ENVIROMENTÁLNE TECHNOLÓGIE – nové stroje a zariadenia. RECYKLÁCIA – triedenie a úprava odpadov. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE – energetická a materiálová efektívnosť.

Využitie možností GUMOVÉHO MATERIÁLU po recyklácii odpadových PNEUMATÍK


Pneumatiky sa s rozvojom automobilového priemyslu stali neoddeliteľnou súčasťou bežného života človeka. Využívame ich takmer každodenne, či už pri jazde osobným automobilom či pri jazde autobusom hromadnej dopravy, sú hojne využívané aj v leteckej doprave, ale tiež sú dôležitým článkom premávky nákladnej dopravy.


V dôsledku rozvoja spoločnosti vo svete stúpa dopyt po pneumatikách a s tým úmerne súvisí aj produkcia odpadových pneumatík [1]. Odpadové pneumatiky predstavujú globálny problém a stále väčšie riziko pre životné prostredie, pretože nie sú biologicky rozložiteľné, často sú nesprávne skladované a likvidované. Tieto zásoby predstavujú hrozbu neriadených požiarov a ďalších environmentálnych rizík. Je odhadované, že každoročne končí životnosť takmer 1000 miliónov pneumatík a viac ako 50% je vyradené bez akéhokoľvek ďalšieho využitia [2].

Ukladanie pneumatík na skládku po skončení ich životnosti bolo zakázané Európskou komisiou v roku 1999. V mnohých krajinách je preto študovaná recyklácia a zhodnocovanie odpadových pneumatík [5]. Týmto krokom bolo nutné prehodnotiť pohľad a prístup k odpadu, aby sa zvýšilo ich využitie a drasticky znížilo množstvo, ktoré vyžaduje ich odstránenie alebo skladovanie [3].

Najjednoduchším a najlacnejším spôsobom likvidácie odpadových pneumatík predstavuje ich spaľovanie. Pri horení pneumatík, teda pri oxidačnej reakcii, sa najväčšia časť premení na oxidy uhlíka a sadze. Tiež sa uvoľňujú látky ako butadién a styrén, alifatické a aromatické uhľovodíky, benzén, toluén, fenylacetylen apod. Obsiahnutá síra reaguje na oxid siričitý a sírne deriváty. Vo splodinách môžeme nájsť ťažké kovy ako napríklad olovo [4]. Použitie pneumatík ako palivo nie je ekonomicky atraktívne a k ohľadu na životné prostredie je jej využitie ako druhotné suroviny výhodnejšie. Odpadová pneumatika ako surovina má pre jej ďalšie spracovanie a využitie vysoký potenciál. Produkty z nej vyrobené môžu byť použité v rôznych civilných a priemyselných odvetviach, ako napr. V dopravnom staviteľstve, v poľnohospodárstve, v pobrežnom staviteľstve, v oporných múroch, apod. [5].

Staviteľstvo sa už niekoľko rokov snaží čeliť výzve k zlepšeniu životného prostredia tým, že hľadá suroviny šetrnejšie k prostrediu alebo využívaním odpadových materiálu napr. Ako plnivo do betónu. Vzorom pre zhodnocovanie odpadu môže byť metalurgický priemysel, ktorý sa snaží vznikajúce odpad zapracovať do ďalších metalurgických agregátov, ako ukazujú výskumy [6]. Možným riešením pre použitie kaučuku z odpadových pneumatík je jeho použitie do betónu ako náhradu za niektoré prírodné kamenivo. Betónové kompozity na báze recyklovaných pneumatík majú potenciál znížiť celkové emisie skleníkových plynov, poskytnúť ekonomický prínos, znížiť environmentálne problémy spojené s ukončením životnosti pneumatík v doprave a prináša ekologický spôsob recyklácie kaučuku z odpadových pneumatík [5].

Boli vykonané štúdie, v ktorých vedci skúmali vlastnosti betónu obsahujúceho drvený kaučuk. Vedci naznačili, že betónová zmes obsahujúca kaučukový granulát môže zvýšiť húževnatosť a ťažnosť, zlepšujú akustickú absorpciu a odolnosť proti tepelným zmenám. Bolo zistené zníženie jednotkovej hmotnosti a dosiahnutie lepšej trvanlivosti pri porovnaní s obyčajným betónom. Tiež bolo zistené zníženie pevnosti v ťahu kvôli nízkej tuhosti kaučuku a zlé väzbové pojivosti medzi kaučukom a cementovou maltou. Predbežná úprava povrchu kaučukového granulátov roztokom NaOH by mohla zlepšiť pojivosť kaučuku a cementovej malty v betónovej zmesi. Túto modifikáciu povrchu kaučuku prezentoval výskum "Development of waste tire modified concrete" [7].


