi termelés során az ember érintkezésbe lép a természettel és azt saját igényeinek megfelelően átalakítja Az ipar az anyagi termelés egyik főterülete. Az iparban folyó anyagi termelés során az ember a természetben található nyersanyagok vagy mezőgazdasági termékek átalakítását végzi el oly módon, hogy ezáltal közvetlen fogyasztásra alkalmas termékeket vagy más területek által felhasználható alapanyagokat állít elő Ez a cél a kiindulási anyag átalakításával, azaz alakjának, fizikai állapotának vagy kémiai összetételének megváltoztatásával érhető el.

Az ipari fejlődés tendenciatörvényei Minden kielégített igény újabb és magasabb rendű igényt szül az emberben és/vagy a társadalomban Minden igény kielégítésére, azaz használati érték létrehozására az ember és/vagy társadalom az aktuálisan lehetséges minimális munkát szánja.

Az ásványi nyersanyagok használatának története Az ásványi nyersanyagok használata, kutatása és bányászata az emberi faj fejlődésének kezdetéig vezethető vissza, már a legelső emberi eszközök készítéséhez is meghatározott nyersanyag-igény társult. Az alábbiakban vázlatos áttekintést adunk az ásványi nyersanyagok használatának fejlődéséről. Több millió évvel ezelőtt: kőeszközök használata vadászathoz, tűzkő használata, obszidián vágóeszközök és fegyverek, só használata és bányászata; Kb. 18 ezer évvel ezelőtt: réz és arany használata; 6000 évvel ezelőtt: réz kinyerése ércekből olvasztással; 5000 évvel ezelőtt: ólom, cink, ezüst, ón kinyerése olvasztással, bronz előállítása; 4500 évvel ezelőtt: kőolaj használata tüzelőanyagként (Babilónia); 3500 évvel ezelőtt: kőszén bányászata és használata tüzelőanyagként, első fúrás (100 m) földgáz hasznosítására (Kína); 3300 évvel ezelőtt: vasolvasztás; 2500 évvel ezelőtt: fémek, tüzelőanyagok, cement, gipsz, üveg, porcelán használata (görög és római kultúra); Napjainkban: szinte minden természetben előforduló kémiai elem használata, több mint 200 féle ásvány bányászata.

A nemérces és érces nyersanyagok hozzávetőleges 1 főre eső évi fogyasztása a fejlett országokban (Merrits et al., 1997 nyomán)

A természetben előforduló 92 elemből 8 elem alkotja a földkéreg 99 tömeg %-át. Az 1 %-nyi 82 elem, melyek nagy része jelentős gazdasági értéket képvisel, a telepképző folyamatokban dúsulhat. Ha ezeket egyenletesen osztanánk el a földkéregben, esélyünk sem lenne a hasznosításukra. Az elemek mennyiségi eloszlása a földkéregben. Az egyenként jelölt elemek a kőzetalkotó ásványok elemei, a kőzetképző folyamatokban vesznek részt. A "többi elem" kategória elemei a telepképző folyamatokban dúsulhatnak (Vinogradov in Kiss, 1982 nyomán)

Korunkat méltán nevezhetjük a polimerek korának, kettős értelemben is. Egyrészt a biomakromolekulák (DNS, RNS, fehérjék), másrészt pedig szintetikus polimerek terén elért fejlődés alapján. Ha számba vesszük az emberiség korszakait, akkor annak egyik felosztása a történelem során megjelenő új anyagok szerint történik. Így a következő korszakok különböztethetők meg: kőkorszak, rézkorszak, bronzkorszak, vaskorszak és végezetül napjaink kora, a polimer korszak.

Az emberi technológia korszakai kőkorszak vaskorszak műanyagok kora ? Elsődleges cél a jó mechanikai tulajdonság. Könnyen hozzáférhető nyersanyagok, könnyű előállíthatóság. Nem reagálnak a környezet változásaira!

