Sustainable Resource Management_2019_University of Pecs

Contents Foreword

1

Előszó

2

I. Municipal solid waste as a source of secondary raw material

4

I/1. Study of the particle size distribution and moisture content of residue derived fuels:

5

Kiss Tibor, Leitol Csaba, Győrfi Alexandra I/2. Green jobs in a circular economy:

15

Csaba Vér II. Utilization of sewage, sewage sludge and low CO2 emission technologies

25

II/1. Utilization of kitchen waste for biogas production, assesed by laboratory test methods:

26

Dávid Somfai, Klára Czakó-Vér, Aliz Árki, Anita Dolgosné Kovács, Ernő Dittrich II/2. Testing the utilization of dairy by-products as biogas substrate among in vitro laboratory conditions:

31

Dávid Somfai, Klára Czakó-Vér, Aliz Árki, Anita Dolgosné Kovács, Ernő Dittrich III. Innovative utilization of bulky industrial and mining wastes and by-products

36

III/1. Applications of natural zeolite as construction material- review:

37

Nóra Halyag, Gábor Mucsi III/2. Geochemistry of metals in the Mecsek liász coal seam:

47

Viktor Mádai IV. WEEE - extracting valuable materials from electronic and electrical equipment 58 waste IV/1. Influence of temperature on pur briquetting:

59

Sándor Nagy, Quyen V. Trinh, Gábor Dóra V. Utilization of lignocelluloses

66

V/1. Monitoring the biological degradation of lignocelluloses by FT-IR spectrometry and multivariate data:

67

Péter Áron Kiss, Rita Rákosa, Zsolt István Németh V/2. Agglomeration of various biomasses:

76

Quyen V. Trinh, Sándor Nagy VI. Települési szilárdhulladék (TSZH), mint másodlagos nyersanyagforrás

84

VI/1. Új mechanikai feldolgozó technológia vegyesen gyűjtött települési szilárd hulladékok előkészítésére:

85

Faitli József, Csőke Barnabás, Romenda Roland, Nagy Zoltán, Németh Szabolcs

VII. Szennyvizek, szennyvíziszapok, vizek hasznosítása és alacsony CO2 kibocsátási technológiák

96

VII/1. Az ivóvízellátó rendszerek létesítése kapcsán szükséges paradigmaváltás szakmai 97 háttere: Eördöghné Dr. Miklós Mária VIII. WEEE - elektronikai és elektromos eszközök hulladékából értékes anyagok kinyerése

104

VIII/1. OLED kijelzők felépítésének és mechanikai előkészíthetőségének vizsgálata:

105

Őrsi Janka, Nagy Sándor, Trinh Van Quyen, Papp Richárd Zoltán VIII/2. Az akkumulátorok és alapanyagaik árainak vizsgálata különös tekintettel a lítium alapú típusokra:

114

Péter Zsolt, Orosz Dániel VIII/3. Az akkumulátorok újrahasznosításának gazdasági kérdései különös tekintettel a lítium alapú típusokra:

121

Péter Zsolt, Orosz Dániel VIII/4. Bio-kontra kémiai szolubilizálás az elhasznált LCD-k indiumtartalmának visszanyerése érdekében

128

Mádainé Üveges Valéria – Varga Terézia – Bokányi Ljudmilla IX. Lignocellulózok hasznosítása

136

IX/1. Dendromassza termesztés rövid vágásfordulójú energetikai faültetvényeken:

137

Vágvölgyi Andrea, Czupy Imre, Szalay Dóra IX/2. Erdőgazdálkodási munkák környezetre gyakorolt hatásai és értékelésük:

146

Vágvölgyi Andrea, Szakálosné Mátyás Katalin, Dancs Mária, Papp Viktória IX/3. Akác felújítás és telepítés gépesítésének vizsgálata:

156

Major Tamás, Czupy Imre, Horváth Attila László, Kiss Andrea Tünde IX/4. Papíriszap és faanyag keverék pelletek előállítása és energetikai vizsgálatai:

162

Papp Viktória, Szalay Dóra, Marosvölgyi Béla IX/5. Lignocellulóz biohajtóanyag üzemek alapanyag-felhasználásának jelenlegi helyzete:

168

Szalay Dóra, Papp Viktória, Marosvölgyi Béla IX/6. Az erdei köztes művelés szerepe a növekvő faanyag igény kielégítésében: Vityi Andrea, Kovács Klaudia

176

Foreword Dear Reader, the study volume is the result of a cooperation among four Hungarian universities.

Back in 2017, the idea emerged that familiarising ourselves with the diverse work of the various domestic research institutions and exploring opportunities for cooperation in the field of secondary raw materials research were necessary.

The thought was quickly followed by acts: a new project came into existence led by the researchers of the Faculty of Earth Science and Engineering at the University of Miskolc, which was joined by the researchers of the University of Sopron, the University of Szeged and the Faculty of Engineering and Information Technology of the University of Pécs.

Within the framework of the project, research cells, including the experts of the partner institutes, were created around the following five thematic areas: 

Lignocellulose exploitation;



Innovative utilization of high volume industrial and mining wastes and by-products;



The utilization of waste water and sewage sludge, technologies of low carbon emission technologies;



Municipal Solid Waste (MSW) as a secondary source of raw materials;



WEEE - extraction of valuable materials from waste electrical and electronic equipment;

With the support of the project "Sustainable Raw Material Management Thematic Network— RING 2017" EFOP-3.6.2-16-2017-00010 in November 2018, the first joint conference was held within the framework of the International Project Week, during which 40 presentations on the above-mentioned research topics were delivered for the participants of the conference.

This proceeding book contains peer-reviewed full-lenght scientific articles related to the conference presentations, involving independent professional reviewers.

The editors

1

Előszó Kedves Olvasó!

Ez a tanulmánykötet négy magyarországi egyetem együttműködésének eredményeként jött létre.

Még 2017-ben merült fel a gondolat, hogy a másodlagos nyersanyagok hasznosítására irányuló kutatások területén szükség lenne az egyes hazai kutatóhelyeken folyó szerteágazó munka megismerésére és a kapcsolódási pontok feltárására. A gondolatot gyorsan tett követte: a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának kutatói vezetésével létrejött egy projekt, melyhez a Soproni Egyetem, a Szegedi Tudományegyetem és a Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kara kutatói is csatlakoztak.

A projekt keretében az alábbi öt tématerület köré szerveződve kutatósejtek alakultak meg a partnerintézmények kutatóinak részvételével: 

Lignocellulózok hasznosítása;



Nagytömegű ipari és bányászati hulladékok és melléktermékek innovatív hasznosítása.



Szennyvizek és szennyvíziszapok hasznosítása, alacsony CO2 kibocsátási technológiák;



Települési szilárdhulladék (TSZH), mint másodlagos nyersanyagforrás.



WEEE - elektronikai és elektromos eszközök hulladékából értékes anyagok kinyerése;

A „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodás Tematikus Hálózat – RING 2017” EFOP-3.6.2-162017-00010 pályázati projekt támogatásával 2018 novemberében Pécsett került megrendezésre a Nemzetközi Projekt Hét keretében az első közös konferencia, ahol 40 előadást hallgathattak meg a résztvevők a fenti kutatási témákhoz kapcsolódóan.

Jelen tanulmánykötet az elhangzott előadásokhoz kapcsolódó, teljes értékű tudományos cikkeket tartalmazza, melyeket független szakmai lektorok bírálták el a szerkesztés előtt.

A szerkesztők

2

3

I. MUNICIPAL SOLID WASTE AS A SOURCE OF SECONDARY RAW MATERIAL

4

I/1. Study of the particle size distribution and moisture content of residue derived fuels Dr. Tibor Kiss, Dr. Csaba Leitol, Alexandra Győrfi University of Pécs, Faculty of Engineering and Information Technology, Department of Environmental Engineering, (H-7624 Pécs, Boszorkány út 2.)

Contact:kiss.tibor@mik.pte.hu Abstract The share of mechanical-biological waste treatment is increasing gradually within the waste management of the EU Member States. With mechanical treatment, with mechanical processing and classification of mixed municipal solid waste, fractions of different characteristics - size, specific weight, material - can be separated for further treatment, recovery or disposal. The purpose of our research is to improve the quality of the produced fuel by processing subsequent technological interventions. Based on the relationship between the calorific value and the moisture content of the fuel, the moisture content of each particle size fraction of the fuel was analysed. Our experiments have shown a clear correlation between the particle size and the moisture content of the fuel. According to our measurements, the moisture content of the small particles between <10 mm and 10-20 mm, constituting 41 m/m% of the fuel, has proved to be about twice as high on average as that of the particle size of >30 mm.

1. Introduction Waste management has become a very costly and complex task due to the transformation of the traditional waste collection logistics, through the combination of the separate collection methods appropriate to waste recycling and the collection of residual waste, through the different treatment and processing needs of waste streams obtained, and the development of applicable technical solutions. (Eunomia, 2017; Kiss, 2003; Leitol, 2012; 2014; Lombrano, 2009; Zimler, 2003) The processing of mixed waste remaining after the selective waste collection has created new recovery options with the use of mechanical-biological waste treatment technologies (MBT). The output stream of mechanical and biological waste treatment is recyclable waste material, energetically reusable fuel, treated biodegradable waste and the not recyclable fraction that goes to landfills. (Cook et al., 2015; Soyez, 2003; Thiel – Thomé- Kozmiensky, 2010; Kalnacs et al., 2013; Saleem et al., 2016) In Hungary, the number of investments in MBT rose considerably in the last 6-8 years; more than 90% of the available capacities were established during this period and there are still further significant improvements envisaged. In 2016, 25 MBT plants and mechanical waste treatment (MT) plants were operated with a combined input capacity of about 1.33 million tonnes. (NHKV, 2017) The typical input waste flow of MBT is municipal solid waste, residual municipal solid waste and industrial and commercial wastes. These wastes are inhomogeneous compounds of high calorific value, rich in biodegradable organic material, containing plastic, paper, metal and mineral components. (Soyez, 2003) Based on research findings, fuel quality and quantity depend on the quality and composition of the delivered waste stream, on the level of development and intensity of the applied recovery process, and on the pre-removal of interfering substances, such as PVC. (Hasanbeigi Et Al., 2012; Kokalj –Samec, 2013; Nasrullah et al., 2015a; Nasrullah, 2015; Rotter Et Al., 2004; Tribute Lorber, 2013).

5

Generally examined, the features of the quality of waste-derived fuel are the following: homogeneity - composition-, energy efficiency - calorific value - and the environmental and technical parameters, moisture content, ash content, sulphur and chlorine content and also heavy metals. (Hasanbeigi et al., 2012; Nasrullah, 2015) In Hungary, several researches were conducted over the last few years to ensure a higher quality of fuel yield. In Miskolc, Nagy and his partner carried out experiments for the development of fractions of high calorific value. (Nagy- Cseppely 2010) Their main research direction was the separation and pelleting of metals. Sarkady examined particle size distribution, weight distribution, composition ratio and calorific value. (Sarkady et al 2014).

Csőke developed a selective shredding process based on experimental studies. (Csőke 2007) It was also stated that the yield ratio and the quality of the stream of material is not only affected by the properties of the input waste but also by the setting of the separation limits. At the same time, input materials of different composition or characteristics with identical separation limits result in different yield ratio and quality. (Leitol 2017) Under a certain calorific value, or above a certain moisture and pollutant content, the generated RDF/SRF cannot be utilized by cement factories or by power plants. Further problem is, that the quality of incoming waste changes over time, whilst the demand side expects homogeneous fuel in time and space. In the course of his studies, Velis concluded that moisture content is a critical parameter that affects all other SRF quality-characteristics, but mainly calorific value. (Velis, 2010).

Currently, the balance of supply and demand market of waste-derived fuel has turned around in Hungary. Much more material is produced by the waste treatment works than the waste recovery facilities are capable of receiving, thus producers need to think about the possibility of fuel development. Accordingly, the focus of our present research is on the improvement of the quality parameters of the produced RDF/SRF by exploring the relationship between particle size and moisture content.

2. Methodology 2.1. Fuel production process The tests on particle size distribution and moisture content of fuel were carried out on SRF produced in the mechanical-biological waste treatment plant at the Regional Waste Management Center of Pécs-Kökény.

During the process, the interfering substances are removed from the dispatched mixed waste by manual pre-selection. Then the particle size of the waste is reduced by a pre-shredder to less than 350 mm to increase the efficiency of the further technological elements. From the shredded stream of material, magnetic metal and the fraction of high biological content is separated, the latter through a trommel with a mesh of 60 mm. On a conveyor belt, the lower fraction of the trommel gets into the pre-stabilizing hall for biological treatment. The upper fraction goes on towards the eddy current separator, where non-magnetic metal is separated.

The next technological unit is the air separator, that is used for separating the heavy fraction based on specific weight - to be deposited. The combustible stream of material is then transferred to the post shredder where it is shredded to an average particle size of < 60 mm.

After shredding, there is a final magnetic metal separation to remove the remaining small metals. RDF/SRF is stored in bulk in the buffer container.

6

The process of SRF production is shown in Figure 1.

Figure 1 - Flowchart MBH of Kökény The percentage rate of waste streams separated during mechanical treatment is shown in Table 1.

Table 1 The quantity of fractions separated during mechanical treatment, given in percentages. Source: Dél-Kom Nonprofit Kft. 7

Output currents Ferrous metals Non-ferrous metals

m/m% 1.20% 0.80%

Heavy fraction

12.40%

For biological treatment

46.80%

Fuel

36.50%

Technical loss Total

2.30% 100.00%

2.2 The study of particle size distribution Representative samples were taken from the daily production of SRF at the end of the MBH technological line, in the buffer storage hall. The bulk sample was weighed on a floor scale type MST-VC-801-L. The tests of particle size analysis were done on a plansifter line of individual construction. On the plansifter line, the even distribution and passing on of the material was ensured by vibration motors mounted on both sides at the line of the first plate.

The plansifter is shown in Figure 2.

Figure 2. The plates of the specially constructed plansifter. From top to bottom: 20 mm, 30 mm, 40 mm.Photo: GyĹ&#x2018;rfi Alexandra The material passing through each sifter was placed in rolling storage carts according to particle size. The carriages were weighed together with the sample, then the empty containers were weighted to get the weight of the samples of each particle size. In total, four fractions of 8

different particle size were separated with the industrial plansifter: <20 mm, 20 mm – 30 mm, 30 mm – 40 mm, >40 mm. The < 20 mm section was further sorted with a vibration sifter line of type Endecotts Octagon Digital. Having sifted it through an Endecotts sifter of 20.00 mm and 10.00 mm we got the groups <10 mm and 10 mm-20 mm. The samples of different particle size can be seen on Figure 3.

Figure 3: The fractions after sifting from left to right and from top to bottom according to the average particle size are: <60 mm (bulk sample), <10 mm, 10-20 mm, 20-30 mm, 30-40 mm, >40 mm.Photo: Győrfi Alexandra 2.3. Moisture content For the measurements of moisture content, a representative sample was taken from the unsifted sample (<60mm) and from the fractions of each particle size, and it was delivered to the sample-preparation laboratory where it was weighed on an analytical balance of type KERN PLS 1200-3A. The measurements were taken on a total of six particle size fractions: <10 mm, 10 mm - 20 mm, 20 mm – 30 mm, 30 mm – 40 mm, >40 mm, and <60 mm (unsifted). The weight difference of the empty storage boxes and the ones filled with the samples gave the net weight of the samples placed in the drying oven. The samples were dried to constant weight at 105 °C for 24 hours in a drying oven type POL-EKO-APARTURA SLW 400 STD shown in Figure 4. After 24 hours, the samples taken out of the oven were weighed again.

9

Figure 4. The drying oven with the samples.Photo: GyĹ&#x2018;rfi Alexandra 3. Results and discussion 3.1. Particle size distribution The sifted fractions were weighed one by one and correlated to the weight of the total sample; the results are presented in Table 2.

Table 2.: The measurement results of particle size distribution.

Source: own editing Particle size

Sample 1

Sample 2

Sample 3

Sample 4

Sample 5

Sample 6

Sample 7

<10 mm

16%

19%

25%

25%

29%

24%

22%

10-20 mm

16%

21%

20%

27%

21%

13%

8%

20-30 mm

28%

35%

31%

29%

31%

24%

23%

30-40 mm

22%

17%

15%

13%

13%

21%

20%

>40 mm

19%

8%

9%

7%

7%

18%

26%

The table shows that the fraction of 20-30 mm is the highest proportion, while the fractions under 20 mm (< 10 mm and 10-20 mm) together give more than 40% of the fuel. The average particle size distribution of fuel is illustrated in Figure 5.

10

Figure 5.The average particle size distribution of fuel 3.2. Moisture content The net weight of the wet sample and that of the dry sample is subtracted from each other and the result is converted into percentage to define the moisture content shown in Table 3.3.

Table 3: The results of moisture content measurement.

Source: own editing Particle size Sample 1

<10 mm 39%

10-20 mm 34%

20-30 mm 23%

30-40 mm 16%

>40 mm 6%

Bulk sample 23%

Sample 2

40%

32%

24%

16%

7%

25%

Sample 3

40%

35%

24%

17%

14%

25%

Sample 4

35%

30%

25%

20%

19%

27%

Sample 5

37%

29%

26%

19%

17%

30%

Sample 6

38%

31%

29%

20%

16%

29%

Sample 7

39%

31%

29%

16%

24%

32%

Sample 8

39%

32%

25%

16%

18%

29%

Sample 9

39%

32%

25%

22%

27%

31%

Sample 10

41%

38%

33%

28%

19%

32%

Sample 11

41%

36%

32%

29%

23%

34%

Sample 12

40%

39%

33%

28%

21%

33%

Sample 13

41%

38%

34%

28%

23%

34%

Sample 14

42%

36%

34%

31%

18%

34%

Sample 15

41%

36%

35%

31%

23%

34%

The values of the table clearly show that the moisture content of the fractions of smaller particle size exceeds the value of the bulk sample, while the moisture content of fractions 11

>30 mm remain below it. The sampling of sample series 10-15 took place at a rainier period, and its effect can be seen on the moisture content of the average sample. When examining the partial results of these samples, we can find that the moisture content of the fractions of smaller particle size has changed minimally, however, the moisture content has significantly increased at the groups of bigger, >30 mm particle size, compared to the previous values.

The average moisture content of each particle size category is presented in Figure 6.

Figure 6. The average moisture content of the different particle size categories 4.Conclusions On the basis of the measurement results, it can be considered that there is a clear connection between the categories of fuel particle size and moisture content. The moisture content of the fractions with larger average particle size is about the half of the smaller ones.

This result also signifies that the calorific value of the fractions <10 mm and 10-20 mm is lower than that of the categories of larger particle size.

The calorific value of finished fuel can therefore be increased, if necessary, by selecting fractions with smaller particle size. This results in the reduction of fuel yield but in a rise in quality. The average SRF yield at the Waste Management Center in KĂśkĂŠny is 36.5%. With the subsequent separation of the fractions of small particle size, calculating with this yield quantity, the following yield changes are experienced. By separating the <10 mm part, the yield decreases to 28,19%, and by separating the fractions of <20 mm it falls to 21,68%.

In the rainier, wetter period, the moisture content of fuel of small particle size barely changes, whereas the fractions of bigger particle size show a significant increase compared to the previous values.

Acknowledgement The publication was created as part of the project "Sustainable Raw Material Management Thematic Networkâ&#x20AC;&#x201D; RING 2017" EFOP-3.6.2-16-2017-00010.

12

References Cook, E. – Wagland, S. – Coulon, F, (2015) Investigation into the non-biological outputs of mechanical–biological treatment facilities Waste Management 46 (2015) 212–226 Csőke B, Alexa L, Ferencz K. (2007) Development of Secondary Fuel Derived from Municipal Solid Waste Eunomia research and consulting, Costs for municipal waste management in the EU, http://ec.europa.eu/environment/waste/studies/pdf/eucostwaste.pdf, (2017.09.17.).

Hasanbeigi, A. et al. (2012) International Best Practices for Pre- Processing and Co-Processing Municipal Solid Waste and Sewage Sludge in the Cement Industry Berkely National Laboratory 2012 Kalnacs, J. – Arina, D. – Murashov, A. (2013) Content and Properties of Mechanically Sorted Municipal Wastes and Their Suitability for Production of Alternative Fuel International Conference on Renewable Energies and Power Quality Bilbao (Spain), 20th to 22th March 2013, Renewable Energies and Power Quality Journal ISSN 2172-038 X, No.11, March 2013.

Kiss T. (2003) The Methods and Possible Implementations of Selective Treatment of Municipal Solid Waste, Technical Booklets on Waste Management 4. http://www.kvvm.hu/szakmai/hulladekgazd/oktatas/szakmaifuzetek/4.PDF (2017.09.17.)

Kokalj, F. –Samec, N, (2013) Combustion of Municipal Solid Waste for Power Production Advances inInternalCombustionEnginesandFuelTechnologies https://www.intechopen.com/books/advances-in-internal-combustion-engines-and-fueltechnologies/combustion-of-municipal-solid-waste-for-power-production (2017.09.16.)

Leitol Cs. (2012) Resource efficiency of Hungarian recycling systems, Pollack Periodica An International Journal for Engineering and Information Sciences Vol. 7, No. 2, 2012, pp. 117– 127 Leitol Cs. (2014) Resource and cost efficient selective collection Pollack Periodica An International Journal for Engineering and Information Sciences Vol 9.Suppl. 2014. pp.43-54 Cs Leitol. (2017) The Implementation of a Multi-dimensional Technical, Environmental and Economic Analysis Based on Feedback for the Technological Design of Mechanical-biological Waste Treatment Works, Doctoral Thesis, University of Pécs Marcel Breuer Doctoral School Lombrano, A. (2009) Cost efficiency in the management of solid urban waste, Resources, Conservation and Recycling, Vol. 53, No. 11. pp. 601–611.

Nagy S. - Cseppely V. (2012) Experimental Study of the Further Development of MBT Products of High Calorific Value, Hulladék Online http://epa.oszk.hu/02000/02099/00003/pdf/EPA02099_Hulladek_Online_2012_01.pdf (2017.9.15) Nasrullah, M (2015) Material and energy balance of solid recovered fuel production Aalto University of ChemicalTechnology doctoral dissertation http://www.vtt.fi/inf/pdf/science/2015/S115.pdf (2017.09.14) Nasrullah, M. et al. (2015) Elemental balance of SRF production process: Solid recovered fuel produced from municipal solid waste Waste Management and Research 1-9, 2015 NHKV (2017) National Coordination of Waste Management and Asset Management Plc – RDF Tender Documentation 2017.

Rotter, V S et al. (2004) Material flow analysis of RDF-production processes Waste Management 24 (2004) 1005–1021 13

Saleem, W. et al. (2016) Latest technologies of municipal solid waste management in developed and developing countries: A review International Journal of Advanced Science and Research Volume 1; Issue 10; October 2016; Page No. 22-29 Sarc, R. – Lorber, K.E. (2013) Production, quality and quality assurance of Refuse Derived Fuels (RDFs) Waste Management 33 (2013) 1825–1834 Sarkady A. - Kurdi R. - Rédey Á. (2014) RDF, Refuse Derived Fuel, Possibilities in the NorthBalaton Regional waste management system, Pollack Periodica An International Journal for Engineering and Information Sciences Vol. 9, Suppl., 2014, pp. 23–30.

Soyez, K. (2003) Material flux management of waste by mechanical-biological pre-treatment Ninth International Waste Management and Landfill Symposium S Margherita di Pula, Cagliari Italy 6-10 October 2003 Thiel, S. - Thomé-Kozmiensky, J.K. (2010) Mechanical-biological pretreatment of waste, Hope and reality, In: Papers and Proceedings of the ISWA World Congress 2010 – Urban Development and Sustainability – a Major Challenge for Waste Management in the 21th Century, Hamburg, Germany15.-18. November 2010, pp 1-16.

Velis, C. A. (2010) Solid recovered fuel production through the mechanical-biological treatment of wastes, Cranfield University School of Applied Sciences, Ph. D Thesis Zimler T. (Editor) (2003) Waste Management Tertia Kiadó, Budapest 2003

14

I/2. Green jobs in a circular economy Csaba Vér University of Pécs, Faculty of Engineering and Information Technology (H-7624 Pécs, Boszorkány út 2.)