  

Metódy a možnosti využitia odpadových pneumatík

Recyklácia pneumatík umožňuje získavanie vzácnych materiálov, úsporu energie vo vzťahu k primárnej výrobe a zníženie množstva odpadu. Ojazdené pneumatiky predstavujú najväčší podiel z celkového množstva recyklovaného kaučuku. Opotrebovaná pneumatika obsahuje rad chemikálií s energetickým potenciálom, ale je aj zdrojom druhotnej suroviny. Pneumatiky sú vyrobené z pružného gumového materiálu, ktorého konštrukcia je vystužená textilnými a kovovými materiálmi. Zloženie pneumatiky je z materiálov s obsahom kaučuku, sadzí, oceľových vložiek, olejov a vulkanizačných činidiel, syntetickej gumy a textilu. Na Obr. 1 je zobrazené percentuálne zloženie pneumatík pre osobnú a nákladnú dopravu [3, 8].

Pri recyklácii pneumatík je potrebné prijať určité opatrenia a to [3]:

• znížiť riziko znečistenia pri dočasnom uskladnení ojazdených pneumatík,

• zvýšenie využiteľnosti ojazdených pneumatík,

• zníženie spotreby surovín, najmä tých, ktoré majú pôvod u neobnoviteľných zdrojov a použitím ojazdených pneumatík ako druhotných surovín.




Obr. 1: Zloženie pneumatík pre osobnú a nákladnú dopravu [7].

Použitie pneumatiky ako zdrojovej suroviny vedie k trom kategóriám výrobkov. Sú nimi gumené granule, oceľové drôtiky, nylonové a textilné vlákna. Pomocou moderných technológií je možné tieto materiály spätne oddeľovať od gumenej drviny, takže je možné materiál recyklovať alebo ďalej využiť [3, 8].

Odpadové pneumatiky sú privedené do primárneho drviča s pevnými nožmi, ktorý ich rozreže na rozsah veľkosti 50-300 mm. V tejto fáze môžu byť rezy pneumatík použité ako plnivo napr. Do drenážneho systému, biofilmového reaktora, a pod., Alebo sú zhromažďované pre sekundárne drvenie. Po primárnej fáze drvenie postupujú gumené rezy do granulátora, ktorý pomôcť rezanie a strihanie redukuje guma na rozmery od 10-50 mm. Následne prejde materiál sitom s pevnou veľkosťou otvorov. Ďalším stupňom, ktorým prechádza gumový materiál je magnetický triedič, kde dochádza k separácii oceľových drôtených častíc. Pre odstránenie textilných a nylonových vlákien je použitý vzduchovo-gravitačný separátor. Do gumeného materiálu je vháňaný vzduch a na základe gravitácie a hmotnosti jednotlivých častíc dochádza k separácii. Pre získanie materiálov jemnejšia frakcia <10 mm, je potrebné aby materiál prešiel progresívne radom granulačných mlynov (pozri Obr. 3). Vzniknutý materiál je distribuovaný pod názvom gumený prach. Môžu existovať ďalšie procesné fázy, napr. sekundárny zber kovových prvkov, alebo mletie v mokrom procese za vzniku častíc s veľkosťou až ≤100 mikrometrov [9].

Obr. 2: Proces drvenia pneumatík a separácia materiálu [9].


Kaučuk môže byť vyrábaný v rôznych veľkostiach od najmenšieho prášku až po granuláty, ktoré sa využívajú na rôzne účely. Aby recyklovaná guma mohla byť náhradou za nový kaučuk, je veľmi dôležité, aby kvalita recyklovanej gumy bola vysoká. Musí byť úplne čistá a veľkosť častíc musí byť jednotná. Pokiaľ budú splnené tieto požiadavky na kvalitu, zistí priemysel, že recyklovaná guma je úplne schopná nahradiť pôvodnú surovinu. Výsledkom následného spracovania gumovej drviny je rozrezaný materiál rôznych veľkostí a typov v závislosti na jeho zamyslené použitie [8]:

• gumené štiepky (veľkosť 20-50 mm),

• gumový granulát (0,8-20 mm),

• gumený prach (<0,8 mm).