Intelligens anyagok Hőmérsékletváltozás Nedvesség Elektromos áram Fény Intelligens (intelligent, smart, responsive, adaptive) anyagoknak nevezzük az olyan multifunkcionális anyagokat, melyek érzékelik, feldolgozzák, majd gyors és egyértelmű választ adnak környezetük egy vagy több fizikai vagy kémiai változására. Környezeti hatások Hőmérsékletváltozás Elektromos áram Mágneses tér Nedvesség Fény Kémiai inger

Intelligens anyagok: típusok Alakmemória polimerek, ötvözetek Konjugált polimerek Öngyógyító rendszerek Molekuláris kapcsolók Mágneses folyadékok Fotonikus rendszerek

Intelligens anyagok:felhasználás Elektronikai termékekben: pl. hajlékony áramkörök, kijelzők esetleg ruházattal kombinálva Űrkutatás: önmaguktól felépülő modulok, fogókarok

A műanyagok definíciója A műanyagok egy vagy több, főleg mesterségesen előállított polimerből és (különböző célú) adalékanyagokból álló összetett rendszerek. Polimer: Nagy molekulatömegű, ismétlődő egységekből álló anyagot makromolekulának, polimernek nevezünk. Az elnevezés a görög poly (sok) és merosz (egység) szavakból alakult ki. Adalékanyagok: Színezékek, térfogatnövelő anyagok, stabilizátorok, lágyítók…stb.

A műanyagok tulajdonságai Előnyeik Kis sűrűség Kis súrlódási együttható Jó elektromos szigetelő jó ellenállás savakkal, lúgokkal környezeti hőmérsékleten Jó hangszigetelés Kis hővezető képesség Jó megmunkálhatóság, jó színezhetőség Kis gyártási ár Hátrányaik Nagy hőtágulási együttható Kis szilárdság /merevség Kis hőállóság (100 °C felett) Nagyobb „öregedési hajlam” Nagyobb gyúlékonyság

A világ műanyatermelése 2010-ben Műanyag termelés (Mtonna): A világ műanyatermelése 2010-ben Forrás: Plastics Europe Market Research Group (PEMRG) A világ műanyag termelése Európa műanyag termelése A világ műanyatermelése 1950-2010 között Forrás: Plastics Europe Market Research Group (PEMRG)

A hőre lágyuló műanyagok piaci részesedése 2007-ben A világ műanyag és acél termelése A hőre lágyuló műanyagok piaci részesedése 2007-ben Műanyagok Műanyagok termelése > Acél termelése Acél Milliárd liter

POLIPROPILÉN TERMELÉS (millió font) Forrás: American Chemistry Council

A műanyagok csoportosítása közszükségleti vagy commodity műanyagok, mint a polipropilén vagy a polietilén, melyeket általában nagy mennyiségben vásárolnak műszaki vagy engineering műanyagok, melyeknek nagyobb műszaki elvárásoknak kell megfelelniük és általában jóval drágábbak a közszükségleti műanyagoknál. Ilyen például az akrilnitril-butadién-sztirol (ABS), a polikarbonát (PC), a PEEK. A közszükségleti műanyagokat gyakran felhasználják műszaki műanyagok előállításához is, keveréssel (compounding) vagy vegyítéssel (alloying).

Európa műanyag szükséglete* 2010 Forrás: Plastics Europe Market Research Group (PEMRG) *EU27 + H/CH ind. más műanyagok (~5-6 Mtonna)

Történelmi áttekintés a világ polimer keresletéről Kereslet (Mt) Polisztirol Polipropilén PVC Polietilén

Történelmi áttekintés a világ polimer keresletéről Relatív kereslet Polisztirol Polipropilén PVC Polietilén

Európa országainak műanyag kereslete (ktonna/év) Ausztria Belgium & Lux. Bulgária Ciprus/Málta Csehország Dánia Észtország Finnország Franciaország Németország Görögország Magyarország Írország Olaszország Lettország Litvánia Hollandia Lengyelország Portugália Románia Szlovákia Szlovénia Spanyolország Svédország Egyesült Királyság Norvégia Svájc 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 k tonna 2010 2009 Forrás: Plastics Europe Market Research Group (PEMRG)

A szintetikus polimereken alapuló műanyagipar nem hagyhat – és nem is hagy – figyelmen kívül két alapvető tényt: a polimer gyártás alapját képező monomerek kőolajtermékek vagy azok származékai, és mint ismert a Föld kőolajkészlete véges; a rendkívül nagy mennyiségű polimer termék felhasználása igen nagy mennyiségű hulladékot is eredményez, ami környezeti szempontból lehet aggályos. Mindezek következtében a polimerek elsődleges alapanyagként történő alkalmazása mellett egyre jelentősebbé válik a polimerek – mint műanyag hulladékok – másodlagos alapanyagokként történő felhasználása.