Contact: ver.csaba@mik.pte.hu Abstract One of the major questions today is how to satisfy the society’s and the economy’s raw material and energy carrier needs in an optimal way. Secondary raw materials and energy carriers produced from solid waste seem to be one of the most important answers. Closing the material loop has become the official strategy of the European Union. International examples show that the transition towards the circular economy has got multiple advantages, one of them being job creation. This article investigates the most important effects of high-level municipal solid waste management, a crucial element of the initiatives aimed at closing the loop on today’s labor market.

Keywords: circular economy, green employment, secondary raw materials Introduction One of the major questions today is about satisfying the raw material and energy carrier needs of society and economy optimally. This is not a simple technological challenge. It is rather a change needed in the approach applied. We have to find ways of closing the loop while running business activities to create self-regulating processes. The biosphere’s homeostasis can serve as a good example: decomposing and recycling solutions have been developed by nature itself and the system does not allow rare and valuable materials that are crucial for life to be wasted. The biosphere makes rational decisions on preserving materials by sacrificing the necessary energy for its purposes. [3] Adapting this approach to the material flows of human society, it is important to rank different waste streams, based on complexity or challenges of recycling. Source separated materials are the easiest to handle. Fresh residual wastes from commingled collection scheme are much more difficult to recycle, since high biodegradable content prevent the recyclables and high calorific value streams to be separated in one simple step. [3] The scope of the investigation should also cover the solid municipal waste streams already landfilled, as landfill mining is currently in the focus of many European R&D and coordination and support activity projects. [1], [2] Recent investigations across Europe showed that conventional material processing technologies give unsatisfactory outputs while treating wastes extracted from municipal landfills: ferrous and non-ferrous metal content, representing approx.

2,5% of the extracted waste mass, is the only product that can raise income for a landfill mining project. [1], [2] Combustible fractions are dirty and their incineration generate costs and not revenue, preventing these kind of projects (using traditional processing technologies) to be financially viable if only the waste flow matters.

In the early days of the present decade, waste management practitioners developed a complex municipal waste management scheme with several energy outputs, among one is the short rotation coppice, which should have been fertilized by compost-like organic material from anaerobic + aerobic post-treatment of the bio-fraction of mixed municipal solid waste. [4] This theory has not come into practice for two reasons: energy plantations have not been widely cultivated despite all expectations, and the legislation allows the use of compost as fertilizer 15

with the single condition of using compost originating from source separated collection.

Therefore the biodegradable fraction of the residual waste is landfilled after aerobic treatment.

In the last couple of years, 14 per cent of the raw materials used by the German industry were recovered waste, which helps reduce the extraction levels and the related environmental impacts, as for example the climate-relevant emissions. Closed cycle material (or waste) management is not only a contribution to the environmental protection, it also pays off economically. Almost 200,000 people are employed in approximately 3,000 companies in Germany, which generate an annual turnover of approximately 40 billion euro. Thousands of installations contribute to resource efficiency by recycling approx. 60 % of the municipal and commercial wastes, and 90 % of the construction and demolition waste. [6] Based on the above information it is obvious that the circular approach can boost employment, but source separate collection is a prerequisite to supply valuable materials for the circular economy. In the next paragraphs, Baranya county’s actual labor market characteristics and some of the job opportunities related to the separate collection of municipal solid waste are going to be investigated.

Labor market in Baranya Aiming at showing a realistic picture, it is worthwhile to review the labor market situation and tendencies as this region, close to the Croatian border, has suffered significant population loss since joining the EU in 2004. Both domestic migration and migration abroad have reached alarming proportions to the degree of social reproduction, so we need to examine which segments of the population may benefit from job creation.

Table 1 below summarizes the labor market indicators for Baranya in the first half of 2018: Indicator Baranya Population (thousand) 363.7 Active aged (15-64) population (thousand) 276.1 Economically active population (thousand) 171.6 Working population (thousand) 159.0 Employment rate (%) 57.6 Number of unemployed (KSH, ILO) (thousand) 13.6 Number of persons employed (thousand) 85.9 Inactive population (thousand) 104.5 Source: [8] The employment rate in Baranya was increased by 9.8% between 2010 and 2018, and the number of unemployed persons was decreased by 50%. According to the employment service, the number of job seekers was 13,651 in June 2018.

Due to the different economic capabilities of the various districts of the county, significant differences are present: whereas in the county seat (Pécs city) the number of jobseekers is the same as the national average (3.3% of employment age (15-64) population), this figure is three times higher (10.4%) in Sellye district.

17.1% of jobseekers in the county are under the age of 25, while 31.4% are over fifty, the division between genders is well balanced (49.9% male and 50.1% female).

Almost half of those on record completed elementary school (this is the same as the national figure). There are significant differences between the various districts in this respect as well (in Pécs merely one-third, while in the Hegyhát District three quarters have the lowest education level). [8] 16

In Baranya county, the proportion of those participating in the public works scheme among registered jobseekers is 40.8%, i.e. there are four public workers for six registered jobseekers (this is similar to the national ratio). This figure is 27.1% in the county seat, i.e. one public worker for three registered persons (this is a good ratio compared to the national average), at the same time, the number of public workers is one and a half times higher in Sellye than the number of registered jobseekers (there are six public workers for four registered persons).

Number of persons participating in public works scheme Szigetvár 1764 Pécs 1563 Sellye 1467 Siklós 1313 Komló 949 Mohács 806 Hegyhát 563 Szentlőrinc 538 Pécsvárad 268 Bóly 164 Baranya county 9,394 South-Transdanubia region 18,556 Hungary 148,024 Table 2: Number of persons participating in public works scheme per district [8] Name of District

In Szigetvár, which has a much smaller population than Pécs, the number of persons participating in the public works scheme is higher, whereas in Sellye the number is almost identical with the county seat, although in line with national guidelines, the figures are on the decline everywhere (by 36.5% in two years).

The significance of the public works scheme, as the supported form of employment is demonstrated by the fact that of the 17,764 reported job offers in Baranya 86.8% were linked to a subsidy and 69.5% of these were related to the public works scheme. On the national level, the ratio of subsidized job offers is 70.5%. In Baranya the two extremes are represented by Bóly and Sellye: in the prospering and well managed town of Bóly the proportion of jobs without subsidy is 46.1%, while the number in Sellye, which has become economically peripheral the figure is 0,1%. In Pécs a mere ¼ of job offers did not apply for government subsidy. [8] In summary, it can be stated that the economic and labor market situation in Baranya County is extremely complex: behind the figures we must see that in the large wave of factory closures following 1990s, the income generating capability of the region has declined. This trend was balanced by an electronic company’s operations only. Elcoteq plant manufactured telecommunications devices in Pécs between 2000-2011. It recruited workers from the entire county and it did not only employ 8000 people at its peak period, but provided business for a large circle of local suppliers as well. However, this giant employer relieved unemployment for a short period only. The situation escalated with the 2008-2009 crisis and it worsened when the plant was closed in 2011. There were no further investments aimed at the re-employment of the laid off masses and the intensive migration to other regions and abroad started, losing a significant part of the skilled workforce in the county. In the meantime, the stream of funds 17

flowing into the county seat were aimed at reviving cultural life and construction of some emblematic cultural infrastructure. As a result of these events, the traditional revenue generating sectors fell behind and the economic landscape has slumped. Such strategic developments as the Pécs-Pogány International Airport and the Baranya County portions of the newly constructed M6/M60 national motorway have become and are still among the most underutilized transport infrastructure in the country.

The lack of workplaces and the below the average Hungarian incomes in Baranya resulted in the following consequences:  the active aged population is constantly decreasing as a result of migration away from the region;  the ratio of jobs in public and private sectors have shifted;  the number of persons employed in the state and local government sector has increased without producing substantial economic value added;  the public works scheme was introduced, offering employment for the lesser educated/skilled workers temporarily.

Currently, we must consider that ¾ of jobseekers in Baranya are unskilled and about half of them only completed elementary school. Unfortunately, this predestines the need for laborintensive jobs with low value added.

The situation in the labour market and local economy can substantially change only if  the rate of employment will be shifted,  mass layoffs are performed in the state and local government sector in order to increase efficiency, or  income levels (including purchasing power) are significantly improved in our region, as a result of which the active aged population who have left, return.  new jobs and business activities are created Currently either of these is unlikely to occur.

Job creation opportunities linked to separate collection If the processing industry is the omega of the circular economy, then collection is its alpha: the industry requires large quantities of pure-bred, contaminant-free raw materials, which can only be ensured by separation that takes place where the waste is generated, i.e. at the source, followed by collection without any contamination. In order to achieve a selectivity rate above 80%, an encouraging scheme for the logistics is essential to be set up (and incidentally also the fees) of both mixed and selective waste collection.

At the beginning of the 2000s, environmental awareness was the only important motivating factor for the collection of recyclable packaging wastes, which required strong awareness raising and educational activities. However, the collecting companies were not really pushed to start selective collection and to build and operate material recovery facilities those days. [5] This statement was valid for the period before the introduction of the landfill tax in Hungary in 2013, which raised gradually from 3 KHUF (around 10€) to 9 KHUF (around 30€) per tons of waste put in landfill. The new landfill tax created a strong financial motivation for the companies to divert waste streams from the landfill, mainly by performing source separate collection. [4]

18

Further motivating incentives for the inhabitants can be:  the increase of frequency of selective collection which is supplemented by an accurate and clear annual collection schedule, mobile applications and web2 communication;  alternative logistics solutions in selective collection;  the apportioning of the fee payable for waste collection and treatment with the amount of waste not collected selectively.

It is important to note that several collection schemes compete with each other in the world. For example, in China, a recent study showed that the relatively simple separation method involving two categories (food waste and other waste) achieves the best effect with the highest accuracy rate (83.1%) and the lowest miscellany rate (16.9%) among the proposed experimental alternatives (two, three or four waste streams) in residential areas. [7] Even if it may result in higher miscellany rate, European companies generally opt for multiple stream collection, i.e. paper, plastic and metal packaging, glass, bulky waste, hazardous items, etc. are collected separately, and sometimes more than one collection option exist for the same type of waste material – all these efforts to make the separate collection the most convenient possible.

Collection frequency The most beneficial effect of the increased frequency of separate collection on households is that the volume of waste stored in living spaces or other areas of the property (e.g. the garden or the sidewalk) can be decreased. It is obvious that separately collected waste takes up much less space if the container can be emptied every 3-4 days rather than every 14 days. For example, in the densely populated areas of the city of Treviso in Northern Italy, separately collected organic waste, as well as glass, plastic and metal packaging material are removed three times weekly; paper is emptied twice weekly and yard waste once a week. To achieve this collection frequency range, a logistics method completely different from the one applied today in Baranya must be employed: instead of a few large (16-21 m3) collection vehicles and medium and large, solid walled containers (240-1100 liters), small vehicles (4-7 m3) and transparent bags and/or small containers (30-120 liters) should be employed. The size of the vehicles should be decreased because if collection frequency is increased, then the quantity collected from 1 household on 1 occasion decreases, therefore only a fraction of the capacity of large vehicles would be used. The reason for this is that the number of properties/households that can be served within an 8-hour shift can only be changed inflexibly depending on the quantity collected from 1 household on 1 occasion, as the time required for completing the route and for emptying the containers is not affected by how full they are. In the case of collection in bags, however, the emptying time decreases as the loading mechanism of the vehicle need not be used, thereby saving about 10 seconds per stop and about 30-35 minutes per shift. Another advantage of small vehicles is that they can enter narrow city streets and ornamental pavements. If the collecting company chooses this method, then it needs to employ large numbers of employees who are able to perform driver and loading work, since in the case of such small vehicles, both functions are performed by one and the same person.

19

Image 1: bagged separate collection with small vehicle Alternative logistics solutions As anyone can be prevented for some reason from placing their separately collected waste at the expected time at the appropriate place, the provision of alternative placement opportunities will increase the willingness of the population to collect waste separately, which can be either a mobile or a fixed device.

The city of Treviso for example introduced 2 different selective collection route systems in addition to the door-to-door collection: - The so-called ECOBUS system contains 6 routes where the vehicles stay for 30 minutes at 4-4 different stops following predetermined routes, allowing the population to place 2 different types of waste in the vehicle (e.g. organic waste and glass+plastic on Mondays, mixed waste and paper on Tuesdays, etc.). The vehicle travels in the evenings on Mondays, Tuesdays, Thursdays and Fridays and on Saturday mornings.

- There are two routes in the ECOSTOP system, one on Monday and Thursday evenings, the other on Tuesday evenings and Saturday mornings. These two routes are able to receive and separately store all four types of waste.

Image 2: Map of the ECOSTOP and ECOBUS routes in Treviso 20

In Parma (Italy), Ecostation containers were installed in 8 locations in the city where people can deposit residual waste and separately collected plastic, metal tins and multilayer drink packaging material, at any time on any day of the week in bags of up to 40 liters. In order to use the Ecostation people must either swipe their city health card or a special eco-card purchased specifically for this purpose. The containers are only emptied when they are full, as the containers are observed by real-time camera to determine their saturation.

An additional interesting example of green job creation is the so called Cigno Verde (Green Swan) Social Association, also in Parma, which performs the separate collection of paper, glass, electronic waste, toner cartridges based on an agreement with the local government. In addition to separate collection, they operate a bicycle repair station and participate in caring for public parks in the city. Cigno Verde also employs convicts and performs practical training activities.

The collection solutions above require the employment of a large number of skilled workers- as drivers of small vehicles.

Modification of tariff system The issue of the fee payable for waste collection and treatment is only apparently linked to job creation, however, it is an essential element of the system and a flawed system of fees could lead to job losses.

It is a basic tenet that the organization performing the collection and pre-processing of waste needs to access the funds required for the operation and development of the system from some source. Without this, the organization uses its reserves, becomes indebted and its operation disintegrates which, in addition to job losses, could cause public health issues in the municipalities affected.

This basic tenet leads to the conclusion that we must act extremely prudently when we wish to apportion the fee payable for waste collection and treatment with the quantity of waste not separately collected, i.e. mixed or residual waste. On the one hand, a certain proportion of the population does not think and behave environmentally consciously, at the same time, their willingness to take responsibility is low which may lead to the minimization/avoidance of payment and the deterioration of environmental conditions, e.g. the creation of illegal landfills.

On the other hand, the collection solutions described in the above two sections are much more expensive compared to the classical mixed collection, therefore, while we expect a continuously improved level of service in accordance with environmental legislation, revenues may lag behind the costs due to a decrease in residual waste quantities. A way out of this trap is first of all a realistic public tariff system, and then a well-functioning secondary raw material processing industry which is willing to pay for raw materials that can be used for the production processes.

The case of Treviso is instructive from this perspective as well: the waste management cost payable by the population is the lowest in the country (about â&#x201A;Ź190/household/year) even though an extremely high level and extremely costly separate collection and pre-processing systems are operated. This can be achieved by reaching a separate collection rate of 85% (out of 386 kg/person/year waste produced only 58 kg/person/year is residual waste in 2016), resulting in an extraordinary high amount of sellable secondary raw material. The public fee includes a fixed rate, which depends on the number of persons living in the household and a variable fee, which depends on the number of emptying. Each plastic container is supplied with a radio frequency identifier (RFID) and the staff performing the emptying record the fact of emptying with a manual reader.

The interesting part of the Parma system is that plastic bags with RFID are used for residual waste collection and the reader is in the back part of the open container of the vehicle. When the bag is loaded on the vehicle, the reader identifies the bag and gives a sound of successful 21

reading. The purchase price of such a bag with RFID is only 10 Euro-cents. The fee payable by households consists of two parts here as well: the fee has a constant part, which depends on the size of the property and a variable part, which depends on the number of emptying. An average 3-member family can expect to pay a €140 permanent annual fee which includes the emptying of only 21 pieces of 50 liter bags. An additional fee must be paid if they have over 21 bags/year.

The tariff systems detailed above have the following job creation potential: - data processing and evaluation in the collection organization; - field inspection; - production of RFID stickers; - Production of plastic bags with RFID; - Production of biodegradable bags according to EN 13432 standard; - Production, development of RFID readers (proximity readers) Evaluation and conclusions Loaders, drivers, facility operators and other employees included, the Italian examples show that one job in the waste collection and pre-treatment sector is realistic for every 800 inhabitants, if the services are well organized and the system is financed properly.

In the previous three sections we only dealt with waste originating from households, however, separate collection of restaurant food waste, which will later be treated in biogas and/or composting plants, has further, considerable job creation potential. In Hungary there is free competition in the segment of collecting restaurant food waste, but coverage is limited to some of the restaurants only. An increase in the rate of coverage might increase the possibility for job creation. More intensive collection will require employment of new drivers and further workplaces can be established. However, biogas and composting plants are significantly less labor-intensive, therefore they are negligible for job creation purposes.

The research investigating the link between job creation and the circular economy can be further expanded to other topics as for example development of novel business models, operation of reuse and refurbishing centers, re-design of products, all aiming at minimizing waste production by longer lasting products.

Acknowledgements The research was funded under the project "Sustainable Raw Material Management Thematic Network— RING 2017" EFOP-3.6.2-16-2017-00010 within the Programme SZECHENYI2020, supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund.

References [1] Bokányi, Ljudmilla ; Gombkötő, Imre ; Faitli, József ; Nagy, Sándor ; Csőke, Barnabás ; Kiss, Tibor ; Dolgosné, Kovács Anita ; Vér, Csaba: Hulladékbányászat néhány hazai lehetősége (Smart Ground EU H2020-as Projekt): Some possibilities for landfill mining in Hungary (EU H2020 Smart Ground Project) In: Török, Ákos; Görög, Péter; Vásárhelyi, Balázs (szerk.) Mérnökgeológia - Kőzetmechanika 2018 = Engineering Geology - Rock Mechanics 2018. Budapest, Magyarország: BME Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, (2018) pp.

321-326., 6 p.

[2] Faitli, József ; Nagy, Sándor ; Bokányi, Ljudmilla ; Gombkötő, Imre ; Romenda, Roland ; Csőke, Barnabás ; Vér, Csaba ; Kiss, Tibor ; Dolgosné, Kovács Anita ; Barna, László: 22

Települési szilárd hulladéklerakók vizsgálata a későbbi hasznosítás érdekében.

BIOHULLADÉK 11: 1 pp. 21-26., 6 p. (2017) [3] Bokányi Ljudmilla; Kiss Tibor: Gazdaságosság és rendszerszemlélet a települési szilárdhulladék-gazdálkodásban. Bányászat 148.évfolyam, 6. szám, pp. 12-15. ISSN 0522-3512 (2015) [4] Kiss Tibor, Drescher László. Effects of the landfill tax on waste management. In: POLLACK PERIODICA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR ENGINEERING AND INFORMATION SCIENCES 9: pp. 31-42. (2014) [4] Kiss Tibor: Systemic approach in city operation – Possible synergies between waste management systems and energetics. Pollack Periodica An International Journal for Engineering and Information Sciences. (DOI: 10.1556/Pollack.7.2012.3.6) Vol. 7, No. 3, pp.

55–63, 2012, Akadémia Kiadó, Budapest (ISSN: 1788-1994) Editors: Amalia Ivanyi and Miklos Ivanyi [5] Kiss Tibor, Girán János, Tekker Tamás: Csomagolóanyagok inverz logisztikája a hulladékgazdálkodás szemszögéből. Logisztikai Híradó, XVI. évf. 3. szám 2006. június, pp.

34–36. (ISSN szám: 2006-6333) [6] M. Nelles, J. Grünes, G. Morscheck: Waste Management in Germany – Development to a Sustainable Circular Economy? In: Procedia Environmental Sciences 35 (2016) 6 – 14 [7] Haibin Chen, Yan Yang, Wei Jiang, Mengjie Song, Ying Wang & Tiantian Xiang (2017) Source separation of municipal solid waste: The effects of different separation methods and citizens’ inclination—case study of Changsha, China, Journal of the Air & Waste Management Association, 67:2, 182-195, DOI: 10.1080/10962247.2016.1222317 [8] Dr. Éva Tigelmann: Labor market situation in – Baranya County 2018 (presentation, 06.09.2018 Osijek)

23

II. UTILIZATION OF SEWAGE, SEWAGE SLUDGE AND LOW CO2 EMISSION TECHNOLOGIES

24

II/1. Utilization of kitchen waste for biogas production, assesed by laboratory test methods Dávid Somfai, Klára Czakó-Vér, Aliz Árki, Anita Dolgosné Kovács, Ernő Dittrich University of Pécs, Faculty of Engineering and Information Technology, Department of Environmental Engineering, (H-7624 Pécs, Boszorkány út 2.)

Contact: somfai.david@mik.pte.hu Abstract The biodegradation and the kinetics of biogas-production of kitchen waste, collected in autumn of 2018 were examined. The experiments were carried out in a thermostat of 37 °C, in 1 litre volume of sealed WTW Oxitop reactors. The extent of biodegradation and the kinetics of the produced biogas were tested on the basis of the pressure changes, compared to the atmospheric pressure. Sludge product of the biogas plant were used as inoculant. The ratio of 1:1 and 2:1 of substrate and municipal sludge as inoculant were used. Values and kinetics of the methane production were estimated during the experiments.

At 1:1 ratio a pressure change of 114 hPa was measured after a 3-day experimental period.

When the produced carbon dioxide was absorbed in NaOH, kinetics of methane content showed an increase after the minimum production, measured at the 40th hours of incubation.

Results showed, that biogas sludge can be applicable as initial inoculant when using kitchen wastes for biogas-production. Dissolved organic matter is an ideal carbon source for the multiplication of micro-organisms. Further biodegradation and biogas production can be achieved therefore in the first 3 days of the experiments.

Keywords: kitchen waste, sludge, inoculant, biogas, laboratory Introduction Nowadays there is a growing necessity of using renewable energy sources, so as to cover the increasing energy demand of the World. However, the use of renewable energy sources is not really typical yet, due to the lack of environmental awareness and also of the low levels of supports and the low costs of the fossil fuels. [1] One of the renewable energy sources can be the biogas, especially if it is produced from wastes and other biomass sources. [2] Biogas production can also be found among natural circumstances at some ecosystems of the Earth, for example in the wetlands. It can develop spontaneously furthermore at landfill sites.

Biogas contains 50-70% of combustible methane, 28-48% of carbon dioxide and 1-2% of other gases. Natural biogas consists mostly of methane, and the heating value of the extracted biogas therefore can be approximately 50-70%. This ratio can be increased even up to 100%, if it is cleared from the carbon dioxide. [3] The average energy content of biogas is 21-25 MJ/m3. This may be used at any “internalcombustion” engines or gas-operated instruments. It can even be operated in gas stoves, boilers or gas engines. This way we get green energy that can be returned to the electricity network.

Hot water resulting from the cooling process is also suitable for heating purposes. The residual sludge of the fermentation can be applicable for the nutrient supply of agricultural areas, used as “bio-manure”. [4] The most important substrate ingredient is the animal slurry. Although its gas production is rather low (30-70 m3/t), the methane content of the resulting biogas can reach even the 6070%. With substrates containing plant-products (e.g. sugar beet, maize biomass) a high gas 25

yield (170-200 m3/t) can be achieved and their methane content could become to 55%. High gas formation (250-300 m3/t) can be resulted from spelt coming from the food industry and from fatty by-products of slaughter-houses. The methane content of these sources is very positive: up to 75%. [5] Sugar, starch and raw materials containing fats are good substrate ingredients for biogas production but, for example, protein as raw material is not so valuable.

In Hungary, biogas production is mainly based on energy crops (e.g. silage maize, grasses) and food waste. They represent 78% of the biogas potential. The remaining 22% comes from communal waste, sewage sludge, animal manure and other waste materials. [6] Considerable increase of Biogas-Producing-Plants is expected in the future. Biogas technology or anaerobic digestion is a promising alternative for the waste management. [7] The composition of a potential waste material, used for biogas-production is shown in Table 1.

Kitchen waste (company canteens)

Total solids (TS), %

Organic solids (VS), % TS

Total N (Nö), %TS

NH4-N, %Nö

C/N

Specific gas formation m3 CH4/kg VS

9-18

90-95

0.8-3.0

2-4

15-20

0.5-0.6

Table 1: General composition of kitchen waste, used for biogas production in the experiment Materials and Methods The net weight of the wet sample and that of the dry sample is subtracted from each other and the result is converted into percentage to define the moisture content shown in Table 3.3.

The substrate used in the experiment was kitchen waste collected for utilization in biogas plants (KH1). The sample was stored in a refrigerator until the use. The municipal sludge as inoculant came from the Sewage Water Treatment Biogas Plant of Tettye Forrásház Inc. in Pellérd (08.10.2018.)