Použitie materiálov z pneumatík, ktoré sú používané opakovane, boli vyvíjané niekoľko rokov, vrátane povrchov vozoviek, základov detských ihrísk, športových ihrísk i hlukových bariér. Došlo k nárastu firiem, ktoré využívajú materiál z pneumatík pri výrobe rôznych výrobkov z gumy. Použitie drvené gumy v zmesi asfaltových dlažieb sa ukázalo ako úspešné kvôli dobrej kompatibilite a interakciu medzi gumenými časticami a asfaltovým spojivom. Výskum použitie gumových častíc do betónových kompozitov už bol zdokumentovaný a preverený, však informácie o veľkosti gumových častíc alebo ich rozloženie v betóne, ktoré môžu tiež ovplyvniť konkrétne vlastnosti, sú obmedzené [8, 10].

Použitie gumového granulátu v betóne

Jedným z možných riešení pre použitie kaučuku z odpadových pneumatík je zabudovanie kaučuku do betónu, ako náhradu za prírodné kamenivo [5].

K prvotným štúdiám o možnostiach využitia gumových častíc z odpadových pneumatík v betóne vykonali Eldin a Senouci (1993). Vo svojej štúdii zamenili časť kameniva za gumové agregáty s priemerom 38, 25 a 19 mm. Zistili, že konkrétne betón má nižšiu spracovateľnosť, pevnosť v tlaku a pevnosť v ťahu. Pokles mechanických vlastností bol spôsobený stratou adhézie medzi povrchom gumových častíc a cementovou matricou. Straty pevnosti v tlaku s rozmerom gumeného agregátu. Betón však preukázal schopnosť absorbovať veľké množstvo plastickej energie pod tlakovou a ťažnou záťažou.


Výskumom pevnosti a prenikaniu chloridov do betónov s gumovým granulátom sa zaoberali Gesoğlu a Güneyisi. Poukázali na to, že jednotková hmotnosť gumobetonu klesá so zvyšujúcim sa podielom pridanej gumy, kedy došlo k zníženiu jednotkovej hmotnosti až o 18%. Vývoj pevnosti gumobetonu medzi 3 a 7 dňom boli pomerne vysoké, medzi 7 a 28 dňami bola zaznamenaná pomalšia rýchlosť tvrdnutia. Pevnosť v tlaku bola znížená v závislosti na percente použitého kaučuku. Pri použití gumy pri výrobe betónu bolo značne zhoršené preniknutiu chloridových iónov betónom, ale stupeň miery priechodnosti chloridov sa odvíjal najmä od množstva použitého kaučuku.

Ganjian a kol. (2009) skúmali použitie pneumatík ako náhradu štrkopiesku v betóne. Gumový granulát použili ako náhradu za hrubozrnný agregát zložiek betónu k náhrade cementu bol použitý gumový prach v 5%, 7,2% a 10% hmotnosti náhradách. Zistili, že až 5% náhrady boli mechanickými vlastnosťami podobné kontrolnej vzorke a s väčšou percentuálnou náhradou dochádzalo k značným mechanickým rozdielom a zmenám. Guleria a Dutta (2011) objasňujú vo svojej práci "Unconfined Compressive Strength of Fly Ash-Lime-Gypsum Composite Mixed with Treated Tire Chips", že pevnosť v tlaku gumobetonu môže byť zvýšená pôsobením chloridu uhličitého a hydroxidu sodného na gumené agregáty betónu. Yilmaz a Degirmenci (2008) vypozorovali vo svojom výskume pokles absorpcie vody, keď došlo k zväčšeniu veľkosti gumových častíc v betóne [11, 12].

Swifta a kol. testoval akustické vlastnosti materiálov vyrobených s použitím recyklovanej gumy. Bolo zistené, že tieto materiály môžu účinne absorbovať zvuk, ak je veľkosť gumových agregátov a obsah spojiva starostlivo vybraný a jeho hrúbka je nastavená na požadovaný frekvenčný rozsah [13].

Záver

Tento článok popisuje spôsob výroby gumového granulátu po recyklácii odpadových pneumatík a možnosti využitia tohto materiálu. Zámerom tejto štúdie bolo využitie gumy v stavebníctve, predovšetkým použitie granulátu ako gumového štrkopiesku do betónu. Došlo sa k zisteniu, že použitie gumového granulátu ako náhrady za prírodné kamenivo v betónovej zmesi zásadne ovplyvňuje vlastnosti betónu. Aj keď o použití gumového granulátu do betónovej zmesi sú vykonané štúdie v rôznych odvetviach a v odlišných smeroch výskumu, je zrejmé že stále o ňom veľa nevieme. Preto je potreba pokračovať a získavať viac informácií o vlastnostiach betónu na báze gumového recyklátu.