Polietilén Polipropilén Polisztirol PVC Olaj €2007/hordó nyersolaj €2007/tonna polimer €2007/hordó nyersolaj Polietilén Polipropilén Polisztirol PVC Olaj

Éves biomassza termelés: 170 milliárd tonna Az emberi felhasználás csak 3,5 % (6 billió tonna/év) Forrás: Thoen and Busch (2005)

Polimerek szerkezetek Polymers consist of long chains, which are composed of simple structural units (mers) strung together. mer “poli” = sok Mers strung together to form polymers

Polimerek szerkezetek zárt molekula Egy-végű Két-végű lineáris molekula térhálós polimer Három vagy több végű

Polimerek szerkezetek, lánc típusok 1. Lineáris lánc Thesse are formed when chains are built up without any deviation. They are generally formed when the mers used have only two reactive sites. 2. Elágazó lánc Deviation can occur when the chain is being formed and chain branching can result. 3. Térhálós The branches can join up to give cross-links between adjacent chains.

A POLIMER MOLEKULÁK ALAKJA a. fonalmolekula, b. elágazott fonalmolekula (ritka, hosszú oldalláncok), c. elágazott fonalmolekula gyakori, rövid elágazásokkal, d. térhálós molekula,

Polietilén elágazások

Polimerek szerkezetek Level 1 The types of mers Level 2 Combining mers together Level 3 The way mers are joined together Level 4 The degree of order in polymers Level 5 Polymer mixtures

A polimerek előállítása Láncpolimerizáció: Amely az aktív centrum jellege szerint lehet: Szabadgyökös, Anionos, Kationos, Ziegler-Natta polimerizáció. Monomerei: nagyrészt vinil-vegyületek és egyes oxigén- illetve nitrogéntartalmú gyűrűs vegyületek. Pl. etilén, propilén, butadién, izobutilen, sztirol, vinilklorid, (met)akrilátok, valamint az epoxidok

B. Lépcsős polimerizáció: Élő szervezetben csak ez játszódik le! Monomerjei: Különféle, heteroatomot tartalmazó vegyületek: többértékű savak, alkoholok, savkloridok, észterek, fenolok, aminok, stb. Aminosavak Kémiai kötés kialakulása Növekvő fehérjelánc Riboszóma tRNA mRNA láncnövekedés Lépcsőzetes növekedés

A MAKROMOLEKULÁK FELOSZTÁSA   Makromolekulák Szervetlen Elemorganikus Szerves természetes homoatomos polimerek pl. kén, szelén, grafit, gyémánt biatomos pl. (SiO2) poliatomos, pl. polifoszfátok mesterséges üveg, cement szilícium-karbid stb. poli (foszfor- nitril-klorid) Mesterséges poliorgano- sziloxánok bór-, foszfor-, kénorganikus polimerek szénláncú polimerek heteroláncú polimerek (biopolimerek) poliprének poliszacharidok nukleinsavak (polinukleotidok) egyéb természetes polimerek pl. sellak, borostyán-kő, kopál, dammar, (növényi, állati eredetű gyanták)

A különböző adalékok és ezek feladata a polimerben A műanyagok sokféleségét, tulajdonságaik széles tartományát nem csak az alappolimer határozza meg, hanem a hozzákevert adalékok is. A különböző adalékok és ezek feladata a polimerben A polimer tulajdonságainak megőrzése A polimer tulajdonságainak kiterjesztése Új tulajdonságok és hatások feldolgozási stabilizátorok UV/fénystabilizátorok antisztatikumok antioxidánsok égésgátlók savmegkötők hőstabilizátorok gócképzők tartalom UV-fényvédelme csúsztatók optikai halványítók biocidek lágyítók felületmódosítók

(1) Mivel a polimer gyártás kőolaj alapú, mi történik a kőolaj források kiaknázása után? (2) Tekintettel arra, hogy a nagy mennyiségű felhasználás nagy mennyiségű polimer tartalmú műanyag hulladékot eredményez, mi legyen ennek a sorsa? A Föld jelenleg ismert kőolajkészlete 300 Gt Az éves felhasználás 3 Gt Ennek 80%-a energiatermelés