The experiments were performed in an OxiTop OC 110 device, manufactured by WTW. This device may be used for testing soil respiration, for studying gas yield and also for measuring biological oxygen demand. The experimental reactor is a closed "Batch" fermenter of 1 litre, where the kinetics of gas formation was measured in a static culture. When selecting the method of measurements, we choose of assessing the pressure changes during the process, which values can be registered by the piezoelectric measuring heads of the OxiTop. The measuring head collects the data, after recording it in every 15 minutes and later storing them.

As a result of the biological processes involved, a pressure difference is generated in the reaction vessel in relation to the air pressure from the outside. The degradation process can be continuously monitored in time. Our experiments were carried out in three parallels.

To maintain the constant temperature of 37 °C the reaction vessels were put in a thermostat.

Data collected by the measuring heads of OxiTop OC 110 were statistically analysed with the programme of Achat OC. Results and Discussion First the single biogas production of the sludge of biogas plant, as only substrates were tested.

According to literary data, there are approximately 80-types of various micro-organisms found in the fermenter during of the biogas production. [6] There is, however a so-called “starvingcommunity” of the microbes, which cannot generate life processes in itself, and therefore no 26

pressure changes can be developed. In this case there is no adequate supply of the necessary organic carbons for the microbes, so no microbial metabolism can occur.

The results were assessed at variable time-points during the experiment. The carbon dioxide and the methane gases have resulted pressure changes in the OxyTop bottles in comparison with the external atmospheric pressure. Sodium hydroxide was applied for the absorption of carbon dioxide, released. Kinetic- curve of the methane production was created by the pressure values in the reactors with sodium hydroxide and from the pressure values of the reactors without NaOH. The biodegradation of used kitchen waste materials could be started almost immediately, due to its high organic matter content. A sufficient amount of organic carbon was available for the microbes, thereby biogas production could be started very rapidly. Figure 1-2 and Figure 3 is showing of the production and the calculations of the final methane gas during the experiments.

Figure 1. KH1 average kinetic-curve of the assessed biogas production between 18101201 and 18101203

Figure 2. The kinetic-curve of the assessed biogas production 18101202 of KH1 substrate, assessed in the presence of NaOH 27

Figure 3. The kinetic-curve of bio-methane formation at using KH1 substrate (the difference between curve 1. and 2.)

Conclusion Biodegradation and biogas production of different substrates was investigated in the presence of municipal sludge as initial inoculums was carried out, when using 1 litre of WTW Oxitop reactors of 1 litre: When single kitchen waste was used as substrate, which contains simple carbon compounds of low molecular weights, a pressure change of 120 hPa could be measured in the test vessels after one hour of the experimental set-up. This pressure change showed a slight decrease after 1.5 days, then it was stabilised at 120 hPa after 3 days. When the experimental composition included granular sodium hydroxide in addition to the used canteen waste and municipal sludge as inoculant was added, the sodium hydroxide absorbed the carbon dioxide in the reaction area.

After 1.5 days it showed 150 hPa pressure value compared with the atmospheric pressure. Then after 3 days it reached the stationary phase at 130 hPa. Difference between the kinetic-curves, seen on Figure 1 and 2, indicates the kinetic of the bio-methane formation. The use of the canteen wastes as potential substrates and the and initial inoculums of biogas-plant-sludge could result successful biogas production. After 6 hours, the methane fraction of biogas could record a pressure change of 100 hPa, which showed a continuous pressure increase up till the 42 hours and then it was stabilised at the production of 250 hPa. The experiments were performed in 3-neck OXiTop reactors. In the device of the biogas determination, the reaction area was filled with inert gas, therefore the quantity of biogas production could be determined accurately. The maximum gas yield of the investigated substrates can be determined in accordance with the German standard VDI. References [1] Hajdú J.(2009): The Operation of Biogas Plants and Biogas Plant Technologies. OBEKK Scientific Professional Publications, Gödöllő, pp. 8-14.

[2] Schulz H. – Eder B. (2005): Biogas production. CSER Kiadó, Budapest, pp. 8-12.

[3] Denga L. - Liau Y. - Zhenga D. - Wanga L. - Pua X. - Songa L. - Wanga Z. - Leia Y. Chena Z. - Long Y. (2017): Application and development of biogas technology for the treatment of waste in China. Renewable and Sustainable Energy Reviews 70: 845-851.

[4] Aleksza L. (szerk.) (2017): Waste Management. ProfiKomp Zrt., Budapest, pp. 222-224.3 28

[5] Öllós G. – Oláh J. – Palkó G. (2010): Digestion. Magyar Víziközmű Szövetség, Budapest pp. 799-838.

[6] Bai A. (2007): Biogas. Száz magyar falu könyvesháza Kht., Budapest, pp.13-43.

[7] Kabdebon B. (2015): The Development of Biogas Production and Usage in Hungary and in the Member States of the EU. Miskolc, pp. 10.

Acknowledgements We express our thanks to the head and the co-workers of the Biogas Plant of Tettye Forrásház Inc. in Pellérd for providing us the samples of municipal sludge as inoculant and the examined substrates.

Our work was created as part of the project "Sustainable Raw Material Management Thematic Network—RING 2017" EFOP-3.6.2-16-2017-00010 within the Programme SZECHENYI2020, supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund.

29

II/2. Testing the utilization of dairy by-products as biogas substrate among in vitro laboratory conditions Dávid Somfai, Klára Czakó-Vér, Aliz Árki, Anita Dolgosné Kovács, Ernő Dittrich University of Pécs, Faculty of Engineering and Information Technology, Department of Environmental Engineering (H-7624 Pécs, Boszorkány út 2.) Contact: somfai.david@mik.pte Abstract We examined the potential use of the waste waters (2-types, originating from dairy industry), as independent biogas substrates, tested in a laboratory Batch fermenter. Municipal sludge was chosen as inoculant to a degassed fermentation sludge of a waste water sludge-based biogas plant. The experiments were carried out in a thermostat of 37 °C, in sealed WTW Oxitop reactors of 1 litre volume. The extent of biodegradation capacity and the kinetics of the resulting biogas were tested by the pressure changes, in comparison with the general atmospheric pressure.

The laboratory tests of waste water containing P1 milk fat and the tests of P2 whey indicated that pre-treatment should be applied for adjusting the pH value resulting from the acidity of the samples.

In the presence of municipal sludge as inoculant of ratio 1:1, P2 dairy whey shows more significant biogas production than waste water containing P1 milk fat.

Keywords: biogas, dairy waste, whey, substrate, laboratory, kinetics Introduction Biogas is one of the renewable energy resources that plays an important role in Hungary taking the environmental conditions into account. According to the results of a research project in the European Union, the biomass potential theoretically suitable for biogas production is very high in Hungary, it is expected to reach 47.1% of the annual natural gas consumption of the country [1].

The source of biomass can be a main product of crop production, an agricultural by-product, waste water sludge, organic industrial waste or municipal solid waste.

Biogas production methods can be grouped in many ways, we differentiate between wet, dry and semi-dry processes [2]. The input raw material of the semi-dry process has a dry matter content of 20-30%, in the wet process the water content of the biomass is 92-93%.

In the course of biogas production, mainly acidifying and methanogenic bacteria take part in the decomposition of organic matter. Biochemically the process can be divided into 4 phases: hydrolysis, acid formation, acetic acid formation and methane formation.

The efficiency of biogas production depends on the dry matter content, organic matter content, C/N ratio, NH4-N and the presence of certain trace elements 3].

The role and significance of micro-organisms as catalysts in the process of biogas formation has been studied versatilely earlier. During hydrolysis, the acetogenic period and the methanogenic phase, biogas formation is realized in the joint operation of a consortium of 80 decisive species. Depending on the composition of biogas substrates, degradation can be 30

characterised by different kinetics. Hydrogen-producing micro-organisms have an important role, and when adding them to the original microflora, higher methane content can be reached.

[4] Besides primary and secondary substrates that can be used in biogas plants, the energetic exploitation of different waste and by-products is playing an increasing role.

In our previous work in the Waste Management Center of Pécs-Kökény, we examined the biodegradation and biogas formation potential of fractions of high organic matter content arising from the mechanical waste treatment of communal municipal waste [5]. Biodegradation starts in the presence of the own microflora of waste of high organic content, however, in laboratory experiments with municipal sludge as inoculant, the degradation of the cellulosic components and the start of biogas production can be measured significantly earlier.

Further to the side products of food industry, in our present work we also examined the anaerobic digestion of dairy by-product waste waters containing whey and milk fat under laboratory conditions. Whey contains a significant amount of lactose (4.5-5%), proteins, lipids and mineral salts. The lactose content of whey is easily digested by the acetogenic microorganisms, so in fermenters there is often an acidic environment that reduces biogas productivity and methane yield. Whey has high biological and chemical oxygen demand, therefore it causes a significant environmental problem. Attempts have already been taken to dispose it in different ways [6].

Materials and Methods For the purposes of our measurements, we used dairy by-products: whey and waste water containing milk fat. They have a high level of organic matter content compared to household waste water, so they are difficult to manage. In the dairy industry there are a number of byproducts that must be treated, but not all materials are suitable for biogas yield. We have examined two by-products that are generated in larger amounts.

The labelling of substrates and their brief characterization regarding the acidity are: P1: Flotation products, containing milk fat (pH=5,5) P2: Whey (pH=2,5) The measurements were taken with an OxiTop OC 110 device manufactured by WTW. The 1 litre experimental reactor is a closed "Batch" fermenter, where we examined the biodegradation of the substrates in a static culture composition. When selecting the potential evaluation methods, we chose the measurement of the pressure changes during the biogas-production, which could be registered on the piezoelectric measuring head. The measuring head functioning as a data collector, might record the data in every 15 minutes and stores them by this way. The pressure difference measured by the instrument, results from the biological processes in the reaction vessel. The duration of our measurements was 3 days, and the pressure limit was measured within a pressure change limit of 300 hPa compared with atmospheric pressure.

After the samples had been prepared - pH adjustment, mixing of substrate and municipal sludge as inoculant - the reaction containers were hermetically sealed. We set the measuring time on the measuring instrument and placed the samples in the thermostat. The experimental compositions were measured in 3 independent repetitions. The measurements were taken under mesophilic conditions, on 37 °C. The reaction vessels were put into thermostat. The measurement data collected by the measuring heads of OxiTop OC 110 were processed with 31

the softvare Achat OC. Results

Figure 1: The kinetic-curve of organic matter biodegradation of waste water containing P1 Milk fat in the presence of micro-consortium of municipal sludge as inoculant.

The results of our experiment in a laboratory reactor proved that in the presence of municipal sludge as inoculant, liquid waste water containing milk fat used as substrate on its own shows significant pressure increase in the reaction vessel within a short period of time. In Figure 1., Curve number 2 indicates the kinetics of bio-methane formation derived from the two measurements. On the first day it reached the value of 115-125 hPa, then, by the end of the third day, it fell back to 36 hPa.

Figure 2: The kinetic-curve of P1 Milk fat bio-methane (the difference between the kineticcurves of milk fat and milk fat + NaOH)

32

Figure 3: The kinetic-curve of biogas formation of P2 whey substrate and municipal sludge as inoculant of ratio 1:1.

The pH value of Sample P2 whey was 2.5., so it was set to 6.5 with the help of an alkaline solution before the setting of the test. The experimental composition was similar to the earlier ones.

Figure 3.shows that the pressure change reached 134 hPa during the first 6 hours, remaining stable for 30 hours, and decreasing to the value of the external pressure within 2.5 days.

Figure 4: The kinetic-curve of P2 Whey Bio-methane Figure 4.indicates the kinetic-curve of bio-methane derived from the two graphs showing the measured pressure changes. The maximum of methane production was on the 2nd day when it reached the value of 210 hPa, then it started decreasing, and on the 3rd day it was 100 hPa. Conclusions The laboratory tests of the two different dairy by-products - waste water containing P1 milk fat and P2 whey - proved that in the presence of municipal sludge as inoculant of ratio 1:1, P2 dairy whey used as substrate on its own shows more significant biogas production - a pressure 33

change of 210 hPa in two days than the sample of waste water containing P1 milk fat that has resulted in a pressure change of 120 hPa in 2 days caused by bio-methane.

Due to the acidity of the samples, a pre-treatment should be applied for adjusting the PH value.

The results obtained show that with the 1-litre OxiTop reactors the kinetics of the produced biogas can be determined easily and simply under laboratory conditions.

Our experiments are carried with measuring heads that were developed for measuring biogas in the OxiTop system. This allows us to take samples from the closed system, to measure the methane content of biogas or to introduce additives.

The waste water sludge-based biogas plant of Pellérd is suitable for the reception of other substrates. This way it is also capable of receiving waste from food processing for recovery by co-fermentation. With the definition of the maximum quantity of biogas to be recovered from the examined dairy by-products, we can propose a more precise composition for biogas substrate recipes.

Acknowledgements We would like to express our gratitude to the Manager and co-workers of the Biogas Plant of Tettye Forrásház Inc. in Pellérd for providing us the samples of municipal sludge as inoculant and the examined substrates.

Our work was created as part of the project "Sustainable Raw Material Management Thematic Network— RING 2017" EFOP-3.6.2-16-2017-00010 within the Programme SZECHENYI2020, supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund.

References [1] Szunyog I. (2015): The Utilization of Bio-methane in Europe and Hungary, Earth Science Engineering Publications, 85: 181-190.

[2] Öllős G. – Oláh J. – Palkó G. (2010): Digestion. Hungarian Water Utility Association, Budapest pp. 799-838.

[3] Tukacs-Hájos Annamária, Rétfalvi Tamás, Szendefy Judit, Marosvölgyi Béla: The Experience of Biogas Fermentation Experiments Carried out in Laboratory Scale and in Pilot-scale, AGRICULTURAL ENGINEERING 51: (Klnsz) pp. 13-15.

[4] Ács Norbert, Bagi Zoltán, Rákhely Gábor, Minárovics János, Nagy Katalin, Kornél L. Kovács (2015) Bioaugmentation of biogas production by a hydrogen-producing bacterium.

Bioresource Technology 186: 286-293.

[5] Somfai Dávid - Györfi Alexandra – Szörös Csilla Zsuzsanna - Leitol Csaba - Czakó-Vér Klára - Dolgosné Kovács Anita – Kiss Tibor - Dittrich Ernő (2018): Laboratory Testing of Biodegradation and Bioenergetic Utilization of Municipal Solid Waste Fraction of High Organic Matter. XIV. Publication of the Carpathian Basin Conference for Environmental Sciences, Mag Mezőgazdaságért Alapítvány Kiadó, Gödöllő, ISBN:978-615-00- 1645-0, pp.

298-302.

[6] Beszédes Sándor, László Zsuzsanna, Kertész Szabolcs , Hodúr Cecília, Kiricsi Imre, Szabó Gábor (2008): The effect of microwave pre-treatment on the biogas production of dairy sewage sludge. XXXII. MTA-AMB K+F Tanácskozás. Gödöllő.CD volume, pp. 99-103.

34

35

III. INNOVATIVE UTILIZATION OF BULKY INDUSTRIAL AND MINING WASTES AND BY-PRODUCTS

36

III/1. Applications of natural zeolite as construction material Review Nóra Halyag, Gábor Mucsi University of Miskolc, 3515 Miskolc, Egyetemváros, nora.papne@uni-miskolc.hu Abstract Zeolites are crystalline aluminum hydrosilicate formed by the alteration of volcanic glass and pumice. The application area of zeolites is very wide range with many researches. As a result of volcanic activity zeolite tuff is widespread which can be used in small quantities as cement substitute mixed with Portland cement (Supplementary cementitious material =SCM). Zeolite minerals contribute to long-term durability, increase the resistance against sulfate ions, but it has a negative effect due to the high water demand. The use of zeolite for supplementary cementitious material derived from the chemical composition of the crystalline structure, therefore the knowledge of physical and chemical properties are important. This paper presents several research on the application area of zeolites especially manufacturing of new construction products as well as building materials.

Introduction The formation of zeolite starts with the creation of rhyolite tuff. When the high silica containing volcanic material blasted explosively into the air and falls down as volcanic ash, these ash layers grow over time and reach thickness of several meters to hundreds of meters thick beds. With time the ash layers become compacted and infiltrated by pore water with different chemical composition and pH. Later it is transformed into porous rock with less hardness called rhyolite tuff. The external forces such as rivers and wind washed and eroded these rhyolite deposits into lakes and deposited. The alkaline conditions and the subsurface thermal activity derived hot water (120°C) resulted in the alteration of less stable phase of rhyolite tuff, mainly the amorhous phased volcanic glass in which process the silica released.

The alteration leads to the formation of ordered 3 dimensional crystal framework of silicaalumina tetrahedra connected by shared oxygen called zeolite. The occurence of zeolite deposits depends on the location, duration and intensity of the thermal water flows during formation determines the degree of alteration, there are about 40 different zeolite types.

Deposits close to thermal fissures are strongly altered.

1. Figure The formation of natural zeolite and the main components of rhyolite tuff (http://www.flickriver.com/photos/29858232@N06/);(Schmid, 1981) 37

Zeolites are hydrated crystalline aluminosilicates of alkaline and alkaline earth cations (Tsitsishvili et al, 1992). The combination of the three dimensional honeycomb structure and the net negative charge allows zeolite to absorb liquids and compounds without changing its structure. The silica in the tetrahedra is partially replaced by aluminum leading to negative charge. In interconnected channels of zeolite the negative charge is balanced by exchangeable cations such as calcium, magnesium, potassium and sodium. The most common types of zeolites are clinoptilolite, heulandite, analcime, chabazite and mordenite.

2. Figure Zeolite structure (Christidis, 2012) Application Zeolites have a high negative charge (cation exchange capacity, greater than 100 meq/100g).

The combined framework and net negative charge allows zeolite to absorb both liquids and compounds. The 3-dimensional structure with pores also gives zeolite large internal specific surface area up to 145 m2/g. Younger zeolites are able to absorb more liquids than other zeolites. So far natural zeolite is mainly utilized in the agricultural sector. In this review natural zeolite is used to partially substitute the ordinary Portland cement (OPC).

Nowadays the annual consumption of natural zeolite is over 30 million tons, the industry of the largest zeolite consumption in China is cement production. Zeolites can be considered a new product in the construction industry due to its several advantages, the wide availability of deposits and a reduction of environmental pollution. In recent decades, the global warming appeared as one of the major problem caused by different greenhouse gases mainly carbon dioxide emitted into the atmosphere through various processes of combustion, such as industrial energy facilities, power plant facilities and cement manufacture. Cement industry is responsible for approximately 7% of global CO2 emission (Uzal et al., 2012). As the main greenhouse gas is carbon dioxide, great efforts are made in order to reduce the emission of carbon dioxide. Several research studies dealing with the constructional application of zeolites aiming to the reduction of environmental pollution. The application of zeolite as partially replacement of cements means reduction in CO2 emission and energy saving.

Natural zeolite can be used as a blended material to solve the volume stability problem of hardened cement paste (Feng et al., 1979). The presence of silicon dioxide in natural zeolite is expected to increase the concrete strength through reaction with calcium hydroxide from the hydration of OPC. Zeolites are widely used in the construction industry for the production of light and high quality concrete. Zeolites can prevent segregation and delamination of fresh 38

concrete, decrease permeability of hardened concrete, enhance durability especially the resistance to alkali-silica and alkali-carbonate reactions which responsible for the cracking and expansion of concrete structures, increase the mechanical properties such as concrete strength (compressive and flexular), and minimize cracking caused by self shrinkage in high performance concrete (Mehta, et al 2006). Zeolites increase the resistance against chloride ion diffusion, the freeze-thaw resistance and the zeolite substituted mortar enable to be used in aggressive environments due to its increased sulfate resistance. There are some limiting factors in the application of natural zeolite, such as zeolite in the cement increases the water requirement and decrease the rate of early strength development.

3. Figure Global zeolite production (USGS) (https://www.slideshare.net/hzharraz/zeolite-deposit) Zeolite as supplementary cementitious material Several research stated that grinding can increase the reactivity of supplementary cementitious materials so as to its properties. Grinding results in decreasing particle size which enhance the interactions to allows for more calcium binding. Grinding in ball mill opened the macropores, increased the amount of amorphous phase, decreased the particle size. This state means increased pozzolanic activity. There are several research (Lisa et al., 2016) in which the effect of zeolite and the filler effect of quartz was investigated. 20 wt% finely ground quartz cement and zeolite with the same amount was investigated. These measurements aimed to get results about the differences in zeolite and quartz-containing cement were derived from the filling agent or from zeolite. The pozzolanic reaction begin, when the silicon in the cement substituting material reacts with the calcium hydroxide causing the formation of the C-S-H gel. Grinding increased the compressive strength at all times relative to the non-ground zeolite. The strength of the zeolite cement was initially lower or equal to that of the similar substitution ratio (20 wt%) quartz containing concrete, but the strength of the non-ground zeolite cement exceeded the strength of the quartz filler after 28 days, whereas the ground zeolite after 7 days exceeded the strength of the quartz-substituted cement.

39

4. Figure Mechanical properties of quartz and zeolite substituted cement (Lisa, et al., 2016)

5. Figure Microstructural properties of zeolite substituted cement (Kocak et al., 2013) Researchers who have investigated the effect of zeolite milling have found that grinding not only reduces grain size, but long time grinding at high rotation speed leads to decrease in crystallinity and an increase in the amorphous phase (Bohรกcs et al., 2018; Zielinski et al., 1995, Kosanovic et al., 1995). Xie and Kaliaguine (1997) stated that the specific surface area decreased and the volume of the micropores are decreased. The microstructural investigations reveal the newly formed calcium hydrate crystals. Increasing curing time and zeolite content increased the compaction of the transition zone, the porosity and the capillary fracture decreased due to the hydration and pozzolanic reaction that occurs with the addition of zeolite.

Compressive strength The application of zeolites as cementitious material derived from its pozzolanic property. The OH- in the hydrated cementitious system attack the zeolitic crystals of three dimensional framework. Uzal (Uzal and Turanli, 2012; Poon et at., 1999) found that the reactivity of clinoptilolite shows a lime reactivity between the fly ash and silica fume, but it is also depend on the specific surface area reached by grinding. The amount of reactive SiO 2 also palys and important role. The reactive silica content originated from the amorphous or newly formed 40

easily disintegrated silica and alumina phase (opal-ct, zeolite), and the non stable christobalite.

Feldspar and quartz or the coarsely crystallized calcedony do not possess high reactive silica content, meaning that these are inert minerals. The fine grained opal-ct can be easily decomposed into reactive silica phase. Najimi (Najimi et al., 2012) replaced portland cement with 15 wt% and 30 wt%, and investigated the mechanical properties and durability of zeolite substituted cement compared to the cement without zeolite. The acidic environment means a barrier for the application of zeolite as supplementary cementitious material. The ASTM C618 determine the chemical composition of the pozzolanic material. According it has to exceed 70% of SiO2, Al2O3 and Fe2O3.

It is reported that the blended cement containing 55% by weight of natural pozzolans it has lower 28-day compressive strength when compared to the reference portland cement, but they show similar strength values at 91 days of age (Uzal et al., 2012).

Nagrockiene (Nagrockiene and Girskas, 2016) replaced cement with 15 wt% zeolite and experienced enhanced compressive strength by 15 wt%, less water absorption, increased strength. The addition of zeolite increased the amount of closed pores which makes better the resistance against freeze-thaw processes. Larger pores are more likely to affect the strength and permeability, while pores smaller than 50 nm show their role in the drying shrinkage creeping processes. In the total porosity there is a change after 28 days and the volume of the 5-50 nm pore decreases, due to the thicker pore system caused by the pozzolanic reaction. The increase in porosity improved the heat-insulating properties of zeolite containing concrete with significant difference compared to the non-zeolite concrete. By replacing 60 m% substitution, thermal conductivity was lower by 20% than the thermal conductivity measured on the reference concrete. Beside this the addition of zeolite to concrete produce lighter structural elements without deterioration of strength properties. The applied zeolite makes a more even surface.

6. Figure Strength values of the zeolite substituted cement, and the density (Nagrockiene, 2016; Valipour et el., 2013) Several research studies deal with the good pozzolanic properties of zeolites in the production of cements and binding materials. The proportional amount of zeolite addition to cement as supplementary material increase the compressive strength after 28 days of curing. The addition of 40% zeolite decreased the compressive strength of the concrete. Therefore there is an optimal amount of zeolite addition that needs to be determined. Chan and Ji (Chan and Ji, 1999) reached 58-115 MPa after 28 days curing with the replacement of 10 wt% zeolite depending on the liquid solid ratio. Ahmadi and Shekarchi (2012) investigated the cement substitution by 20 wt% zeolite and noticed that increased zeolite content increased the amount 41

of superplasticizer. Karakurt and Topcu (Karakurt and Topcu, 2011) found the optimal zeolite amount at 30 wt% similar to the reference sample.