Poďakovanie

Tento článok bol napísaný v súvislosti s projektom Ústav čistých technológií pre ťažbu a využitie surovín pre využitie energie - program udržateľnosti. Identifikačný kód: LO1406. Projekt je podporený Národným programom udržateľnosti I (2013-2020) financovaným zo štátneho rozpočtu Českej republiky.


Autori

Jakub Svoboda, Ing., Katedra environmentálního inženýrství, Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin,  Hornicko-geologická fakulta, VŠB-TU Ostrava;

jakub.svoboda@vsb.cz

vojtech.vaclavik@vsb.cz


References

[1]      ADAMCOVÁ, Dana. Research of selected types of municipal waste with focus on waste tyres. Brno, 2011. Dissertation. Mendel University in Brno, Faculty of AgriSciences, Department of Applied and Landscape Ecology.

[2]      RAWAHI, Zamzam Al a Muhammad Bilal WARIS. Use of recycled tires in non-structural concrete. MATEC Web of Conferences. 2017, 120, 03002. ISSN 2261-236X. DOI:10.1051/matecconf/201712003002

[3]      BULEI, C., M. P. TODOR, T. HEPUT a I. KISS. Directions for material recovery of used tires and their use in the production of new products intended for the industry of civil construction and pavements. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, 294(1), 012064. ISSN 1757-899X. DOI:10.1088/1757-899X/294/1/012064

[4]      TOUTANJI, H. A. The use of rubber tire particles in concrete to replace mineral aggregates. Cement and Concrete Composites. 1996, 18(2), 135–139. ISSN 0958-9465. DOI:10.1016/0958-9465(95)00010-0

[5]      THOMAS, Blessen Skariah a Ramesh Chandra GUPTA. A comprehensive review on the applications of waste tire rubber in cement concrete. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016, 54, 1323–1333. ISSN 1364-0321. DOI:10.1016/j.rser.2015.10.092

[6]      JURSOVÁ, S., S. HONUS a P. PUSTĚJOVSKÁ. Economical evaluation of reducibility of compacted metallurgical waste with high ratio of Fe. In: METAL 2016 - 25th Anniversary International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings. 2016, s. 1838–1843.

[7]      LI, Guoqiang, Michael A. STUBBLEFIELD, Gregory GARRICK, John EGGERS, Christopher ABADIE a Baoshan HUANG. Development of waste tire modified concrete. Cement and Concrete Research. 2004, 34(12), 2283–2289. ISSN 0008-8846. DOI:10.1016/j.cemconres.2004.04.013

[8]      BULEI, Ciprian. OPPORTUNITIES FOR LOW INVESTMENT RECYCLING WASTE TIRE DERIVED MATERIALS INTO RUBBER PAVERS. 2017, 5.

[9]      WASTE & RESOURCES ACTION PROGRAMME. Tyre-derived rubber materials, A technical report on the manufacture of tyre-derived rubber materials. B.m.: Envoronment Agency. 2007. https://www.pharosproject.net/uploads/files/sources/1828/1330040519.pdf

[10]    MEDINA, Nelson Flores, Darío Flores MEDINA, F. HERNÁNDEZ-OLIVARES a M. A. NAVACERRADA. Mechanical and thermal properties of concrete incorporating rubber and fibres from tyre recycling. Construction and Building Materials. 2017, 144, 563–573. ISSN 0950-0618. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2017.03.196

[21]    THOMAS, Blessen Skariah a Ramesh Chandra GUPTA. Long term behaviour of cement concrete containing discarded tire rubber. Journal of Cleaner Production. 2015, 102, 78–87. ISSN 0959-6526. DOI:10.1016/j.jclepro.2015.04.072

[12]    YILMAZ, Arin a Nurhayat DEGIRMENCI. Possibility of using waste tire rubber and fly ash with Portland cement as construction materials. Waste Management. 2009, 29(5), First international conference on environmental management, engineering, planning and economics, 1541–1546. ISSN 0956-053X. DOI:10.1016/j.wasman.2008.11.002

[13]    SWIFT, M. J, P BRIS a K. V HOROSHENKOV. Acoustic absorption in re-cycled rubber granulate. Applied Acoustics. 1999, 57(3), 203–212. ISSN 0003-682X. DOI:10.1016/S0003-682X(98)00061-9




Fotogaléria k článku