Liguori (Liguori et al., 2015) investigated the addition of different types of zeolite to cement.

The consumed Ca2+ partially participate in the transformation of zeolites. This leads to the reduced amount of Ca2+ in the pozzolanic activity. The Ca2+ ions transformed the mordenite to heulandite-klinoptilolite secondary zeolite minerals depending on the amount of reactive silica and pH. The clinoptilolite type zeolite formed in strongly alkaline environment is the most stable zeolite. The best pozzolanic activity is demonstrated by clinoptilolite rich tuff which also possess good mechanical resistance. At long term clinoptilolite contains the largest amount of reactive silica. Despite the finest particle size, the phillipsite does not show good pozzolanic activity due to the small outer surface area and reactive silicon content. The erionite type tuff has the largest BET specific surface, combined with high fineness and reactive silicon content.

Based on the results, we have to take into consideration that there is difference between shortterm and long term reactivity. In shorter times, the finer particle size, larger specific surface area are the important parameters. Phillipsite type zeolite has the finest grain size, but clinoptilolite has the largest BET specific surfaces and exhibits good pozzolanic activity after few hours. Clinoptilolite has a very low reactivity after a short time due to the closed structure.

According to the results zeolite tuffs exhibit good pozzolanic activity. In longer term, other parameters become important, such as the amount of reactive silicon on which clinoptilolite shows the best pozzolanic activity. Open structure zeolites such as erionite tuff allow faster reaction kinetics, as opposed to the more compact structure of clinoptilolite. However, the use of erionite tuff means health risk.

Ranjbar (Ranjbar et al., 2013) added superfine zeolite with finer particle size than the components of cement. The fine grained zeolite is functionalized as a superfine filler, altering the density of the material. The addition of 20 wt% of superfine zeolite to cement reduced early strength but increased later strength. Eskanadari (Eskanadari et al., 2015) replaced portland cement with 2 wt% nano silica and 10 wt% micro zeolite and used water cement ratio of 0.45 and 0.4 and tests were performed at 7, 28 and 90 days. Based on the mechanical and durability properties of the mixture he found that nano particles significantly increase strength.

Setting regulator Setting is a process in which cement undergoes a hardening and gain initial strength. The initial setting time lasts from 1 to 4 hours, the subsequent setting time last from 3 to 7 hours (Najimi et el., 2012). The zeolite addition increase the setting time, leading to an optimization of silicate hydration. Zeolite at the cement-pozzolan interface promotes the formation of tobermorite and stimulates the crystallization of the secondary variety of this mineral as a reaction product of zeolite-portlandite phase.

Alkali-silica reaction Concrete is the most widely used building material of good durability compared to its price.

However, subject to various environmental elements, its durability and strength are significantly reduced due to corrosion. The process means the attack of the aggregate silicious minerals by alkaline hydroxides Na2O and K2O that the cement contains. The alkali hydroxide present in the pores of the concrete reacts with the amorphous or weakly crystalline silicate phase, which forms gel like phase which absorb water and dilate (ASR reaction). This expansion in the hardened cement paste means strong stresses due to the hydraulic pressure that destroys the paste and rupture the concrete cause it to appear at the surface. The addition of pozzolanic material (European standard, EN179-1) helps mitigate this attack and results in the reduction of volumetric expansion of the alkali-silica reaction.

Sulfate attack Sulfate attack occurs when concrete is exposed to groundwater or lakes, as well as if the soil is rich in sulfate ions. During the penetration of sulfate ions, they react with the Ca ions of CaOH 42

makes hinder the pozzolanic reaction, results in expansive chemical reactions. The reaction leads to the formation a gel like phase that is able to absorb water and thus the gel tends to swell. The calcium hydroxide can be transformed into crystalline hydrated calcium sulfate (gypsum) causing rupture of the concrete. The hydrated calcium aluminate and ferrite aluminate can be transformed into calcium sulfoaluminate (ettringite, cement bacillus) and sulfoferrite, producing swelling and rupture of concrete due to the large amount crystallyzed water. The presence of magnesium sulfate ions can decompose the hydrated calcium silicates which results in the decrease of compressive strength. All of the interaction with sulfate ions cause decrease of compressive strength and the expansion leads to the formation of cracks which increase the permeability of concrete allowing the aggressive species to penetrate into the structure. A water-cement low ratio decreases permeability and hinders the access of sulfate ions, and the addition of zeolites also increases sulfate resistance.

Freeze-thaw resistance When the temperature decreases below 0°C, the water inside the capillary pores freezes and this leads to a volume increase of about 9% which produce tensile stresses that cause cracks, concrete delamination (Barker and Whitney, 1992). The presence of air gaps may decrease the effect caused by ice formation in the concrete. The microstructural properties are characterized by a denser structure.

Supplementary cementitious materials with the addition of modified zeolite In the field of application of concrete, workability is an important parameter which decreases with the addition of zeolite due to the high water requirement. To reduce the high water absorption, heat treatment can be a possible solution that destabilizes the zeolite crystal structure by modifying the structure of the pores. Seraj (Seraj et al., 2016) investigated the workability of the cement-zeolite mixture and its physico-chemical properties after calcination, which has a positive effect on workability. The high porosity of zeolite results in higher yield stress, which is contributed by the negative charge of the zeolite and the binding forces of exchangeable cations in micropores towards water molecules. The results show that calcination destabilizes the structure of the natural zeolite and reduces its specific surface, which results in improved viscosity of the mixture and yield stress. Another beneficial effect of calcination is the structural collapse of high water absorbing clay minerals (Fernandez et al., 2011). Clay impurities in the zeolite such as montmorillonite, further increase the water demand by water absorption. High temperature calcination dewaters these clay minerals, which reduces the water absorption by breaking down the absorbent structure. The collapse of the montmorillonite structure also reduces the specific surface area. Calcination at variable temperature modifies the main properties of the zeolite tuff, which influences its application as a cement substitution material. Calcination of the zeolite by increasing calcination temperature increased the strength value. As a result of the tests, the following results were obtained after calcination, the crystal structure of the zeolite varied to varying degrees depending on the amount of water in the structure. The raw zeolite structure containing large amount of crystalline water completely collapsed at 600°C. Bondar (Bondar et al., 2011) stated that calcination increases the reactivity and the amount of crystalline phase, but decrease the amorphous phase.

Another possible solution to decrease the high water demand is the acidic treatment. Burris (Burris 2014) investigated this acidic treatment by different acids, such as hydrochloric acid, nitric acid and acetate. According to the results, the acidic treatment increased the specific surface area, which increased the activity of zeolite in the pozzolanic activity independently from the applied concentration of the acid, through which a better cement substitution agent (SCM) formed. Acidic treatment can reduce the crystallinity of zeolite and reduce the amount of contaminants such as quartz, dolomite and feldspar which are not involved in the hydration reaction in cement as being inert minerals. High temperature steam and acid treatment cause to 43

release of the aluminum and cations from the structure, but has an effect on the decrease of crystallinity to increase the amount of amorphous material.

Zeolite can be successfully applied as lightweight concrete. Autoclaved aerated concrete (AAC) is a well known lightweight concrete consisting of sand, lime, cement, gypsum, water and expanding agents. There is a limited literature on the use of zeolite as AAC. The physicochemical properties of the raw material, the method of creating the mixture significantly affect the properties of the end product. In this material raw zeolite can be used as a substitute for silica sand or as bubble generating agent.

Conclusion Overall, grinding reduced grain size, increased porosity, reduced zeolite crystallinity, and produced more reactive substances. More than 20 wt% zeolite degrade the workability of the mixture which increases the amount of additive (superplasticizer). The effect of the zeolite addition to the cement may be the subject of future investigations. For the characteristics of the cement substitute, the type of hydrated products, the decomposition of the zeolite structure, the pore size distribution and the knowledge of the microstructural characteristics are indispensable.

The use of zeolites has the greatest positive effect on chloride penetration, decreased corrosion shrinkage and water leakage. The zeolite substitution improved the durability, but from a practical point of view, 15 wt% zeolite-substituted cement seemed to be the most promising.

The higher durability may be the result of finer microstructure. Zeolite substitution to cement reduce the formation of ASR in the microstructure of the mixture, which manifested by cracks.

Comparing the rheological results of raw zeolite, it can be concluded that the high water demand of raw zeolite is caused by the absorption of water in micro and mesoporous water.

Calcination of zeolite improves the workability of mixed cement due to reduced porosity. The specific surface area of the calcined zeolite and its water requirement is lower than that of the raw zeolite which makes it a much more favorable cement substitute for water demand and workability. Despite the favored properties for calcined pozzolanic materials, energy and costeffectiveness should be considered and evaluated in further studies.

Acknowledgment The described work/article was carried out as part of the „Sustainable Raw Material Management Thematic Network – RING 2017”, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 project in the framework of the Széchenyi2020 Program. The realization of this project is supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund.

References Barker, D. D., & Whitney, M. G. (1992,). Reinforced concrete structures. In Explosives Safety Seminar Volume IV (p. 299) Bohács, K., Kristály, F., Mucsi, G., (2018), The influence of mechanical activation on the nanostructure of zeolite, Journal of Materials Science, 53 19 13779-13789 Bondar, D., Lynsdale, C.J., Milestone, N.B., Hassani, N., Ramezanianpour, A.A. (2011), Effect of heat treatment on reactivity-strength of alkali-activated natural pozzolans Construction and Building Materials 25: 4065–4071 Burris, L.E., (2014), Increasing the Reactivity of Natural Zeolites used as Supplementary Cementitious Materials PhD thesis University of Texas at Austin Burris, L. B., Juenge, M.C.G., (2016), Milling as a pretreatment method for increasing the reactivity of natural zeolites for use as supplementary cementitious materials, Cement and Concrete Composites 65 163-170 44

Chan, S.Y.N., JI, X.,(1999), Comparative study of the initial surface absorption and chloride diffusion of high performance zeolite, silica fume and PFA concretes. Cem Concr Compos;21:293–300.

Christidis, G.E., (2011), Zeolite formation and deposits, Natural Zeolites Handbook, 2011, 1936 Eskandari, H., Vaghefi, M., Kowsari, K.,(2015), Investigation of Mechanical and Durability Properties of Concrete Influenced by Hybrid Nano Silica and Micro Zeolite, 5th International Biennial Conference on Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, UFGNSM15, Procedia Materials Science 11 594 – 599 Feng, Nai-Qian; Rui Wang (1979), Zeolite cement and concrete. Concr Reinforced Concr;1 in Chinese Fernandez, R., Martirena, F., Scrivener, K.L.,(2011), The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: a comparison between kaolinite, illite and montmorillonite, Cem. Concr. Res. 41 113–122.

Karakurt, I., Topcu, B., (2011),Effect of blended cements produced with natural zeolite and industrial by-products on alkali-silica reaction and sulfate resistance of concrete Cenk, Construction and Building Materials 25 1789–1795 Kosanovic, C., Cizmek, A., Subotic, B., Smit, I., Stubicar, M., Tonejc, A., (1995), Mechanochemistry of zeolites. Part 4: influence of cations on the rate of amorphization of zeolite A by ball milling, Zeolites 15: p.632-636 Liguori, B., Iuculano, F., De Gennaro, B., Marroccoli, M., Caputo, D.,(2015), Zeolitized tuff in environmental friendly production of cementitious material: Chemical and mechanical characterization a Construction and Building Materials 99 272–278 Mumpton, FA. (1977), Mineralogy and geology of natural zeolite, Short course notes, vol 4.

Virginia: Mineral Soc Am. 233 p.

Nagrockiene, D., Girskas, G.,(2016), Research into the properties of concrete modified with natural zeolite addition, Construction and Building Materials 113: 964–969 Najimi, M., Sobhani, J., Ahmadi, B., Shekarchi, M., (2012), An experimental study on durability properties of concrete containing zeoliteas a highly reactive natural pozzolan, Construction and Building Materials 35: 1023–1033 Poon, C.S., Lam, L., Kou, S.C., Lin, Z.S., (1999), A study on the hydration rate of natural zeolite blended cement pastes. Constr Build Mater;13(8):427–32.

Ranjbar, M.M., Madandoust, R., Mousavi, S.Y., Yosefi, S.,(2013), Effects of natural zeolite on the fresh and hardened properties of self-compacted concrete Construction and Building Materials 47 806–813 Schmid, Rolf (1981), Descriptive nomenclature and classification of pyroclastic deposits and fragments, International Journal of Earth Sciences. 794-799.

Seraj, S., Ferron, R.D., Juenger, M.C.G.,(2016) ,Calcining natural zeolites to improve their effect on cementitious mixture workability, Cement and Concrete Research 85 102–110 Tsitsishvili GV. Natural zeolites. New York: E. Horwood; 1992.

Uzal, B., Turanli, L., (2012), Blended cements containing high volume of natural zeolites: properties, hydration and paste microstructure. Cem Concr Compos;34:101–9.

Valipour, M., Pargar, F., Shekarchi, M., Khani, S., (2013), Comparing a natural pozzolan, zeolite, to metakaolin and silica fume in terms of their effect on the durability characteristics of concrete: A laboratory study, Construction and Building Materials 41: 879–888 Xie, J., Kaliaguine, S.,(1997), Zeolite ball milling as a means of enhancing the selectivity for base catalyzed reactions, Appl. Catal. A Gen. 148: 415-423, Pozzolanic activity and alkaline reactivity of a mordenite-rich tuff

45

Zielinski, P.A., Van Neste, A., Akolekar, D.B., Kaliaguine,S.,(1995), Effect of high-energy ball milling on the structural stability, surface and catalytic properties of small-, medium- and large-pore zeolites, Microporous Mater 5 123-133, http://iieng.org/images/proceedings_pdf/1339E0514558.pdf https://www.slideshare.net/hzharraz/zeolite-deposit

46

III/2. Geochemistry of metals in the Mecsek liász coal seam Viktor Mádai Institute of Mineralogy and Geology, University of Miskolc, University Campus, H-3515, Hungary

Abstract Research of coal as a metal bearing material is not a new direction of scientific investigation.

Many scientists published studies about it (Gluskoter et al., 1977; Ekmann, 2012; Horváth, 2014).

Nowadays Clean Coal Technology is coming into the limelight, because during the different technological steps Be, Nb, Ge, Zr, Ce and La, could be extracted from coal. From a financial point of view, the rare metal content of coal might be a decisive criteria whether or not to extract the given coal reserve.

To study the abundance of perspective elements like Be, Ge, Zr, formerly published data were used from the Ph.D thesis of Balázs Kóbor about the Mecsek Liász Coal Seam (Kóbor, 2005).

On the Mecsek area numerous strategic REE metals are present or enriched (Horváth, 2014; Szakáll et al., 2003).

Investigating the geochemical behavior of the above mentioned elements, histograms, density traces, Tukey boxplots (Tukey, 1977) and cross-plots were applied (Reimann, 2008).

Some metals showed compact data structures, like Be, Ge, and obvious correlations with the respective geochemical factors for example, Be, (with Al), Ge (with Al). Other elements showed diffuse data enrichment and rather low correlations: like the Nb – Si connection.

Introduction Coal is one of the oldest types of fossil hydrocarbon fuel after wood used by mankind for energy production. Resources of coal are significantly more abundant than liquid hydrocarbons and have covered world energy requirements for hundreds of years. However, coal utilization for power generation has been steadily reduced in many countries. The causes of this are the serious impacts on the environment because of coal mining and coal combustion in thermal power plants. Nevertheless, for the time being humanity cannot completely erase the role of coal as a global energy supply because of the low cost of coal energy, comparative abundance of coal resources, and a fairly uniform distribution of coal deposits on the Earth.

Traditional methods to decrease the negative environmental impacts of the coal mining process and combustion include the usage of modern methods of the above mentioned technological steps as well as in the processing of coal into gaseous and liquid fuels.

However, nowadays there are more and more promising ways of softening the negative environmental impacts to make coal mining and usage more profitable and less polluting.

Associating coal power with the extraction of some rare metals from coal deposits and coal combustion waste is the new direction for clean energy based on both alternative energy sources and energy-efficient technologies. These rare metal(loid)s are crucial not only for clean energy development, but in the production of solar cells, wind turbines, energy saving lighting and electric powered vehicles.

Materials and Methods This paper summarizes a short statistical data analyses and geochemical investigations of a database about perspective metals like Be, Ge, Zr of the Mecsek Liász Coal Seam, (South East 47

Hungary) published by Balázs Kóbor, as a doctoral thesis in 2005. The analysed samples originated from the Karolina-Valley open cast mine. In the database, chemical measurements of 41 samples from different rock types can be found: 6 from the bordering sandstones of coal seams, 13 from the coal seams, 14 from Carboargillites and Carbominerites, 4 from aleurites and 4 from clay stones were measured.

Because of the more exact examination possibility of data distribution and geochemical enrichment factors, solely based on the measurement data of the 13 coal samples were used for this study. Percent values of minerals were measured by X-ray powder diffraction in a semi quantitative way, using the Moore-Reynolds method (Moore and Reynolds, 1989). The used equipment was a DRON-UM-1 type x-ray diffractometer with a LiF monochromator and Cu xray source. The applied exciting voltage was 35kV with 25mA current. The diffractograms were evaluated by SuperVisor software (JCPDS, 1987). The same sample materials were measured by x-ray powder diffraction and ICP MS technique. The ICP MS equipment was a HP7500 type inductively coupled plasma mass spectrometer. The solid samples were completely dissolved in nitric acid at 450oC, for 60 minutes, using an UltraCLAVE2 type ultrasonic homogenizer. The elemental analyses were made by a formerly published method (Jarvis et al., 1994). The ICP-MS measurements were accomplished in the accredited spectral laboratory of Department of Analytical Chemistry of the University of Graz. For the quantitative interpretation of diffraction data the mineral quantities counted from ICP element measurements were used as standards. Under the grain size of 5 µm, thin layers were produced for the purpose of x-ray diffraction. Total organic carbon (TOC) measurements were made by Wösthoff pyrolysis, using a Wösthof-Carmhograph-8 type gas analyzer. At 1000 oC the finely pulverized samples (100µm grain size) were combusted and the products were reacted with NaCl. The electric conductivity of the produced solution was proportional to the carbon content of the sample. Before the measurement, the pulverized samples were handled by 10% HCl at 50 oC for 15 minutes, to dissolve the carbonates.

Data preparation Some data were in excel sheets, others were in the form of MySQL records. In both cases CSV format was converted from the original files. If the data values were under the detection limit of given measurement methods, the values were divided by two by one of the conventionally accepted methods (Reimann et al., 2008).

In fig. 1. the Be data can be seen. On the horizontal axis the measured values in ppm, on the vertical axis the values of the density trace are plotted. The red line is the density trace itself.

Under the histogram the points of the measured values are in a randomly shifted way in the direction of the y-axis. The lowest part of the figure is the Tukey boxplot (Tukey, 1977). If the dataset is loaded with outliers they have to be over the upper inner fence or under the lower inner fence. If there is data like this, an empty circle is used to mark it.

The main mass of the data is between 25% and 75 % quartiles. (In the rectangular box.) The maximums of the density traces were read from the curves.

For the examination of parallel changes of elements and mineral quantities, scatterplot matrices were used (fig. 2.).

Figure 2. shows scatterplot matrix for Al, Be and Si elements. All of them were measured in ppm. On the diagonal section of the matrix the cumulative distribution function of the given element can be seen. If these diagonally positioned circle sets are on, or as close as possible to the green line, which is the representation of the Gauss distribution, (if the line has the steepness of 45 degree) the dataset of the given element or mineral quantity has a Gauss-type distribution function. If the green line is not 45 degrees the distribution is not Gauss like.

Generally, the Gauss like distribution of the element considered as a background concentration (Reimann and Garrett, 2005).

48

In fig. 2 in the intersection point of two different elements, the green line is the least square approximation of the distribution of the two elements. If the green line is at 45 degrees and is rising from left to right, the two elements are positively correlating.

The thick red function is the smoothing curve. This trend curve is approximating the green line if the points of the elements are in the same distribution, and they changing in a parallel way (intersection of upper row, Al_ppm data and middle column, Be_ppm data).

The two dotted red curves on both sides of the green line are the spread functions. They are signing the main mass of the data, which is situated always between them. If this range is narrow, the correlation is high. If the area between them is changing, the connection is a remote one.

Results and Discussion Beryllium Since literature data (Horton and Aubrey, 1950 and Palmer et al., 1999) is referring to an affinity of Be to organic material, coal as potential Be-bearing material was considered.

Fig. 1. Data behavior of beryllium (ppm), its density trace, histogram, randomly shifted data points along the Y-axis and the Tukey boxplot (Data: KĂłbor, 2005).

In the first figure the data structure of beryllium can be seen. The red line is the density trace.

Its scale in density is on the vertical axis. The data distribution is skewed slightly toward the right side. Both the histogram and the density trace and the box plot (in the low middle section of the figure) show this trend, which is quite general in geochemistry. There is no any outlier in the bimodal distribution. There are two data concentration zones in the surroundings of the maximum and local maximum. It is a typical background-like data set.

The 13 values are a complete data set. The data ranges from 8 to 54 ppm. The mean is 29.38 ppm and the standard deviation is 13.82. It is not a seriously dispersed data set. The main mass of the data is between 19 and 38 ppm. The median is 34 ppm.

The Clarke value of the element is 2.8 ppm (VĂ­zkeleti, 2013). Remarkably, this is four times the enrichment which can be seen in comparison to the former samples from the Mecsek 49

Mountains. The cause of the abundance, using analogical extension, an alkali magmatic source might be responsible in the surroundings of the coal seams (Shi Feng et al., 2007).

However, trace element ranges may be larger within a coal bed than between coal basins (Swaine, 1994). This comparatively high value can be attached to only this sampled part of the seam.

Fig. 2. Scatterplot matrix of Al (ppm), Be (ppm) and Si (ppm) (Data: Kรณbor 2005).

Fig. 3. Scatterplot matrix of Be (ppm), illite-smectite mixed structure clay minerals (%) and total organic carbon (%) (Data: Kรณbor, 2005).

50

In the figure 2 the Be-Al connection shows a positive parallel change (first row, second column). The possible cause is the presence of Be-Al silicates. The Be-Si connection is more diffuse in the lowest row, middle column. A Be-Al â&#x20AC;&#x201C; silicate as a bearing phase, with the dominance of Al is the plausible explanation.

In figure 3. the link between Be to clay minerals (first row, middle column) and the connection between Be and organic compounds (first row, right column) is unverifiable. In both cases negative parallel changes can be seen. The measurement results of illite- smectite minerals are strongly quantized, this way the usage of these has to be necessarily circumspect.

Using the Spearman rank correlation matrix, Be correlated with Li (0.66), V (0.51), and Al (0.50). For Be-Li sources literature shows granitic source material (Hawley et al 1966). Others claimed (Zhicao et al., 2014) that the cause of parallel changes of Be-V-Li is responsible for their affinity to aluminum silicates.

Germanium In Figure 4, we can see the data distribution of Ge. It is skewed to the left and has a bimodal density trace without outliers. Minimal Ge concentration is 12 ppm, the maximum is 88 ppm.

The mean is 36.92, standard deviation is 23.34. It is a slightly dispersed dataset. The main mass of the data is between 21 and 56 ppm. The median is 27 ppm. Maximums of density trace are at 26 ppm (real maximum), and at 50 ppm (local one). The average concentration of the upper crust is 1.60 ppm (VĂ­zkeleti, 2013).

The general opinion in the literature (Ruch et al., 1974; Gluskoter, 1975) is that Ge is linked to organic compounds in buried swamp material. Movements of Ge, because of the enrichment of it in the border, upper, and lower zones of coal seams is happening by Ge containing water based solutions. Other researchers think that the intermixing of solid form clastic mineral grains containing Ge were partially dissolved and they may be the source of the metal (Zubovic et al., 1964).

In figure 5, the Ge-TOC connection can be seen (middle row, right column).However, here two sample populations are exposed. (In the left corner of the above mentioned square, and in the upper right corner of the same square.) One of the possible causes is the scattered TOC dataset (lowest right position, with TOC_per title). Secondly, during the preparation of Ge-containing samples, the Ge might evaporate because of its volatility.

In figure 6, the clay minerals and the Ge concentration can be seen, but neither the illitesmectite structures nor the kaolinite show positive parallel changes with the germanium.

In figure 7, increasing Ge concentration shows decreasing Be values. The possible cause is the linkage of Be to clay minerals which are not followed by Ge (Horton and Aubrey, 1950 and Palmer et al., 1999).

51

Fig. 4. Data behavior of germanium (ppm), its density trace, histogram, randomly shifted data points along the Y-axis and the Tukey boxplot (Data: Kรณbor, 2005).

Fig. 5. Scatterplot matrix of Al (ppm), Ge (ppm) and the total organic carbon content (%) (Data: Kรณbor, 2005).

52

Fig. 6. Scatterplot matrix of Ge (ppm), illite-smectite mixed structure clay minerals (%) and kaolinite (%) (Data: Kรณbor, 2005).

Fig. 7. Connection between Ge (ppm) and Be (ppm) (Data: Kรณbor, 2005).

Zirconium

53

Fig. 8. Data behavior of zirconium (ppm), its density trace, histogram, randomly shifted data points along the Y-axis and the Tukey boxplot (Data: Kóbor, 2005).

As seen in figure 8, the data set of zirconium is slightly skewed as is usual in geochemistry.

The maximum of the density trace is 210 ppm. Local maximum (inflection point) can be found at 300 ppm. There is not any outlier. The Clarke value of Zr is 165 ppm (Vízkeleti, 2013). The minimum value of the data is 130 ppm, the maximum is 443 ppm. The main mass of the data is between 189 and 341 ppm. The median is 250 ppm. The mean is 270.07 ppm and the standard deviation is 95.65. It is not a seriously scattered background-like data set.

Fig. 9. Scatterplot matrix of Nb (ppm), Si (ppm) and Zr (ppm) (Data: Kóbor, 2005).

54

As shown in figure 9, (Si-Zr connection: middle row, right column) the comparatively high positive correlation (data point thickening in the surroundings of the green line) can be explained with the presence of zircon (ZrSiO4) as clastic particles. However, Zr as a dissolved component might filtrate into the coal material and can be washed out. Because of this, not only zircon mineral might bear the Zr element, but it can be in an organically linked form (Pipiringos et al., 1965).

The Nb-Si scatterplot (fig.9, upper row, middle column) refers to more Nb bearing minerals can be seen from the remarkably dispersed data points. Different Al-silicates might also be present in the coal.

The Nb-Zr connection (figure 10, middle row, right column) refers to the isomorphic structural replacement of Zr by Nb in the crystal structure of zircon. As high field strength elements, their occurrence and replacement features are significantly similar (Linnen et al., 2014).

The Nb- illite-smectite connection (upper row, middle column), shows a positive mutual change, but it seems to be much dispersed. The possible cause of this is the quantized nature of the measurement results of illite-smectite minerals.

Fig. 10. Scatterplot matrix of illie-smectite mixed structure clay minerals (%), Nb (ppm) and Zr (ppm) (Data: Kóbor, 2005).

Conclusion Because of the current supply problems of rare metal(loid)s and the need of development of alternative power and energy efficient technologies, it would be useful to focus on just certain types of coal deposits like the Mecsek Liász Coal Seam. This metalliferous coal deposit may be the source of several metals used in different fields of industry.

On the Mecsek area numerous strategic REE metals are present or enriched (Horváth, 2014).

The investigated data sets were generally slightly skewed. All investigated elements are above the respective Clarke values, which are the general enrichment values of the given elements in the Earth crust. In the case of Be, Clarke value is 2.8 ppm (Vízkeleti, 2013) but the main mass of the investigated data is between 19 and 38 ppm. Ge has 1.60 ppm Clarke value (Vízkeleti, 55

2013), but the measured data are between 21 and 56 ppm. Similarly in the case of Zr, 165 ppm is the Clarke value (Vízkeleti, 2013) but the data are between 189 and 341 ppm.

Some metals showed compact data structures, for example, Be, Ge, and obvious correlations with the respective geochemical factors, like: Be, (with Al), Ge (with Al). Other elements showed rather low correlations: like the Nb – Si connection.

The source of the elements is ranging from intermixing of clastic grains through crystal structure replacement to the precipitation from groundwater. Correlations between these different factors sometimes are weak or not so strong.

Acknowledgement This research was supported by the ‘Thematic Network for the Sustainable Use of Resources – RING2017’ project (program code: EFOP-3.6.2-16-2017-00010). Financed by the European Social Fund and the Government of Hungary.

References Ekmann J. M., 2012: Rare Earth Elements in Coal Deposits – a Prospectivity Analysis*, Search and Discovery Article #80270; Gluskoter H. J., 1975: Mineral matter and trace elements in coal, In: Babu, S. P., editor, Trace Elements in Fuel: Washington, D.C., American Chemical Society, Advances in Chemistry Series No. 141, p. 1-22.

Gluskoter H. J., Ruch R. R., Miller W. G., Cahill R. A., Dreher G. B., Kuhn J. K., Simon J. A., 1977: Trace elements in coal: occurrence and distribution. Illinois—Geological Survey Circular. no. 499 - Illinois State Geological Survey Chief Urbana, IL 61801 Hawley C. C, Huffman C. jr., Hamilton J. C., and. Rader l. F. jr. 1966: geologic and geochemical features of the redskin granite and associated rocks, lake george beryllium area, Colorado geological survey research 1966 chapter c, geological survey professional paper.

550-c, p 139-147.

Horton L. and. Aubrey K. V. 1950: The distribution of minor elements in vitrain: Three vitrains from the Barnsley seam: London, Journal of the Society of Chemical Industry, v. 69, suppl. no. 1, p. S41-S48 Horváth R. 2014: Mecseki széntelepekhez kötődő ritkaföldfém anomáliák CriticEl Monográfia sorozat 5. Ritkaföldfémek magyarországi földtani képződményekben Szerkesztette: Szakáll Sándor Miskolc, 162-171.

Jarvis K. E., Gray A. L., Houk R. S. 1994:Handbook of inductively coupled plasma mass spectrometry, Blackie Publications. London JCPDS 1987: Powder Diffraction File: Alphabetical Index Inorganic Phases. International Centre for Diffraction Data, Swarthmore. USA Kóbor B. 2005: A liász kőszenes összlet radiológiai, geokémiai jellemzői és környezetradiológiai hatásai Pécsbányatelep környékén. Szegedi Egyetem-PhD értekezés, Kézirat Linnen R. L., Samson I. M., Williams-Jones A. E., Chakhmouradian A. R., 2014: Geochemistry of the Rare-Earth Element, Nb, Ta, Hf, and Zr Deposits,In: Treatise on Geochemistry 2nd Edition http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.01124-4 Elsevier Ltd. 543-564.

Moore D. M., Reynolds J. R. C. 1989: X-Ray Diffraction and the Identification and Analyses of Clay Minerals. Oxford University Press, Oxford Palmer C.A., Kolkerl A., Willett J.C., Mroczkowskil S.J., Finkelman R.B., Taylorl K.C., Dulongl F.T, Bullock, Jr. J.H. 1999: Preliminary Report on the International Energy Agency Mode of Occurrence Inter-laboratory Comparison: Phase I; USGS Results Open-File Report 99-160.

56

Pipiringos G. N., Chisholm W A and Kepferle R. C. 1965: Geology and Uranium deposits of Cave Hills Area, Harding Country, South Dakota, USGS Geological survey Professional paper 476-A Washington 1965 Reimann C., Filzmoser P., Garrett R. G., Dutter R. 2008: Statistical Data Analysis Explained: Applied Environmental Statistics with R John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 978-0-470-98581-6 Ruch R. R., Gluskoter H. J and. Shimp N. F. 1974: Occurrence and distribution of potentially volatile trace elements in coal: A final report: Illinois State Geological Survey Environmental Geology Note 72, 96 p.

Shi Feng Dai, Yi Ping, Zhou De Yi Ren, XiBo, Wang Dan Li, & Lei Zhao 2007: Geochemistry and mineralogy of the Late Permian coals from the Songzao Coalfield, Chongqing, southwestern China Sci China Ser D-Earth Sci May 2007 vol. 50 no. 5 678-688.

Swaine D. J., 1994: Some aspects of basic geochemistry in coal science, Conference: 208.

American Chemical Society (ACS) national meeting, Washington, DC (United States), 21-26 Aug 1994; Other Information: PBD: 1994; Related Information: Is Part Of 207th ACS national meeting. Volume 39, Nos. 1, 2, 3 and 4; PB: 1304 p.

Szakáll S., Nagy G. & Sajó I.E. 2003: Synchysite-(Ce) from the Komló coal deposit, Mecsek Mts., South Hungary. Acta Mineralogica-Petrographica, Abstract Series 1, 100.

Tukey J.W. 1977: Exploratory Data Analysis. Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, USA,. 506 pp.

Vízkeleti A. 2013: A mecseki szénmedence déli és északi területének összehasonlító geokémiai értékelése. TDK dolgozat, Miskolci Egyetem. Kézirat.

Zhicao Yan, Guijian Liu, Ruoyu Sun, Dun Wu, Bin Wu, Chuncai Zhou, Quan Tang and Jian Chen, 2014: Geochemistry of trace elements in coals from the Huainan Coalfield, Anhui, China, Geochemical Journal, Vol. 48, pp. 331 to 344, 2014 doi:10.2343/geochemj.2.0309.

Zubovic P. T., Stadnichenko T., Sheffey N. B. 1964: Distribution of minor elements in coal beds of the Eastern Interior region: U.S. Geological Survey Bulletin 1117-B, 41 p.

57

IV. WEEE - EXTRACTING VALUABLE MATERIALS FROM ELECTRONIC AND ELECTRICAL EQUIPMENT WASTE

58

IV/1. Influence of temperature on pur briquetting Sándor Nagy1, Quyen V. Trinh2, Gábor Dóra3 1 2

University of Miskolc, H-3515, Miskolc Egyetemváros, ejtnagys@uni-miskolc.hu University of Miskolc, H-3515, Miskolc Egyetemváros, trinhquyennd@gmail.com 3 Gazdaságfejlesztő és Tanácsadó Kft, 7400 Kaposvár, Füredi utca 1

Abstract The wide application of polyurethane (PUR) materials, a large number of polyurethane wastes need to be disposed. Fine polyurethane insulation of fridge bulk material is arising as by product. Agglomerated form of PUR material can be prosperous in several solutions, especially in thermal utilization. This paper demonstrates the effects of applied pressure and temperature on PUR agglomerates and also identifies the optimal conditions of the process for producing tablets with high density. The PUR with a moisture content of 1.8 wt.% was compressed in a load cell by a hydraulic piston press with 25 mm diameter, applied pressure range were 50 to 300 MPa . Results showed that the optimal conditions during agglomeration process are 60°C temperature and pressure of 300 MPa. Keywords:Agglomeration, Polyurethane, compressibility, temperature, briquetting.

1. Introduction Agglomeration of recycling materials such as briquetting, extrusion, tabletting, pelletizing can increase bulk density, improves storability, reduces transportation costs, makes easy the handling and increase the quality of products.

During the process of wrecking the refrigerators in a closed system the PUR insulation material is ground and washed, so as to release the harmful gas (freon, pentane) and other contaminants.

Fragmentation reduces the volume of the material. Therefore the storage and transportation of it would be more economical. It can be divided into further components by chemical wrecking, adsorption and recycling. For example in Elektronikai Hulladékhasznosító Ltd, every year there will be 6500 to 7000 tonnes refrigerators of scrap and about 1000 to 1200 tonnes of PUR powder was produced each year. Incineration is one way through the burning waste polyurethane materials for heat recovery. 1 kg polyurethane has calorific value of about 29307 kJ/kg, which can provide heat equivalent to the same mass of coal provides energy (Liu et al.

2010). Through burning, it can make the wastes volume reduced by 99 %. Polyurethane foam wastes can shattered into grain, as fuel alternative coal, oil and natural gas recovery energy, and applied to cement or power (Yanga et al. 2012) production.

The parameters of recycling are especially important production in aspects related to product quality and economics. On the one hand, the reduction of moisture content and increasing temperature usually results in better quality agglomerates; it is possible to achieve higher density and strength. On the other hand, moisture content reduction (drying) and increasing temperature have a large energy demand. To find the optimal production parameters, the exact relationship between moisture content, temperature and briquettability (applied pressure agglomerate density) should be known. Furthermore, it was reported that an increase in temperature reduces the friction in the press channel of the mill (Stelte et al 2011b) and lowers the energy required for different components of the pelletizing process (Nielsen et al 2009a).

Other process parameters might influence the result of agglomeration too. Csőke et al. (2000) and (2003) investigated the effect of different feed methods (screw feed and gravity feed) on compacting. Another serious issue is the de-airing, because if the outflow of the displaced air 59

from the agglomerated particles is too intense, that might break down the newly formed briquettes (Tarján et al. 1999).

Different approaches have been taken in order to calculate the relationship between applied pressure and agglomerate density.The Johanson equation (1965) can take two forms: *=pP*1/ ; FFo=V0V where κ is compressibility factor, ρ is agglomerate density, p is tabletting pressure, F is tabletting force, V is tablet volume, and p*, ρ*, Fo, Vo are reference values (if surface perpendicular to the force and mass of tablet are constant) (Stieß 1997).

The mechanical strength of agglomerates is one of the main features determining their further applicability or processing. There are many methods of defining and measuring the strength.

Depending on needs, impact, wear, compression, bend and tensile tests are used (Schubert 1975; Kristensen et al 1985; Gluba and Antkowiak 1988). This study investigates the effects of temperature and pressure on the density and strength of PUR tablets with the same particle size < 1.25 mm and moisture content of 1.8 wt.%.

2. Material and Methods 2.1. Material Polyurethanerigid foam is the insulating material which is most widely used throughout the world for refrigeratorsand freezers. Therefore, polyurethane (PUR) was selected as the raw material for our experiments. It is originated from the Electronic Waste Management Ltd. with original particle size x < 2.5 mm. The sieve was used to remove particle size from 1.25 to 2.5 mm. The moisture content of PUR (x < 1.25 mm) was determined as 1.8 wt.% and bulk density of 270 kg/m3. Raw material PUR can be seen in Figure 1. It can be observed that PUR is an inhomogeneous material.

Figure 1. PUR with x < 1.25 mm; (left) optical camera; (right) optical microscope: Zeiss AXIO Imager.M2m Figure 2 shows the particle size distribution of PUR. The x95, x80 and x50 values are 860 µm, 530 µm and 280 µm respectively.

60

Figure 2. Particle size distribution of PUR 2.2. Hydraulic piston press The hydraulic piston press (Figure 3) was designed at the University of Miskolc. The press is supported by a pump motor unit with a pressure limiter and a heat-able load cell (20-140°C).

The maximum force is 200 kN and the maximum velocity of the piston is 30 mm/s. The measuring of the piston position is done with an incremental encoder.

Figure 3. Hydraulic piston press 2.3. Experimental procedure The hydraulic piston press with diameter 25 mm was used for our tests and each tablet was made by the compression of 5 g PUR. Applied pressures on the surface of tablets were 50, 100, 150, 200, 250 and 300 MPa, moisture content of 1.8 wt.% and particle size < 1.25 mm. In this test, the applied temperatures were 20, 40, 60 and 100°C with compression time of 5 seconds.

The quality of tablets can be described easily by their density. The diameters and heights of the tablet products were measured by Vernier caliper (a tablet can be extended after agglomeration). The mass was measured and density was calculated for each test. The 61

minimum height of tablets under pressure was measured by the incremental distance measurement method.

The determination of tablet strength was carried out by the well-known falling test method.

Tablets were released by freefall from a height of 2 m onto a concrete floor repeatedly until they broke. The falling number is the number of falls the sample survived undamaged. In each experiment three tablets were tested.

Raw material particles and cross sectional surfaces of tablets were investigated with optical microscope Zeiss AXIO Imager.M2m.

3. Results and Discussion Tablet density, tablet strength and the structure of tablets were determined in our investigations.

3.1. Tablet density and compressibility Tablets produced by processes with different temperatures and the same production conditions are shown in Figure 4. The tablet density values are recorded as an average of three measurements.

Figure 4. Tablets made from PUR with different temperature and the same production conditions Figure 5 shows the pressure density values and the fitted Johanson curves in the case of particle size < 1.25 mm raw material at 20, 40, 60 and 100°C and different pressures. Table 1 shows the constants of the fitted curves and coefficient of determination (R2), residual mean square (σ) and calculated deviation (Vs).

Tablets compressed at lower pressure have a lower density with the same production conditions. (MC = 1.8 wt.%, x < 1.25 mm, compression time of 5 seconds). The tablet density value has a maximum at 60°C temperature (for instance at 250 MPa, tablet densities: 888 kg/m3 (T = 20°C), 930 kg/m3 (T = 40°C), 945 kg/m3 (T = 60°C), 894 kg/m3 (T = 100°C)).

The reason for that could be the temperature dependence of the viscoelastic properties in the solid, initially they increased with increasing temperature up to 60°C and then decrease at the temperature was increased to 100°C.

62

Figure 5. Compressibility data for PUR with different temperatures and pressures

Table 1. Constants of Johanson’s equation (ρ=ap1/κ) for different temperatures Temperature [°C]

Constant, a [kg1-1m(1/κ)-3s2/]

20

338.6500

Constant, κ [-]

5.77 40

441.5794 7.23

60

548.9211 9.81

100

676.9574 18.55

Spread deviation: Vs Coefficient of 2 determination: R Residual mean square: σ R2=0.9523; σ=0.0008; Vs =2.6 % R2=0.8928; σ= 0.0012; Vs =3.1 % R2=0.8645; σ=0.0008; Vs =2.5 % R2= 0.8134; σ=0.0003; Vs =1.7 %

To describe the compressibility of PUR, the Johanson equation was used. As the original equation for describing compressibility, it is universal. It is possible to insert other parameters in it, such as temperature. The spread deviation values (Vs) of fitted Johanson’s equations are calculated (Table 1) and shown to have a value smaller than 3.1 %. At the same compression time of 5 seconds, the higher temperature results in higher constants a and κ.

3.2 Structure of tablets The surfaces of tablets are shown in Figure 6. The tablets made at 100°C have more space between particles (porosity is higher) than the tablet made at 60°C, with the same moisture content of 1.8 wt.%, pressure of 250 MPa, particle size < 1.25 mm, weight of sample of 5g, compression time of 5 seconds.

63

Figure 6. Cross sectional surface of tablets (optical microscope: Zeiss AXIO Imager.M2m)

3.3. Tablet strength Falling number values are shown in Figure 7 as a function of temperature at different pressures with the same compression time of 5 seconds. The increasing temperature resulted in higher tablet strength (except at 100°C), for example falling number at 150MPa: 5.3 (T = 20°C), 12.6 (T = 40°C), 14.3 (T = 60°C), 7.3 (T = 100°C).

Figure 7. Relationship between falling number and temperature and pressure 4. Conclusions This paper has presented tools and methods to evaluate the effect of temperature and pressure on tablet density in the case of PUR. The description of the processes is essential to be able to determine the optimal production parameters (at 60°C temperature and 300 MPa).

The applied Johanson functions describe the processes well, at 60°C and 5 seconds compression time, Vs = 2.5 %. Based on the experimental results is was found that if pressure, compression time, moisture content and particle size are kept constant, increasing temperature results in the higher density of tablets and strength (except at 100°C).

The experimental method can be used for other materials as well as to find the optimal conditions of pressure and temperature during agglomeration. Effect of moisture content and particle size on agglomeration of PUR should be studied in the further work.

64

Acknowledgements The described article was carried out as part of the “Sustainable Raw Material Management Thematic Network - RING 2017”, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 project in the framework of the Széchenyi 2020 program. The realization of this project is supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund. Electronic Waste Management Ltd. is thanked for supporting with PUR. References 1. Csőke, B. et al., 2000.: Experimental investigation of compacting in roll press with gravity and screw feed. In: Lakatos, I., (ed.) Progress in Mining and Oilfield Chemistry.

Novelties in Enhanced Oil and Gas Recovery. Budapest: Akadémiai Kiadó, pp. 241254. (ISBN: 963 05 7724 0).

2. Csőke, B and Faitli, J., 2003).: Experimental study of the compacting phenomena in roll presses using screw feed. In: Lakatos, I., (ed.) Progress in Mining and Oilfield Chemistry. Advances in Incremental Petroleum Production (Progress in Mining and Oilfield Chemistry, 5) Budapest: Akadémiai Kiadó, pp. 413-424. (ISBN: 963-05-810433).

3. Gluba, T., Antkowiak, W., 1988.: Effect of wetting on granule abrasion resistance.

Aufbereitungs Technik 2, p76-80.

4. Johanson, R. (1965). A rolling theory for granular solids. American Society of Mechanical Engineers 32, p842-848.

5. Kristensen, H.G., Holm, P., Schaefer, T., 1985.: Mechanical Properties of Moist Agglomerates in Relation to Granulation Mechanisms. Powder Technology 44, p227237.

6. Liu, J.P., Wang, Y.F., Zheng, X.X., et al., 2010.: The reuse of polyurethane wastes. New Chemical Materials, 38(12): 21-23.

7. Nielsen, N.P.K., Gardner, D.J., Poulsen, T., and Felby, C., 2009a.: Importance of temperature, moisture content, and species for the conversion process of wood residues into fuel pellets. Wood Fiber Sci 41 (4), p414-425.

8. Schubert, H., 1975.: Tensile strength of agglomerates. Powder Technology 11, p107119.

9. Stelte, W., Holm, J.K., Sanadi, A.R., Ahrenfeldt, J., and Henriksen, U.B., 2011b.: Fuel pellets from biomass: The importance of the pelletizing pressure and its dependency on the processing conditions. Fuel 90 (11), p3285-3290.

10. Stieß, M., 1997.: Mechanische Verfahrenstechnik 2. Springer Lehrbuch.

11. Tarján, I., Csőke, B and Faitli, J., 1999.: Investigation of airing out at compacting fine granular material. In: Lakatos, I., (ed.) Progress in Mining and Oilfield Chemistry.

Challenges of an Interdisciplinary Science. Budapest: Akadémiai Kiadó, pp. 275284. (ISBN: 963 05 76554).

12. Yanga, W., Dong, Q., Liu, S., Xie, H., Liu, L., Li, J., 2012.: Recycling and disposal methods for polyurethane foam wastes. Procedia Environmental Sciences 16, p167 175.

65

V. UTILIZATION OF LIGNOCELLULOSES

66

V/1. Monitoring the biological degradation of lignocelluloses by FT-IR spectrometry and multivariate data analysis Péter Áron Kiss1, RitaRákosa2, Zsolt István Németh2 1

University of Applied Sciences Wiener Neustadt, 32700 Wiener Neustadt, Johannes Gutenberg-Straße 2 Soproni Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Kémiai Intézet, 9400 Sopron, Bajcsy-Zs. u. 4. nemeth.zsolt@uni-sopron.hu

Abstract Lignocelluloses are the most abundant source of organic materials and have the potential as raw material for renewable energy production. The compact structure makes these materials more resistant to anaerobic degradation, therefore, a suitable pre-treatment method is needed to increase their biodegradability.

The aim of this study was to track the decomposition of the lignocellulosic waste materials using biological pre-treatment with brown rot fungi (Serpula lacrymans) and white rot fungi (Pleurotus ostreatus). Fourier transform infrared spectroscopy extended with total reflection device (FTIR-ATR) was applied to detection of chemical changes in pine (Pinus sylvestris) and oak (Quercus spp.) samples during decaying process. The FT-IR spectra of wood samples are complex due to the overlapping absorption of the main components. Therefore, after having executed data pre-processing techniques, the spectra were assessed by some methods of multivariate data analysis such as principal component analysis (PCA).

The effect of the fungal treatment was detectable after only 4 days of degradation. The results indicated that the fungal degradation of the oak samples was more effective than the degradation of pine samples, as well as that the degradation process caused by the white rot fungi was faster than the brown rot fungi. Performing PCA decomposition on the spectra was enabled to separation between soft- and hardwood samples and between mycelium of whiteand brown rot fungi. The separation of the samples is due to the change in the chemical composition of the wood. The discriminant analysis following PCA method revealed clear differences between the non-degraded and degraded wood samples, too.

1.Introduction Lignocellulosic biomass produced by plants is one of the renewable sources of sustainable development. Cellulose, hemicellulose and lignin are used in the production of paper, fibrous materials, textiles, various chemicals and renewable energy sources. Furthermore, there is a growing interest in the biogas- and bioethanol production [1]. However, in order to produce biodegradable biomass out of the lignocellulose, it is necessary to apply some pre-treatment method to them. The chemical structure of the lignocelluloses can be decomposed by targeted biodegradation- and/or bioconversion. Perhaps, the most suitable method for monitoring the biodegradation, are the spectrometric methods.

The effect of the biodegradation on wood samples was investigated in some recent studies by using Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy [2–4]. It was possible to study the time course of the decaying process and to predict the relative degree of delignification [2]. Another study [3] has demonstrated how effective the FT-IR method is in tracking the activity of wooddecay fungi over the course of time. However, the degradation process has never been monitored so far with the application of attenuated total reflectance (ATR) FT-IR spectroscopy.

In our study, hard- and softwoods were degraded by both white- and brown-rot fungi, respectively. The process of the degradation was monitored by ATR FT-IR spectrometry and 67

the multivariate data analysis of the measured spectra was carried out. The wood samples under degradation were measured for 8 weeks after the fungal exposure. The spectra in this timeinterval reflect the progress of the degradation.

2. Materials and methods The instrument, Shimadzu IRAffinity-1 FT-IR spectrometer was used for the measurements and it was equipped with the HATR 10 accessory kit. The spectra were recorded 68nt he midinfrared (MIR) region (4700 – 670 cm-1; scan: 49; resolution: 1 cm-1; apodization: HappGenzel; software: Irsolution 1.60). A background spectrum was actualized before each measurement, because of eliminating the instrumental drifts. “Instrumental drifts can be caused by variation in temperature inside the instrument and voltage fluctuations 68nt he electrical line powering the spectrometer [5].” The atmosphere corrected spectra were further analysed with the statistical software R. 2.1 Fungi Samples Two kinds of fungi, brown-rot fungi (Serpula lacrymans) and white-rot fungi (Pleurotus ostreatus) were used 68nt he experiment and were grown on top of malt extract agar plates, in petri dishes. The inoculation was done in a sterile environment. Afterwards, the samples were stored in an acclimatized chamber for 2 weeks, to grow sufficiently. The wood samples were placed into the petri dishes only after the sufficient mycelia have developed.

2.2 Wood Samples Soft- and hardwoods have significant differences in their chemical composition. Therefore, this research investigates both of them. Pine (Pinus sylvestris) samples were chosen to represent the softwood and oak (Quercus spp.) samples as hardwood. The extent of the samples was approximately 8 x 2 x 0.3 cm and 72 samples were measured for each wood type. Each wood sample was measured before and after the biodegradation. The wood samples measured before the fungal treatment are considered as the reference samples, and the wood samples measured after the decaying are called the degraded samples.

2.3 Spectrum data pre-treatment The atmosphere corrected spectra were analysed with the statistical software R. Firstly, the spectra were smoothed with the Savitzky-Golay (SG) filtering where the optimal movingwindow size was determined by a grid search. At next, the second-order derivative spectra were calculated, in order to remove the curvatures and trends from the data. At last, the scatter correction (standard normal variate – SNV) of the spectra was calculated and the principal component analysis (PCA) of the SNV corrected spectra was done. The optimal number of principal components was calculated using the MCD-indices [8].

3. Results Lignocellulosic materials like wood are full of infrared-light absorbing macromolecules and functional groups. Among them the most characteristic are the stretching- and bending vibrations of the hydroxyl- (OH), carbonyl- (C=O), carboxyl- (-COOH) and the ester (-COOC-) groups [6]. A characteristic spectrum of the wood is depicted in Figure 1 in the fingerprint region of IR light absorption.

68

Figure 1. Absorption peaks in fingerprint region â&#x20AC;&#x201C; wood spectrum Table 1: Assignment of major absorption IR spectra peaks in wood forming tissue [6] Wavenumber (cm-1) Band assignment 1739 C=O stretching in unconjugated ketone C=O stretching vibration in conjugated carbonyl of 1640 lignin 1510 Aromatic skeletal vibration 1457 CH2 deformation stretching in lignin and xylan Aromatic skeletal combined with C-H in-plane 1425 deforming and stretching 1371 Aliphatic C-H stretching in methyl and phenol OH C1-O vibrations in S derivatives, CH in-plane bending 1320 in cellulose I and cellulose II Syringyl ring breathing and C-O stretching in lignin 1267 and xylan C-O-C asymmetric stretching in cellulose I and 1160 cellulose II 1059 C-O stretching vibration (cellulose and hemicellulose) C-O stretching vibration (cellulose , hemicellulose 1034 and lignin) 897 C1 vibration The primary spectra of reference and degraded wood samples are shown in Figure 2. The relevant deviations of the intensities in the primary spectra are due to the stochastic fitting of wood samples to ZnSe sample holder. These deviations were eliminated by application of data pre-treatment. The input spectrum set in our principal component analysis (PCA) contained SG, second-order derivative, SNV transformed spectra.

69

Figure 2. Spectra of the reference wood samples (left) and spectra of the degraded wood samples (right) 3.1 Sample positions in absorbance space Let us imagine a multidimensional absorbance space that is built up by unique wavelengths of the spectra. In this space, the spectrum of the sample, that is, the sample itself appears as a point the coordinates of which are determined by absorbance values of the spectrum. In case of the alterations of the light absorption, the sample point will move in this absorbance space. The displacement of the sample point will determine a specific path. The distance of two points in such a path necessarily reflects the alterations occurred in the light absorption of the sample.

The farther are the sample points from each other, the more significant is the progression in biodegradation of the wood. Afterwards, let us consider some hypothetical spectra (Figure 3) modelling the absorbance alterations during the biodegradation of wood.

Figure 3. Sample positions in absorbance space of the spectra Chose two wavenumbers from the spectra. Suppose that the absorbances were mainly influenced by the fungus at the first (Îť1) and by the wood at the second (Îť2). The absorbances at these two wavelengths determines a coordinate system in which the samples (1., 2., â&#x20AC;Ś, 6.) appear as their own points. The multidimensional path of the sample can also be produced from PCA decomposition of the spectra where the score matrix includes the coordinates of the path points in the space of the principal components. The first two principal components are also 70

determines a coordinate system in which the positions of the sample points are similarly interpreted as it is outlined in the model example before.

3.2 PCA decomposition The PCA was applied to the spectral input matrix. The PCA projects the sample points from the multivariate space of absorbances into the space of new latent variables, called principal components. The principal components are ordered by the descending values of their explained variances, that is, the majority of the useful information is stored in the first few principal components. Therefore, PCA is an ideal method to reduce the dimensionality of the data, and it is commonly applied in the spectrometry [7].

Figure 1. PCA transformation of the infrared spectra The optimal number of principal components was determined by the application of the MCDindices [8]. The formula of the PCA decomposition is displayed in Figure 4, where X is the matrix of the spectra, acquired at different degradation states. P is a transformation matrix, which defines the axes of the principal components. The matrix T contains the coordinates of the samples 71nt he multivariate space defined by matrix P. Correlating the column vectors of the T score matrix to each other produces the so-called score plots. Score plots provide information about the position of the light absorbing points of the wood samples relative to each other 71nt he coordinate system defined by the first two principal components.

Furthermore, the matrix T contains information about the distances between samples. The significance of these distances confirms, whether the FT-IR spectrometry is an ideal tool for tracking the biodegradation, or not.

3.3 PCA of the reference wood spectra At first glance, the spectra of soft- and hardwoods are not different from each other. However, the PCA score matrix shows significant differences between the wood species and allows a perfect isolation (Figure 5). After proper data preparation, the first two principal components explain 87% of the total variance.

71

Figure 5. Score plots of the reference wood spectra 3.5 PCA of the degraded wood samples It was investigated whether there is a difference between the reference- and the degraded wood samples or not. The dataset was split into two parts (training ~ 70% and test ~ 30 %). The principal component decomposition was performed 72nt he training dataset of the reference wood samples. The test set of the reference samples and the training- and the test sets of the degraded samples all were projected into the subspace of the PCA model.

Figure 6. Reference- and degraded samples After suitable data pre-processing, the separation between the reference- and degraded spectra of the PCA score matrix was significant. As displayed in Figure 6, the first two principal components provided enough information to distinguish the degraded and reference spectra from each other.

3.6 Monitoring of the Decaying Process The spectral range was reduced to 1780-860 cm-1. The difference spectra of the wood samples were calculated, and the PCA decomposition of the difference spectra was performed. The 72

score plot of the first two principal components provided information about the chemical changes during the treatment. Three samples were measured at all degradation states. Only the mean value of each measurement is visualised 73nt he Figures 7 and 8. The first two principal components are only displayed because the score plots of further principal components were 73nt he informative and provided no additional information. In general, oak samples have much clearer trends, and they can be detected as approximately diagonal lines 73nt he score plots. However, the trends have some outliers and some error effects can disturb the arrangement of the points. The 4th measurement of the degraded oak samples under brown-rot is an outlier. The order of the points is often not correct. However, an increasing trend can be clearly observed. The oak samples degraded with white-rot fungi have the clearest trend.

However, the points of the third and fourth measurements are not following the trend line. The score plots of the pine samples are not so informative. There is no trend detected 73nt he score plot of the pine samples degraded with brown-rot. The score plot of the pine-white-rots show the following groups: 1, 2 – 3, 4, 7, 5 – 8. Measurement 6 is an outlier. The points indicating the measurements are very close to each other. The 8th measurement is the furthest from the others. This indicates that the biggest changes happened between the 7th and 8th measurements.

The irregularities 73nt he trends can feed back to more reasons. Firstly, the speed of the degradation is not equivalent among the samples. Soft- and hardwoods react differently to the same treatment, which is confirmed by multiple resources [9, 10]. Secondly, that the degradation of the wood samples is uneven. The same sample can have regions, which are not degraded and regions where the degradation is in an advanced state. Measuring slightly different parts of the same sample can cause different score values. Additionally, the variability of the water content has a disturbing effect 73nt he trend.

Figure 7. Spectral changes during the decaying process – oak samples (the numbers reference the order of the measurement)

Figure 8. Spectral changes during the decaying process – pine samples (the numbers reference the order of the measurements) 73

4. Conclusion To sum up, the ATR FT-IR spectrometry has been established to be an effective tool in the monitoring of the biodegradation of lignocellulosic materials. The discrimination of the wood sample can be accomplished on the basis of spectral data. However, the variability of the sample-crystal contact and the inhomogeneity of the surface properties cause scattering in the point positions in the space of the principal components. These distortions can be compensated effectively but not completely by using suitable data preparation strategies. The results of the monitoring suggest that the determination of an optimal pre-treatment time can be determined by the ATR FT-IR spectroscopy.

Acknowledgement The described work/article was carried out as part of the „Sustainable Raw Material Management Thematic Network – RING 2017”, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 project in the framework of the Széchenyi2020 Program. The realization of this project is supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund.

References [1] S. Achinas, V. Achinas, and G. J. W. Euverink, A technological overview of biogas production from biowaste, Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 299–307, Jun. 1, 2017, issn: 20958099. doi: 10.1016/J.ENG.2017.03.002.

[2] M. Schwanninger, B. Hinterstoisser, C. Gradinger, K. Messner, and K. Fackler, Examination of spruce wood biodegraded by ceriporiopsis subvermispora using near and mid infrared spectroscopy, Journal of near infrared spectroscopy, vol. 12, no. 6, pp. 397–409, 2004, issn: 1751-6552.

[3] K. Fackler, J. S. Stevanic, T. Ters, B. Hinterstoisser, M. Schwanninger, and L. Salmén, Localisation and characterisation of incipient brown-rot decay within spruce wood cell walls using FT-IR imaging microscopy, Enzyme and microbial technology, vol. 47, no. 6, pp. 257– 267, 2010, issn: 0141-0229 [4] K. K. Pandey and A. J. Pitman, FTIR studies of the changes in wood chemistry following decay by brown-rot and white-rot fungi, International Biodeterioration & Biodegradation, vol.

52, no. 3, pp. 151–160, Oct. 1, 2003, issn: 0964-8305. doi: 10.1016/S0964-8305(03)00052-0.

[5] Brian C. Smith, Proper use of spectral processing, in Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 2nd Edition, CRC press., 2011, pp. 55–87.

[6] J. Shi, D. Xing, and J. Lia, FTIR studies of the changes in wood chemistry from wood forming tissue under inclined treatment, Energy Procedia, 2012 International Conference on Future Energy, Environment, and Materials, vol. 16, pp. 758–762, Jan. 1, 2012, issn: 18766102. doi: 10.1016/j.egypro. 2012.01.122.

[7] A. L. Pomerantsev, Classification, in Chemometrics in Excel, John Wiley & Sons, 2014, pp.

198–229.

[8] Z. I. Németh and R. Rákosa, Detectability of concentration-dependent factors by application of PCA. An indicator curve for the determination of important principal components and a post-correction for transformation of principal components to factors, Journal of Chemometrics, n/a–n/a, 2018, issn: 1099- 128X. doi: 10.1002/cem.2998.

[9] M. Couturier, D. Navarro, D. Chevret, B. Henrissat, F. Piumi, F. J. Ruiz- Dueñas, A. T. Martinez, I. V. Grigoriev, R. Riley, and A. Lipzen, Enhanced degradation of softwood versus hardwood by the white-rot fungus pycnoporus coccineus, Biotechnology for biofuels, vol. 8, no. 1, p. 216, 2015, issn: 1754- 6834.

[10] R. A. Blanchette, T. Nilsson, G. Daniel, and A. Abad, Biological degradation of wood, in, ACS Publications, 1990.

74

75

V/2. Agglomeration of various biomasses Quyen V. Trinh, Sándor Nagy Institute of Raw Material Preparation and Environmental Processing, University of Miskolc, H3515 Miskolci Egyetemváros, Miskolc, Hungary Corresponding author: trinhquyennd@gmail.com Abstract The use of biomass is a good option for domestic heating systems and power plants to reduce net CO2 emissions. Agglomeration of biomass, such as tableting, can increase bulk density, improve storability, reduce transportation costs and increase the quality of products. The purpose of this study is to describe the compressibility of various biomasses by the Johanson equation at the same production conditions. Acacia mangium, beech and spelt chaff biomass were compressed in a load cell by a hydraulic piston press with 25 mm diameter. Applied pressure range were 50 to 300 MPa. The Johanson equation was fitted in the case of each biomass, spread deviation values were calculated and evaluated. The breaking strength of tablets were determined by falling tests.

Keywords: agglomeration, tableting, compressibility, biomass.

1. Introduction The agglomeration is the opposite process of comminution. Agglomeration is the mechanical process when the particle size of solid disperse materials (bulk materials, fine particles of slurry) are increased by bonding forces between the particles (Pietsch 1991). Processes of agglomeration include pressure agglomeration, growth agglomeration and sintering (Tarján 1986). Other process parameters might influence the result of agglomeration too. Csőke et al.

(2000) and (2003) investigated the effect of different feed methods (screw feed and gravity feed) on compacting. Another serious issue is the de-airing, because if the outflow of the displaced air from the agglomerated particles is too intense, that might break down the newly formed briquettes (Tarján et al. 1999).

Different approaches have been taken in order to calculate the connection between applied pressure and agglomerate density.The Johanson equation (1965) can take two forms: *=pP*1/ ; FFo=V0V (1) where κ is compressibility factor, ρ is agglomerate density, p is tabletting pressure, F is tabletting force, V is tablet volume, and p*, ρ*, Fo, Vo are reference values (if surface perpendicular to force and mass of tablet are constant) (Stieß 1997).

Liu and Wassgren (2016) modified the Johanson model for improved relative density predictions P Pinitial=initial (2) where ηinitial is the inlet relative density, Pinitial is the corresponding pressure according to the fit data; η is the powder’s relative density.

Walker reported a series of an experiment on the compressibility of powder. He expressed the volume ratio V as a function of applied pressure P: V=a1-K1lnP (3) where a1 and K1 are constants (Adapa et al. 2009; Walker 1923).

76

2. Materials and methods 2.1. Materials 2.1.1. Spelt chaff Biomass pellets made from spelt chaff were used industrial and household. Therefore, spelt chaff was being selected as the raw material for our experiments. It originated from SzendrĹ&#x2018;, Hungary (Natur Gold Farms Ltd.). It was dried and then ground using a cutting mill (Retsch SM2000) in one step (screen size 2 mm). The moisture content of spelt chaff biomass (x < 1.6 mm) was determined as 5.3 wt.% and bulk density of 193 kg/m3. Raw material spelt chaff can be seen in Figure 1. It can be observed that spelt chaff is a homogeneous material and regular particle shape with elongated form.

Figure 1. Spelt chaff with particle size < 1.6 mm; (left) optical camera; (right) optical microscope: Zeiss AXIO Imager.M2m 2.1.2. Beech sawdust Tablets made from beech sawdust will be useful to the beech biomass industry. Thus, beech sawdust was chosen as the raw material for our experiments. It was originated from Miskolc, Hungary (Borsodwood Ltd.). It was dried and then ground using a cutting mill (Retsch SM2000) in one step (screen size 2 mm). The biomass was stored at room temperature (25°C), in closed plastic bags. The moisture contents and bulk density of beech biomass were determined to be 5 wt.%, 260 kg/m3 (particle size < 1.6 mm).

The raw material of beech sawdust can be seen in Figure 2. It can be observed that beech sawdust is a homogeneous material and regularly shaped particle with rectangular prism form.

Figure 2. Beech sawdust with particle size < 1.6 mm; (left) optical camera; (right) optical microscope: Zeiss AXIO Imager.M2m 77

2.1.3. Acacia mangium sawdust TheA. mangium is a potential and suitable source as a raw material for the production of particleboard with excellent dimensional stability (Korai and Nigel 2000; Nadhari et al. 2014).

Therefore, an 8-year old A. mangium was chosen as the raw material for our experiments. It was obtained from Quang Ninh province, Vietnam.

In the case of the one month seasoned wood, it was comminuted by a cutting mill (Retsch SM2000) in one step (screen size 2 mm). Biomass was stored at room temperature (25°C), in closed plastic bags. The moisture contents and bulk density of A. mangium biomass were determined to be 5.3 wt.%, 133 kg/m3 (x < 1.6 mm). Raw material. A. mangium sawdust is shown in Figure 3. It can be observed that A. mangium sawdust of one month seasoned wood is a homogeneous material and regularly shaped particle with elongated form.

Figure 3. A. mangium sawdust (x < 1.6 mm); (left) optical camera; (right) optical microscope: Zeiss AXIO Imager.M2m 2.2. Methods 2.2.1. Hydraulic piston press.The hydraulic piston press (Figure 4) was designed by the University of Miskolc. The press is supported by a pump motor unit with a pressure limiter and a heatable load cell (20-140°C). The maximum force is 200 kN, and the maximum velocity of the piston feedrate is 30 mm s-1. The measuring of the piston position is done with an incremental encoder.

Figure 4. Hydraulic piston press 78

2.2.2. Experimental procedure The hydraulic piston press with 25 mm diameter was used for our test and each tablet was made by the compression of 3 g sawdust. Applied pressures on the surface of tablets were 50, 100, 150, 200, 250 and 300 MPa, temperature of 100°C and moisture content of 5 wt.%.

The quality of tablets can be described easily by their density. The diameters and heights of the tablets product were measured by Vernier caliper (a tablet can be extended after agglomeration). The mass was measured and density was calculated for each test. The minimum height of tablets under pressure was measured by the incremental distance measurement method.

The determination of tablet strength was carried out by the well-known falling test method.

Tablets were released by freefall from a height of 2 m onto a concrete floor repeatedly until they broke. The falling number is the number of falls the sample survived undamaged. In each experiment three tablets were tested.

Raw material particles was investigated with an optical microscope Zeiss AXIO Imager.M2m.

3. Results and discussion. Tablet density and tablet strength of tablets were determined in our investigations.

3.1. Tablet density and compressibility Tablets produced by processes with the same parameters and various materials are shown in Figure 5. The tablet density values are recorded as an average of three measurements with particle size < 1.6 mm.

Figure 5. Tablets made from various materials Figure 6 shows the pressure, density values and the fitted Johanson curves in the case of different materials and the same produce conditions. Table 1 shows the constants of the fitted curves and coefficient of determination (R2), residual mean square (Ď&#x192;) and spread deviation values (Vs) of fitted the Johanson equations are calculated and all the sample have valued less than 4.4 %.

79

Figure 6. Compressibility data for various materials with the same production conditions Tablets compressed at higher pressure have a higher density. If the same production conditions, tablets made from beech sawdust resulted in the highest density values, while tablets made from spelt chaff has the lowest density values. Tablets made from A. mangium have higher density than those made from spelt chaff raw material. For instance at 200 MPa tablet densities: 1341 kg/m3 (beech sawdust), 1136 kg/m3 (A. mangium) and 1058 kg/m3 (spelt chaff).

The reason for that could be the cellulose content effect on the compressibility of materials, an increasing cellulose content resulted in higher tablet densities. Raw materials with smaller cellulose content will have lager porosity (Harmsen 2010; Karimi 2013).

Table 1. Constants of Johanson’s equation ρ=ap1/κ for various materials with the same produce conditions

Type materials

of

Constant a

Beech sawdust

503.117

A. mangium

636.625

Spelt chaff

Constant κ

Spread deviation: Vs Coefficient of determination: R2 Residual mean square: σ

5.500

R2 = 0.940; σ = 0.001; Vs =2.9 %

9.099

R2 = 0.828; σ = 0.001; Vs =3.1 %

3.848

R2 = 0.928; σ = 0.002; Vs =4.4 %

276.877

3.2. Tablet strength Falling number values in the case of tablets made from different materials and the same produce conditions (temperature of 100°C, moisture content of 5 wt.%, particle size < 1.6 mm, a weight of sample 3 g and a compression time of 2 seconds) are shown in Figure 7. The falling number of tablets made from A. mangium have the highest value and those made from spelt chaff have the lowest value. For instance the falling number value at 200 MPa: 20.3 (A. mangium), 8.0 (beech sawdust), 3.0 (spelt chaff). The reason for this may be lignin content of 80

material effects on tablets strength.

Figure 7. Falling number of tablets made from various materials with the same production conditions (x < 1.6 mm; T = 100°C; m = 3g; MC = 5 wt.%) 4. Conclusions This paper has presented tools and methods to evaluate the effect of various materials on tablet density. The description of the processes is essential to be able to determine the optimal material and production parameters.

The applied Johanson functions describe the processes well. Experiments found that if temperature, moisture content and particle size are kept constant, increasing pressure results in higher density of tablets.

The effect of various materials were also identified: tablets made from beech sawdust have higher density than those made from A. mangium and spelt chaff. While tablets made from A. mangium have higher strength than those made from beech sawdust and spelt chaff.

The experimental method can be used for other materials as well to find the optimal conditions of pressure and material during agglomeration.

The determination of components of biomass (for example: lignin, cellulose and hemicellulose) are to be studied in a further work.

Acknowledgements The described article was carried out as part of the “Sustainable Raw Material Management Thematic Network – RING 2017”, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 project in the framework of the Széchenyi 2020 program. The realization of these projects is supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund.

References 1. Adapa, P.K., Tabil, L.G., Schoenau, G.J., 2009.: Compression Characteristics of Selected Ground Agricultural Biomass. Agricultural Engineering International. The CIGR Ejournal, manuscript 1347, Vol. XI. 2. Csőke, B. et al. 2000.: Experimental investigation of compacting in roll press with gravity and screw feed. In: Lakatos, I., (ed.) Progress in Mining and Oilfield Chemistry.

Novelties in Enhanced Oil and Gas Recovery. Budapest: Akadémiai Kiadó, pp. 24181

254. (ISBN: 963 05 7724 0).

3. Csőke, B and Faitli, J., 2003.: Experimental study of the compacting phenomena in roll presses using screw feed. In: Lakatos, I., (ed.) Progress in Mining and Oilfield Chemistry. Advances in Incremental Petroleum Production (Progress in Mining and Oilfield Chemistry, 5) Budapest: Akadémiai Kiadó, pp. 413-424. (ISBN: 963-05-810433).

4. Harmsen, P., 2010.: Literature Review of Physical and Chemical Pretreatment Processes for Lignocellulosic Biomass. Wageningen UR, Food & Biobased Research.

5. Johanson, J. R., 1965.: A rolling theory for granular solids. American Society of Mechanical Engineers 32, p842-848.

6. Karimi, K., Shafei, M., and Kumar, R., 2013.: Progress in physical and chemical pretreatment of lignocellulosic biomass. In Biofuel Technologies, V. K. Gupta and M. G. Tuohy, Eds., p53-96, Springer, Berlin, Germany.

7. Korai, H., Nigel, T.P., 2000.: Properties of Acacia mangium particle board II, in: Paper Presented at the Proceedings the Fourth Pacific Rim BioBased Composite Symposium., Bogor, November 2-5, p189-194.

8. Liu Y., Wassgren C., 2016.: Modifications to Johanson’s roll compaction model for improved relative density predictions. Powder Technology 297, p294-302.

9. Nadhari, W.N.A.W., Hashim, R., Hiziroglu, S., Sulaiman, O., Boon, J.G., Salleh, K.M., Awaludin, M.F., Sato, M., Sugimoto, T., 2014. Measurement of some properties of binderless composites manufactured from oil palm trunks and Acacia mangium.

Measurement 50, p250-254.

10. Pietsch, W., 1991.: Size Enlargement by Agglomeration. John Wiley & Sons Ltd, p115.

11. Stieß, M., 1997.: Mechanische Verfahrenstechnik 2. Springer Lehrbuch.

12. Tarján, G., 1986.: Mineral Processing (Volume II). Akadémiai Kiadó, Budapest, p.606.

13. Tarján, I., Csőke, B and Faitli, J., 1999).: Investigation of airing out at compacting fine granular material. In: Lakatos, I., (ed.) Progress in Mining and Oilfield Chemistry.

Challenges of an Interdisciplinary Science. Budapest: Akadémiai Kiadó, pp. 275284. (ISBN: 963 05 76554).

14. Walker, E. E., 1923.: The Properties of Powders-Part VI: The compressibility of powder. Transactions of the Faraday Society 19, p73-82.

82

83

VI. TELEPÜLÉSI SZILÁRDHULLADÉK (TSZH), MINT MÁSODLAGOS NYERSANYAGFORRÁS

84

VI/1. Új mechanikai feldolgozó technológia vegyesen gyűjtött települési szilárd hulladékok előkészítésére Faitli József1, Csőke Barnabás2, Romenda Roland3, Nagy Zoltán4, Németh Szabolcs5 1

docens, 2emeritus professzor, 3PhD hallgató, 4CEO, projektvezető, 5főtervező Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet123 3B Hungária Kft., Zalaegerszeg45 Hungary, 3515 Miskolc - Egyetemváros, ejtfaitj@uni-miskolc.hu Absztrakt 2016-ban a 3B Hungária Kft. a Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetével, - mint tudományos partnerrel - közösen egy projekt megvalósításába kezdett, amelynek az a távlati célja, hogy a Nyugat magyarországi régióban nullára csökkenjen a kommunális hulladékok (TSZH) lerakási aránya. Ennek az ambiciózus célnak az első lépése egy mechanikai feldolgozómű (60000 t/év) tervezése és építése volt, amely hazánk első majdnem teljesen hazai fejlesztésű és gyártású ilyen üzeme. A technológia fő elemei a zsákfeltépő, a dobszita, a kalapácsos előaprító shredder, az új fejlesztésű KLME (kombinált légáramú mágneses és elektromos) szeparátor, NIR válogató berendezések és az utóaprító, amely az egyetlen nem magyar gyártású gép. Az üzem fő kimenetei az un. biofrakció, amely még lerakásra kerül a fejlesztés első ütemében. Anyagában történő hasznosításra kerül a Fe, Al, PET és PVC, ill. energetikai hasznosításra az RDF (másodlagos tüzelőanyag). A tanulmány az üzem beüzemelésével és a technológia eljárástechnikai vizsgálatával foglalkozik.

Keywords: KLME szeparátor, vegyesen gyűjtött települési szilárd hulladék (VTSZH), szétválasztási hatásfok, kalapácsos shredder, rotoros nyírógép Bevezetés A modern életstílus velejárója a háztartási hulladékok keletkezése. Amennyiben szeretnénk az életszínvonalunkat fenntartani vagy esetleg még fejleszteni is ezt csak úgy tehetjük meg, ha a hulladékgazdálkodásunk is fenntartható. Az EU irányelvei szerint („Roadmap to a Resource Efficient Europe, EC, 2011” és a „Waste Framework Directive, EU 2008”) a hulladékok lerakása a hulladékgazdálkodási piramis legalján helyezkedik el, azaz ez a legkevésbé preferált kezelési megoldás. Jelenleg már az un. száraz, vagy nem szennyezett TSZH komponensek szelektíven kerülnek begyűjtésre, azaz teljesen elkülönül a begyűjtésük és a kezelésük, feldolgozásuk a vegyesen gyűjtött hulladékáramtól (Rada et al., 2009). Még a fejlett országoknak is szembe kell nézniük a hosszú távon folyamatosan keletkező vegyes TSZH anyagárammal, még akkor is, ha fejlett elkülönített gyűjtési rendszereket üzemeltetnek (Aich and Ghosh 2016). A társadalmi, természeti és gazdasági körülmények régióról – régióra igen változatosak lehetnek, ezért a kedvező hulladékgazdálkodási megoldások is eltérőek minden helyi közösség számára (Hanc et al. 2011; Montejo et al. 2011). Az 1. ábra az európai hulladékgazdálkodás történelmi fejlődését mutatja (Pomberger et al., 2017).

85

1. ábra. Az EU tagállamainak fő TSZH kezelési módjai 1995-ben és 2014-ben (Pomberger et al., 2017).

Az 1. ábra két úgynevezett háromszög diagramot mutat. A háromszög egy-egy szárán a három alapvető hulladékkezelési opció (lerakás, égetés, komposztálás - újrahasznosítás) százalékos aránya van ábrázolva. Természetesen ezek összege egy adott pontban 100 %. Az országok nagy része1995-ben még főleg lerakással kezelte a kommunális hulladékokat, néhány ország pedig kb. 30 – 30 % égetést és komposztálás – újrahasznosítást alkalmazott. 2014-re jelentős fejlődés következett be számos helyen, az országok három jellemző csoportra szakadtak. Az országok egy csoportja („lerakó országok”) még mindig közel 100 %-ban a lerakást alkalmazta. Az un. fejlődő országok, köztük Magyarország már kb. 30 %-ra tudta a komposztálás – újrahasznosítás arányát felemelni és kb. 60 %-ban lerakott és 10 %-ban égetett. Ezt követően az EU egy még koncepciózusabb tervet dolgozott ki (Directive 2008/98/EC, 2015/0275 COD), amely szerint 2030-ra a kommunális hulladékok lerakással történő kezelését 10 % alá, míg a komposztálás – újrahasznosítás arányát pedig 65 % fölé szeretné növelni. Ez még az un. fejlett országok számára is jelentős kihívás nem beszélve a „fejlődőkről” és a „lerakókról”.

A jelenlegi hazai helyzet szerint, még kb. 50 % a lerakás aránya, azonban jelentős fejlődés történt az utóbbi időkben. Több mint 3000 régi lerakó, - amelyek nagy része nem rendelkezett műszaki védelemmel – bezárásra és rekultiválásra került és néhány korszerű regionális lerakó épült. Jelentősen fejlődött a hulladékbegyűjtés is, most az a jellemző, hogy a településeken van házhoz menő elkülönített gyűjtés, amikor a csomagolóanyagokat, vagy a „száraz” anyagokat és a zöld hulladékokat szelektíven gyűjtik be és kezelik. Ezen kívül néhány speciális anyagáram, mint pl. az üveg, elem-akkumulátor, stb. begyűjtése főleg gyűjtőpontokon és szigeteken történik. Az is általánosan jellemző, hogy a konyhai hulladékok a vegyesen gyűjtött (VTSZH) anyagáramba kerülnek. Kb. 8-12 évvel ezelőtt intenzív kutatások kezdődtek a vegyesen gyűjtött kommunális hulladékok mechanikai – biológiai kezelésével kapcsolatban (Bokányi et al., 2017; Leitol, 2017). Ezt követően mégis jellemzően mechanikai – fizikai VTSZH feldolgozó művek épültek, jelenleg 26 ilyen található az országban (Leitol, 2017). Ezek közül Győrben és Pécsett kezelik az un. bio frakciót aerob biológiai lebontással. A hazai mechanikai – fizikai VTSZH feldolgozó művek tipikus technológiáját mutatja a 2. ábra.

86

2. ábra. A hazai mechanikai – fizikai VTSZH feldolgozó művek tipikus technológiai törzsfája.

A 2. ábra nem csak a technológia törzsfáját, hanem a termékek jellemző kihozatalait (nedves tömeg %-ban) is mutatja. Első lépésben általában valamilyen rotoros nyíró – tépő géppel történik a zsákok felbontása és az előaprítás. Ezt követően a dobszita leválasztja, az un. biofrakciót (dobszita finom terméke). A dobszita lyuknyílásának a helyes megválasztása alapvető fontosságú, jellemzően 50 – 100 mm közötti. Számos esetben már meglévő berendezésen is cserélték a szitabetétet, ha nem vált be a tervezett. A bio-frakció jelentős anyagmennyiséget jelent (50 – 70 %) és ezt még többnyire lerakják. Napjaink kihívása a hazai hulladékgazdálkodásban dolgozók számára a bio-frakció kezelésének korszerűbb megoldása, energiatartalmának kinyerése. Győrött és Pécsett a bio-frakció aerob kezelése történik, amely előnyös, mert csökken a lerakásra kerülő anyagáram tömege, a stabilizált anyag kezelése a lerakón könnyebb és a szén átalakításának az eredménye a CO2 a metán helyett, ami kedvezőbb a környezetre nézve, mivel kisebb az üvegházhatása. Mindezek mellett azonban az aerob kezelés jelentős hátránya az, hogy a felszabaduló energia a környezetet melegíti, nem kerül hasznosításra. A hazai mechanikai – fizikai VTSZH feldolgozó művek legfontosabb terméke az RDF (másodlagos tüzelőanyag), azonban a jelenlegi égető kapacitás kisebb, mint a termelt mennyiség. Közelben lévő cementgyárban előnyös a termikus hasznosítás, azonban gyakran nagy távolságból is a Mátrai Erőműbe szállítják az RDF-et a lignittel történő együttégetés céljából. A nagy szállítási távolság nyilvánvalóan nem előnyös. A tanulmányt készítő konzorcium jelenleg intenzív kutatómunkát folytat a helyben előkészített bio-frakció és RDF közös és lokális termikus hasznosítására. Egy másik általános jellemzője a hazai VTSZH gazdálkodásnak, hogy az anyagában való hasznosítás csekély mértékű. Ennek még az elsődleges oka az, hogy nem épült ki felvevő piac a vegyes kommunális hulladékokból kinyert anyagok feldolgozására. Jellemző az, hogy pl. Miskolcon (Hejőpapi) a légáramkészülék után beépített kézi válogató kabinban nem válogatnak le semmit, mert nem tudják értékesíteni.

Néhány anyag, pl. Al, Fe, PET kinyerése és értékesítése azonban már néhány helyen megvalósul. Jellemző még a PVC kinyerése azért, hogy az RDF kielégítse a tüzelési követelményeket. Amennyiben Magyarország szeretné a 2030-ig megfogalmazott EU célkitűzést teljesíteni, mind a VTSZH feldolgozás technológiáját mind pedig a kinyert anyagok későbbi feldolgozását, piacát fejlesztenie kell. A légáramkészülékek nehéz terméke az un. inert anyagok ma még jellemzően szintén lerakásra kerülnek, azonban a későbbi hasznosításuk az építőiparban lehetséges lehet.

A zalaegerszegi önkormányzat a régió kommunális hulladékgazdálkodásának a fejlesztését tűzte ki célul. Jelenleg a területen keletkező vegyesen gyűjtött kommunális hulladékok 100 %-a 87

egy korszerű lerakóba kerül. Ezzel szemben a célkitűzés 0 % lerakás távlati célt vizionál. Egy konzorcium alakult, amelynek a vezetője a gép- és technológiagyártó 3B Hungária Kft., a tudományos partner a Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézete a közszolgáltató cég pedig a Zala-Müllex Kft. A célkitűzés megvalósításának első üteme egy hazai gyártású és fejlesztésű VTSZH feldolgozómű építése (Faitli et al., 2018).

Anyagok és módszerek Mielőtt egy hulladékfeldolgozó technológiát megtervezünk, a keletkező anyagokról minőségi és mennyiségi információ szükséges. Három mintavételezési kampányt folyattunk le a régióban. A méréseket az MSZ 21420-as szabvány 28 és 29-es fejezeteinek az iránymutatása alapján végeztük el, azonban egy sokkal részletesebb mérési protokollt alkalmaztunk, amikor 5 méretfrakció mindegyikére megelemeztük az anyagi összetételt. 2016. október 10-14-én öt, 2018. január 8-15-én tizenhét és 2018. március 5-12-én másik tizenhét gyűjtőjárművet választottunk ki a mintavételre. Minden esetben képeztük a kb. 500-800 kg minimális tömegű átlagmintát és gépi szitálással (mobil dobszitagép), kézi szitálással és egyidejű kézi válogatással, kézi mintakisebbítéssel és 105 °C-on történő szárítással határoztuk meg az anyagösszetételt. Az 1. táblázatban bemutatott összetétel egy olyan átlagosított összetétel, amely a tervezés kiindulási alapjául szolgált.

1. Táblázat. A területen begyűjtött VTSZH jellemző száraz összetétele.

A táblázat oszlopaiban (függőlegesen) a méret szerinti összetétel látható. Az elemzéshez egy un. „2-es“ szitasort alkalmaztunk, és minden szitálást mintakisebbítés követett. A mintavételei nomogram szerint, mindig csak a minimálisan szükséges anyagmennyiséget dolgoztuk fel minden szitasíkon. Egy – egy méretfrakció anyagösszetétele vízszintesen látható. Az elemzett anyagkategóriák és alkategóriák a következők voltak: 1. BIOLÓGIAILAG LEBOMLÓ HULLADÉK. 1a. élelmiszer ehető része. 1b. élelmiszer nem ehető része. 1c. nem szétbontott élelmiszer (mix). 1d. egyéb bio; 2. PAPÍROK; 3. KARTONOK; 4. KOMPOZITOK; 5.

TEXTÍLIÁK; 6. HIGIÉNIAI HULLADÉKOK; 7. MŰANYAGOK. 7a. 2D, fóliák. 7b. PET, 7c. 3D műanyagok; 8. NEM OSZTÁLYOZOTT ÉGHETŐ HULLADÉK; 9. ÜVEGEK; 10.

FÉMEK. 10a. Fe, 10b. Alumínium. 10c. Réz; 11. NEM OSZTÁLYOZOTT ÉGHETETLEN 88

HULLADÉKOK, MÁS NÉVEN INERT; 12. VESZÉLYES HULLADÉKOK; 13. KIS SZEMCSEMÉRETŰ HULLADÉK (FINOM HULLADÉK) (<20 mm); 14. IDEGEN ANYAG. Minden egyes méretfrakció, minden anyagkategóriája esetén még külön leválogattuk a csomagoló anyagokat is.

A 3. ábra a mintavételi kampányok eredménye alapján megtervezett technológia folyamatábráját mutatja. Alapelvében a technológia követi a 2. ábrán bemutatott jellemző hazai technológiát, azonban új elemeket is tartalmaz, ill. részleteiben sok helyen eltér attól. Az első mindjárt az előaprító kérdése. Általánosan egyrotoros tépőgépeket (shredder) alkalmaznak előaprításra, azonban ennek két jelentős hátránya is van. Egyrészt jelentős energiaigénye van, mert a teljes anyagáramot aprítja, másrészt a vas és műanyag szemcsék jellemzően összenőnek, ami a későbbi vasfeldolgozást jelentősen megnehezíti. A 4. ábrán látható, hazai gyártású zsákfeltépő gép került kifejlesztésre. Egy nagyméretű, lassan forgó rotor, hosszú késekkel van ellátva, ami a mozgópadló felett, azzal ellentétes irányban forog. A rotorkések a zsákokat felemelik és az álló, hidraulikusan, beállítható erővel megtámasztott késekkel szemben elnyírják azokat.

3. ábra. A megtervezett VTSZH feldolgozó technológia folyamatábrája.

A környezetiparban elterjedt kialakítású dobszita (5. ábra) két szitadobbal rendelkezik. Az első szitadob kb. 9 m hosszú és 60 mm-es, míg a második kb. 2 m hosszú és 200 mm-es környílásokkal van kialakítva. A <60 mm-es termék, az un. bio-frakció a fejlesztés első ütemében még lerakásra fog kerülni. A túlméretes szemcsék (>200 mm) a saját fejlesztésű kalapácsos előaprító berendezésre kerülnek (7. ábra). A köztes dobszita frakció (60-200 mm) és az aprított durva frakció (>200 mm) együtt kerül feladásra a KLME szeparátorra (5. és 6. ábra).

89

4. ábra. A mozgópadlós szállítóberendezés és a zsákfeltépő.

5. ábra. A dobszita (háttérben) és a KLME szeparátor (középen).

A 6. ábra a KLME szeparátor sematikus rajzát mutatja.

Fő technológiai egységek: 1. Vibrációs adagoló 2. Légfúvóka 3. Mágnesdob 4. Forgó segédhenger 5. Elszívó kalicka 6. Örvényáramú szeparátor A termékek sorszáma és neve: I. Mágneses II. Inert III. Vezető (Al) IV. 3D V. 2D 6. ábra. A KLME szeparátor működési elve.

A KLME szeparátor feladása egy vibrációs adagolón keresztül történik. A légáramkészülék fúvókája az első vibrált sík alatt helyezkedik el. A nehéz szemcsék leesnek a légsugáron keresztül, rá a mágnesdobra. A mágnesezhető szemcsék a forgó dobra tapadnak és elszállítódnak, majd olyan részre érkeznek, ahol nincsen mágnes a forgó dobpalást alatt, így leesnek az I. mágneses termékbe. A nehéz nem mágnesezhető szemcsék, - mint pl. kövek, tégladarabok, de nedves összetapadt papír, cipő, stb. – az un. II. inert termékbe kerülnek. A könnyű szemcséket a légsugár elragadja. Amikor egy szemcse felülről a légsugárba esik, akkor a légsugár irányú sebessége zérus. A szemcse testsűrűsége és alakja határozza azt meg, hogy milyen induló gyorsulással kezd a légsugár irányában gyorsulni. Később amikor, már jelentős sebességre tesz szert a légsugár irányában, az általában a süllyedési végsebességre hatást gyakorló paraméterek, azaz a méret, a testsűrűség és az alak együttesen határozzák meg a mozgási sebességet adott légáramban. Meg kell említeni azt, hogy nem az anyagsűrűség, 90

hanem a testsűrűség az, ami mentén a légáramkészülékben a szétválasztás nagyrészt történik.

Az alumínium és a PET anyagsűrűsége között jelentős eltérés van, azonban egy – egy összenyomódott és hulladékká vált alumínium és PET italos doboz testsűrűsége egészen hasonló is lehet. Ezért a KLME szeparátort úgy terveztük meg, hogy mindezeket a „könnyű” szemcséket a fúvóka elfújja. A fóliaszerű anyagokat (2D) a belülről megszívott forgó kalicka magára szívja és az V. 2D termékbe juttatja. A 3D kiterjedésű szemcsék egy alul elhelyezett szalagra kerülnek, amely egyik végébe örvényáramú szeparátor van építve. Az örvényáramú szeparátor a vezető szemcséket a III. Al termékbe juttatja, a 3D kiterjedésű műanyagok a IV. 3D termékbe kerülnek.

7. ábra. Az új fejlesztésű kalapácsos shredder.

8. ábra. NIR válogató berendezések.

A KLME szeparátor része - a leírt módon - az alak szerinti szétválasztás, amelynek az az elsődleges célja, hogy a fólia darabok ne kerüljenek az örvényáramú szeparátorra és a NIR válogató berendezésre, így azok szétválasztása lényegesen jobb lesz, vagyis a termékek tisztábbak lesznek. A technológiai sor vége előtt két NIR válogató berendezés került kifejlesztésre és beépítésre. Az első NIR válogató a PET és a PVC közös kifújására van beállítva, a második kisebb szalagszélességű gép pedig a PVC kifújására. A PVC-t a tüzelőanyagra (RDF) vonatkozó előírások miatt kell leválasztani, a PET pedig az üzem terméke anyagában való újrafeldolgozásra. A technológia utolsó eleme az utóaprító, amely ebben az esetben az egyetlen nem hazai gyártású gép, ez egy Metso gyártmányú egyrotoros nyírógép.

Eredmények Az elkészült üzemben az első olyan ipari tesztre, amely során a teljes technológiai sor üzemelt és minden kimeneten anyagok termelődtek 2018. május 23-án került sor. Ezt követően még számos gépészeti, elektromos és eljárástechnikai javítást eszközöltünk a hulladék-feldolgozó műben, majd 2018. július 24-én került sor egy hosszabb ipari mérésre, amely során kielégítő minőségű termékek keletkeztek.

91

2. Táblázat. A 2018. július 24-ei üzemi teszt során beállított fő műszaki jellemzők.

Paraméter

Érték

A mozgópadló sebessége

0.05 m/s

A zsákfeltépő rotorjának fordulatszáma

4.8 1/min

A dobszita dobjának a kerületi sebessége

1.13 m/s

A KLME fúvókába befújt légtérfogatáram

4800 m3/h

A KLME-ből elszívott légtérfogatáram

7400 m3/h

Az örvényáramú szeparátor pólusmotorjának fordulatszáma

2800 1/min

A NIR1 and NIR2 válogatók gyorsító szalag sebessége

3 m/s

A Metso egyrotoros nyírógép feladószalag sebessége

1 m/s

Részletes eljárástechnikai elemzésre, - amikor a termékek tömegáramait és összetételét, ill. a kihozatalokat megmérjük – még nem került sor, mert még mindig üzemi fejlesztés zajlik.

Másrészt számos működőképes opció, ill. kialakítás üzemjellemzőit is vizsgáljuk tapasztalatszerzés céljából. Eddig háromféle KLME kialakítást (elszívó kalickás kivitel, tüskés hengeres kialakítás, Coanda dobos kialakítás) vizsgáltunk meg, amelyeknek mind mások az előnyei és hátrányai. A 9. ábrán látható fotók a 2018. július 24-ei üzemi teszt során gyártott néhány terméket mutatják.

Al. termék Fe. termék RDF 9. ábra. A 2018. július 24-ei üzemi teszt során gyártott néhány termék.

A 9. ábrán az látható, hogy a bemutatott termékek meglehetősen tiszták. Az örvényáramú szeparátor jól dolgozott, mivel az alumínium dobozokat jó kihozatallal leválasztotta és csak kevés fólia szennyező van az Al termékben. A vas terméken jól látszik a zsákfeltépő és nem előaprító használata, mert a Fe szemcsék jellemzően roncsolás mentesek és nincs bennük fólia sem. Az RDF termék szemmel láthatóan jó minőségű.

Konklúzió A zalaegerszegi régió közössége célul tűzte ki a területen a hulladékgazdálkodás fejlesztését, 92

távlati célként a kommunális hulladékok 0 %-t szeretnék lerakni. Az első üteme ennek a koncepciózus tervnek megvalósult, mivel 2018. július 13-án hivatalosan is átadták Búslakpusztán az ország első, majdnem teljesen hazai gyártású VTSZH feldolgozó művét. Az üzemben még jelenleg is üzemi kísérletek és fejlesztőmunka zajlik, amelyeknek az a célja, hogy tapasztalatokat nyerjünk valódi ipari körülmények között különféle technológiaieljárástechnikai és gépkialakítási működőképes megoldásokról.

Köszönetnyilvánítás Az Új berendezések kifejlesztése a vegyes gyűjtésű szilárd települési hulladékok kis és közepes kapacitású technológiai rendszerének hazai gyártására (GINOP-2.1.1-15-2016-00904) megnevezésű projekt a Magyar Kormány és az Európai Unió támogatásával, a Széchenyi 2020 program keretében, az Európai Strukturális és Beruházási Alapok finanszírozásával valósul meg. A tanulmány/kutató munka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Szechenyi2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Hivatkozások Aich A. and Ghosh, S. K., (2016), Application of SWOT analysis for the selection of technology for processing and disposal of MSW, Procedia Environmental Sciences 35 pp 209 – 228 Bokányi Lj., Csőke B., Gombkötő I., Nagy S., Pintér-Móricz Á. (2018): „Hulladékból Energia” Kutatások a ME Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében. („Wasteto-energy” Research int he Institute of Raw Materials Preparation and Environmental Processing) MŰSZAKI ÉS MENEDZSMENT TUDOMÁNYI KÖZLEMÉNYEK 3: (1) pp.

49-57.

EC, 2011, Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions — Roadmap to a Resource Efficient Europe, COM(2011) 571 final, Brussels, 20.9.2011.

EU, 2008, Directive 2008/98/EC of the European Parliament and of the Council of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives, OJ L 312, 22.11.2008, p. 3–30.

Everett, J. W. and Peirce J. J., (1990): The development of pulsed flow air classification theory and design for municipal solid waste processing, Resources, Conservation and Recycling 4 pp 185-202 Faitli, J., Csőke, B., Romenda, R., Nagy, Z. and Németh, S., (2018): Developing the combined magnetic, electric and air flow (KLME) separator for RMSW processing. Waste Management & Research, doi.org/10.1177/0734242X18770251 Faitli J., Romenda R. and Szűcs M., (2017): Egyedi TSZH szemcsék mozgásának vizsgálata modell légáramkészülékben. (The examination of the motion of single MSW particles in a model air flow separator) In: Szigyártó I. L. and Szikszai A. (eds.) XIII. Kárpát-Medencei Környezettudományi Konferencia. Kolozsvár, Romania, 5-8 April 2017. Ábel Kiadó, pp 228237 Gombkötő, I., Nagy, S., Csőke, B. and Juhász, G., (2012): Effect of particle shape and orientation on separation efficiency of eddy current separator. In: Indian Institute of Metals (ed.) XXVI International Mineral Processing Congress, Proceedings.New Delhi, India, 24-28.

September 2012. Paper 538 93

Gundupalli, S. P., Hait, S. and Thakur, A., (2017): A review on automated sorting of sourceseparated municipal solid waste for recycling. Waste Management 60 pp 56–74 Gy, P. M., (1979): Sampling of Particulate Materials – Theory and Practice. Elsevier Scientific Publishing Company, New York Hanc, A., Novak, P., Dvorak, M., Habart, J. and Svehla, P., (2011): Composition and parameters of household bio-waste in four seasons, Waste Management 31 pp 1450–1460 Hungarian standard: MSZ 21420-28, (2005): Characterization of wastes. Part 28: Investigation of municipal wastes. Sampling.

Hungarian standard: MSZ 21420-29, (2005): Characterization of wastes. Part 29: Investigation of municipal wastes. Preparation of sample, characterization of material composition by the selection of material categories.

Kaartinen, T., Sormunen, K. and Rintala, J., (2013): Case study on sampling, processing and characterization of landfilled municipal solid waste in the view of landfill mining, Journal of Cleaner Production 55 pp 56-66 Leitol, Cs., (2017): Visszacsatoláson alapuló több szempontú műszaki, környezeti és közgazdasági elemzés alkalmazása a mechanikai-biológiai hulladékkezelő művek technológiai tervezésében. (The application of multi standpoint technical, environmental and economic analysis in the feedback technique design of mechanical – biological MSW processing plants).

PhD Thesis, Pécs Science University Lungu, M., (2005): Separation of small nonferrous particles using an angular rotary drum eddycurrent separator with permanent magnets, International Journal of Mineral Processing 78 pp 22 – 30 Maraspin, F., Bevilacqua, P. and Rem, P., (2004): Modelling the throw of metals and nonmetals in eddy current separations, International Journal of Mineral. Processing 73 pp 1– 11 Miller, S. and Miller, R., (2009): Air separation of recyclable materials, United States Patent, Patent No. US7,584,856 B2 Miller, S. and Miller, R., (2013): Separation system for recyclable material, United States Patent, Patent No. US8,618,432 B2 Montejo, C., Costa, C., Ramos, P. and del Carmen Marquez, M., (2011): Analysis and comparison of municipal solid waste and reject fraction as fuels for incineration plants, Applied Thermal Engineering doi: 10.1016/j.applthermaleng.2011.03.041 Pap, Z., Gombkötő, I., Nagy, S. and Debreczeni, Á., (2014): Determination of separability of different particles by eddy current separator: A statistical approach, In: Yianatos, J., Doll, A., Gomez, C., (ed.) XXVII International Mineral Processing Congress, Proceedings,Santiago de Chile, Chile, 20-24 October 2014. pp 141-149 R. Pomberger, R. Sarc, K.E. Lorber (2017): Dynamic visualisation of municipal waste management performance in the EU using Ternary Diagram method. Waste Management 61. pp 558–571 Rada, E., Istrate, I. and Ragazzi, M.: (2009): Trends in the management of residual municipal solid waste. Environ. Technol. (7) pp 651-61. doi: 10.1080/09593330902852768.

Zhang, S., Forssberg, E., Arvidson, B. and Moss, W., (1999): Separation mechanisms and criteria of a rotating eddy-current separator operation, Conservation and Recycling 25 pp 215– 232.

94

95

VII. SZENNYVÍZEK, SZENNYVÍZISZAPOK, VÍZEK HASZNOSÍTÁSA ÉS ALACSONY CO2 KIBOCSÁTÁSI TECHNOLÓGIÁK

96

VII/1. Az ivóvízellátó rendszerek létesítése kapcsán szükséges paradigmaváltás szakmai háttere Eördöghné Dr. Miklós Mária PhD, egyetemi docens Pécsi Tudományegyetem, Műszaki és Informatikai Kar 7624 Pécs, Boszorkány u. 2., 36-72503-650/23869 eordoghne@mik.pte.hu Abstract Drinking water is our most important natural resource. It is an indispensable living force both for man and for the economy. Because it can be considered only partially as renewable, it also needs to be protected in terms of quantity and quality. Water is transported for human and economic use through pipeline systems sometimes using complicated equipment. During transportation the quality of the water may change, which may be harmful to human health, or might result in non-compliance with the strict technological water quality requirements. This change in the water quality in the pipeline system, the so-called “Secondary water quality degradation” can be influenced by several building engineering design, construction and operation tools. To be able to use these tools effectively, it is necessary to re-evaluate the previous practice at several points, a paradigm shift is needed.

Absztrakt Az ivóvíz a legfontosabb természeti erőforrásunk. Nélkülözhetetlen éltető erő mind az ember, mind a gazdaság számára. Mivel csak részben tekinthető megújulónak, ezért védenünk kell mennyiségét és minőségét tekintve is. Az emberi és a gazdasági felhasználás helyére csővezeték-rendszerekkel, esetenként bonyolult berendezéseken keresztül juttatjuk el a vizet.

Ezen útja során a víz minősége megváltozhat, és ez akár az emberi egészség, akár a szigorú technológiai vízminőségi elvárások szempontjából kedvezőtlen lehet. Ezt a vezetékben lezajló vízminőség változást, az ún. „másodlagos vízminőségromlást” számos épületgépészeti tervezési, kivitelezési és üzemeltetési eszközzel tudjuk befolyásolni. Ahhoz, hogy ezeket az eszközöket hatékonyan alkalmazhassuk, szükség van a korábbi gyakorlat több ponton történő átértékelésére, egyfajta paradigma-váltásra. Új szempontok az ivóvízellátásban A közüzemi vezetékes ivóvízellátásnak a településeken ritkán van alternatívája. A tartálykocsis ellátás annak tekinthető, de ezt csupán ideiglenes megoldásként szokták alkalmazni. Ebből a monopólium helyzetből adódóan a szolgáltatók - felelősségük nagyságának tudatában - a vízminőségromlást minden eszközzel igyekeznek elkerülni. Ez a legtöbb esetben fokozott mértékű vezetékátöblítéssel, fertőtlenítéssel, külföldi példák szerint a vízhasználati szünetekben higiéniai öblítő rendszerek működtetésével történik, ami jelentősen megnöveli a felhasznált víz mennyiségét. Így az ivóvízhigiénia és a víztakarékosság, hatékony vízhasználat között közvetlen összefüggés értelmezhető. Elsősorban amiatt érdekes ennek a közvetlen összefüggésnek a felismerése, mivel az ivóvízellátásban - a jelenlegi ellátó rendszer kialakítás és fogyasztói szokások mellett - az egészséges, baktériummentes ivóvíz biztosítása a legfontosabb szempont.

97

Az elmúlt években számos, a vezetékes vízellátást érintő rendeleti változás történt: új Viziközmű törvény - 2015. évi CXIX. törvény, a 2011. évi CCIX. tv. módosításaként, az ún.

Legionella-rendelet, a 49/2015. EMMI rendelet. Ezeknek a rendeleti változásoknak a következtében, a higiéniai követelmények kielégítése érdekében a korábbinál nagyobb felelősség hárul a vízellátó rendszerek tervezőire, kivitelezőire, üzemeltetőire. Az új elvárások új szempontokra történő fókuszálást igényelnek a folyamat minden résztvevőjétől.

A vízellátó rendszerek létesítése tegnap és ma A vízellátó rendszerek létesítésének mai gyakorlata a közelmúltban előtérbe került szempontokat még nem kellő súllyal veszi figyelembe. Anyagválasztás, ivóvízhigiénia, vízhatékonyság (az energiahatékonyság mellett) – meg kell keresnünk azokat a cselekvési pontokat, amelyeken fentiek jobbítása változást igényel.

Leegyszerűsítve a vízellátás feladatait az ellátó rendszerrel szemben támasztott követelmények három (négy) fő pontba foglalhatók össze: biztosítani az ivóvizet  a szükséges mennyiségben  az elvárt minőségben  a felhasználáshoz szükséges nyomáson  (a kívánt hőmérsékleten, hideg és melegvíz esetén is).

Mindegyik pontot érintik az új elvárások, így az új megközelítés mindnél indokolt.

A vízhálózat méretezés alapvető kiindulási adata a mértékadó terhelés, az összes csapolón egyidejűleg vételezett vízmennyiség. Ennek értéke nagymértékben változik a létesítmény funkciójától függően. Meghatározására tapasztalati összefüggések szolgálnak, amelyek sok esetben az ún. fejadagon, az egy egység – személy, betegágy, kiló kenyér stb. – ellátására, előállításához szükséges vízmennyiség ismeretén alapulnak. Ebben a mutatószámban az elmúlt közel 30 évben jelentős változás történt, ahogyan ezt az 1. ábra mutatja.

1. ábra: Az ivóvíz-szolgáltatás mennyiségi változása 1955–2011 között [1]

98

A tervezés során az aktuális fogyasztási adatokat kell alkalmazni, mivel a vezetékek túlméretezése többszörös kárt okoz:  nehezíti az ivóvízhigiénia biztosítását  gazdaságtalan – a nagyobb vezetékátmérő és az új szempontként felmerülő intenzívebb áramlás együtt nagyobb szivattyúzási munkaigényt jelent.

Az intenzív áramlás, akár 4-5 m/s (amit a DIN 1988 és az MSZ EN 806-3:2006 szabvány javasol) sebesség fenntartása az ivóvíz higiénia elengedhetetlen feltétele, ezért ha az energetikai mutatókat kedvező irányba kívánjuk befolyásolni, akkor megnő a mennyiségi túlméretezés elkerülésének jelentősége. Ez a tény indokolja, hogy a vízellátó hálózatokban a vezetékszakaszok méretét ne a korábban megszokott „ökölszabályok” alapján válasszuk meg, hanem pontos hidraulikai méretezéssel határozzuk meg az adott hálózat paraméterei mellett a legkisebb, a kívánt vízmennyiséget és víznyomást még biztosító csőátmérőt. Ilyen módon célként és eszközként is értelmezendő rendszer űrtartalom minimalizálást érünk el, rövidül a víz tartózkodási ideje a hálózatban, és ezzel együtt csökken a baktériumok túlszaporodásának kockázata is.

A használati melegvíz – amit szintén ivóvíz minőségben kell biztosítani – esetében még fontosabb a reális vízmennyiségre történő tervezés, mivel itt a felmelegítés energia-igénye is nő a vízmennyiséggel.

A vízvezeték rendszerekben kedvezőtlen feltételek mellett kialakuló másodlagos vízminőség romlás egyik fontos eleme a Legionella-baktériumok elszaporodása. Ott, ahol ez a jelenség azzal is jár, hogy a fertőzött víz mikronméretű cseppekből álló vízpermetet képez, fennáll a megbetegedés, legionellózis kockázata. A Legionella baktériumokkal elszennyeződött víz ugyanis csak akkor okoz komoly egészségügyi problémát, ha a tüdőbe jut. A baktériummal kolonizált víz belégzése, aspirációja esetén az egyén immunrendszerének állapota jelentős mértékben befolyásolja a kialakuló betegség súlyosságát. Tapasztalatok alapján elmondható, hogy számos feltétel együttállása szükséges a komoly tünetek kialakulásához, technikai civilizációs betegségnek mondhatjuk a legionellózist. Minél több elemét sikerül ennek a feltételrendszernek eliminálnunk, annál sikeresebbnek mondható a legionellák elleni védekezés.

Az ivóvízhigiéné szempontjából a legionellák mellett még a Pseudomonas aeruginosa, mint biofilm-képző és alkotó baktérium szerepe jelentős, egyrészt azért, mert önmaga is képes különböző vizes felületeken, így a vízhálózatokban is biofilm-réteg kialakítására; másrészt pedig a P. aeruginosa baktérium a legionellákhoz hasonlóan feltételesen kórokozó, azaz arra fogékony személyeknél felelős lehet többek között pl. tüdőgyulladás, húgyúti gyulladás vagy seb- és véráram fertőzés kialakulásáért. [2] Egy kiterjedt rendszerben – amilyen a vízellátó hálózat is – jelentkező probléma megoldása mindig komplex megközelítést kíván, itt is ez a feladat: a vízellátó rendszerek létesítésének minden fázisában – tervezés, kivitelezés, üzemeltetés – van teendőnk annak érdekében, hogy megelőzzük a legionellák okozta megbetegedéseket, az ivóvízhigiéniai követelményeknek megfelelő minőségű vizet szolgáltassunk. A komplex megközelítés egyben azt is jelenti, hogy több terület szakembereinek van ráhatása a vízellátó hálózatok baktérium-mentességére: az építészeti tervezés, a megtervezett vezetékelrendezési mód [3] szakszerű kivitelezése, az üzemeltetés összehangolása a valós fogyasztással [4], a mikrobiológiai vizsgálatok alapján történő fertőtlenítés szakemberei mind segíthetik (rosszabb esetben gátolhatják) az ivóvízhigiéniai elvárások teljesülését.

99

Legionella-kolonizáció kockázata ivóvizes rendszerekben A Legionella baktériumok túlszaporodása elleni hatékony védekezéshez szükséges ismernünk a legionella fajok legfontosabb élettani jellemzőit. Ezek röviden összefoglalva: - a Legionella baktériumok életműködése szorosan összefügg a vízhőmérséklettel: szaporodásuk 20-50°C közötti hőmérsékletű vízben, ezen belül kb. 37-38°C-on a legintenzíveb; 20°C alatt túlélnek, 60°C felett elpusztulnak; - tápanyagként szolgálnak számukra a vizekben megtalálható mikroorganizmusok, kiülepedő vagy korrózióból származó anyagok, és a vezetékekben renyhe áramlás mellett a fentiekből kialakuló biofilm; - a hörgőjáratok méretéből adódóan az 5 μm-nél kisebb vízcseppek (aeroszolok) a legveszélyesebbek az emberi egészségre; a szabad szemmel is látható vízpermet nem aeroszol, de párolgással lecsökkenhet a vízcseppek átmérője akkorára, hogy aeroszol alakul ki.

A Legionella-szaporodás elengedhetetlen feltétele a 20-50°C hőmérsékletű víz. A baktériumok túlburjánzásának megakadályozására az egyik leghatékonyabb módszer az, ha a vízhőmérsékletet ettől eltérő tartományban tartjuk. Az épületgépészeti rendszerek működése sok esetben azonban éppen ebben a kritikus hőmérséklet-tartományban üzemszerű. Az Országos Környezet-egészségügyi Intézet (OKI) által 2006 és 2010 között végzett vizsgálatok a felmért rendszerek (177 épület, 1296 vízminta) 79,6%-ában esett a mért vízhőmérséklet a kritikus 20°C és 55°C közötti tartományba [5], ld. 2. ábra. Legionella-mentesítéskor ezért nem csak a melegvizes hálózatokra kell gondolunk, hanem meg kell vizsgálni a hidegvizes vezetékek üzemi jellemzőit is.

2. ábra: Legionella kolonizáltság különböző létesítménytípusokban [5] Az Országos Közegészségügyi Intézet által évente átdolgozott tartalommal kiadásra kerülő ún.

Módszertani levél [5] foglalkozik a Legionella-fertőzés kockázatának megállapításával és kezelésével. Az útmutató a hálózati vízminták mikrobiológiai elemzése alapján újabban a vízellátó rendszereket két kockázati csoportba sorolja: egyedi és központi melegvíz ellátásra.

Egyedinek minősül a 200 liternél kisebb HMV-tartalmú, max. 1-5 kifolyót ellátó hálózat, ahol a melegvíz-előállítás/tárolás helye és a kifolyók között a vezetékben a víz térfogata nem több 2 liternél. Az ilyen rendszerek alacsony kockázatúnak tekinthetők Legionella-fertőzés szempontjából, ha a megfelelő vízhőmérséklet beállítására (a rendszer méretétől és a 100

vízhasználattól függően legalább 50-55 °C) figyelmet fordítanak. A tartósan használaton kívüli és/vagy 50 °C-nál alacsonyabb hőmérsékletű tárolt vizet tartalmazó egyedi rendszerek a kis tárolási térfogat ellenére is kockázatosak Legionella-fertőzés tekintetében. „Központi melegvízelőállítás esetén hőmérsékletmérést a kockázatbecslés alapján kijelölt ellenőrző pontokon, illetve forgó rendszerben különböző használati végpontokon szükséges elvégezni. A hőmérsékletmérést fokozott kockázatot jelentő és magas kockázatú létesítményeknél havonta, egyéb létesítmények esetén negyedévente, vagy a kockázatbecslésben meghatározott gyakorisággal kell végezni.” [6] A vízhőmérséklet emelkedésével nő a vízminőségromlás kockázata, emiatt a vezetékhálózatok hőszigetelésének részleteit is újra kell gondolnunk. Gyakorlati tapasztalatok, számítások igazolják, hogy az épületgépészetben a leggyorsabban megtérülő energia-racionalizálási beruházás a csővezetékek szakszerű hőszigetelése. A szakszerűség egyik fontos részlete a hőszigetelés vastagság (ld. 1. táblázat): legyen a csőátmérővel megegyező vastagságú DN 100 méretig, efölött 100 mm rétegvastagságú. Másik fontos paraméter a hőszigetelő képesség: a szigetelőanyag hővezetési tényezője maximum 0,04 W/m, K legyen. Fontos még, hogy a leírt hőszigetelést a teljes hideg, meleg és cirkulációs vezetékhálózaton alkalmazzuk, beleértve a szerelvényeket, berendezési tárgyakat is.

1. táblázat. Javasolt hőszigetelés-vastagságok a használati hidegvíz, melegvíz és cirkulációs vezetékekhez Használati hideg-, melegvíz és cirkulációs vezetékek hőszigetelése A vezeték/szerelvény belső átmérője [mm]

Vezeték/szerelvény elhelyezkedése

< 22 22 ÷ 35 35 ÷ 100 > 100

A szigetelő réteg minimális vastagsága, 0,035 W/(m·K) hővezetési tényezőre vonatkoztatva [mm] 20

épületben, szerelve

szabadon

30 = vezeték belső átmérő 100

Épületszerkezetben, falban, födémáttörésben, vezetékek kereszteződésénél és össze-kötésénél a hőszigetelés vastagság a fenti követelményérték 1/2-e A hőszigetelés kézben tartása nem csak energetikai szempontból fontos, sőt: a vezetékek lehűléséből adódó hőenergia az épületburkon belül marad, az egész épületet tekintve nem jelentkezik veszteségként. Nehezíti viszont a szabályozhatóságot, emiatt is fontos a szakszerű szigetelés. További indok a jó hőszigetelésre az egymás mellett haladó vezetékek egymásra gyakorolt hőhatásának csökkentése. A 3. ábra mutatja, hogy változik a vezetékben stagnáló víz hőmérséklete két különböző német előírásnak megfelelően hőszigetelt vezetékbe. Látható, hogy pl. egy 15*1 méretű csőben stagnáló víz kb. 1,5 óra alatt felmelegszik a veszélyes, 25 °C feletti hőmérsékletre. A javasolt hőszigetelési mód esetén ez az időtartam közel a duplájára nő, nagyobb átmérőjű vezetékeknél az időhossz növekedése még jelentősebb.

101

a) b) 3. ábra: Hidegvíz hőmérsékletváltozása egységesen 28°C környezeti hőmérséklet mellett a stagnálási idő függvényében [7] a) a DIN 1988-2 szerinti (13 mm vastagságú), b) az EN 806-2 előírásainak megfelelően hőszigetelt csővezetékekben Rendszerszemlélet, interdiszciplináris megközelítési mód Az eddigi gondolatsor több esetben a rendszer jó átöblítettségét rajzolja ki, mint egy paramétert, amivel több probléma is kezelhető:  nem kedvez a biofilm kialakulásának a cső falán, amelyben a baktériumok szaporodnak, védelmet találnak a fertőtlenítés elől  egyenletes hőmérséklet viszonyok kialakulását segíti, ami kedvező hőmérsékletnél szintén a baktériumszaporodást nehezíti.

Modellként megjelenítve a vízminőséget befolyásoló paramétereket (ld. 3. ábra) még inkább nyilvánvaló, hogy ezek között összefüggés van, az egyik tényező változása kihat a másikra.

3. ábra: A vezetékbeli víz minőségének változását meghatározó paraméterek Megj.: A zöld nyilak az adott paraméter változásának ivóvízminőség szempontjából kedvező irányát mutatják, a piros nyilak a kedvezőtlent.

Mindegyik paramétert számos technikai momentum befolyásolja, ezek mind teljesebb figyelembevétele és összehangolása jelenti az ivóvízhigiénia szempontjait figyelembe vevő – és egyben vízhatékony – tervezést, és rámutatnak arra is, hogy önmagában a tervezés nem elégséges – de szükséges – feltétel, a kivitelezés és üzemeltetés fázisában végig van teendő a 102

baktériummentes vízellátás érdekében. Összegzés A vízhatékonyság követelménye az energiahatékonyság mögött érdemtelenül kevés figyelmet kap. Az ivóvízellátó hálózatokkal kapcsolatos legfontosabb elvárás, a baktérium-mentesség – tartósan, egészen a csapolókig – még szintén nem általánosan figyelembe vett szempont.

Rendszerszemlélettel közelítve, a létesítés minden fázisában szükséges teendőket elvégezve, a különböző szakterületek – építészet, épületgépészet, higiénia/mikrobiológia – szakembereinek összefogásával tudunk a mai kor követelményeinek megfelelő hálózatokat kiépíteni, az ivóvízhigiéniát előre sorolva és keresve a kompromisszumot az energiahatékonyság- és komfort-követelményekkel. Ez a folyamat a gyakorló mérnökökre az iránymutatáson kívül feladatokat is ró, és ezek a feladatok hatékonyan csak az érintett tervező, üzemeltető és higiéniai szakemberek szoros együttműködésével oldhatók meg.

Köszönetnyilvánítás Jelen közlemény elkészítéséhez köszönöm a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodás tematikus hálózat RING 2017” EFOP-3.6.2-16.2017.00010 sz. pályázat támogatását.

Hivatkozások Eördöghné M. M. (2013): „A lakossági vezetékes vízfogyasztás földrajzi sajátosságai Magyarországon (doktori disszertáció),” PTE TTK FDI, Pécs, 2013.

Barna L. - Eördöghné M. M. - Szánthó Z. - Balla J. (2018): „A biztonságos ivóvízellátás megteremtésének tervezési eszközei - Tervezési segédlet,” MMK FAP Pályamű, Budapest, 2018.

Eördöghné M. M. (2015): „A vezetékelrendezés hatása az ivóvíz minőségére és annak változására,” Magyar Épületgépészet, pp. 3-6.

Somlyódy L. (2007): „Másodlagos vízminőség romlás,” Víztisztítás, pp. 85-90 Barna Zsófia et al. (2011): „Legionella előfordulása különböző eredetű hálózati vízmintákban,” EGÉSZSÉGTUDOMÁNY O. K. I. OKI, „http://oki.antsz.hu/files/dokumentumtar/modszertani-utmutato-legionella2018.pdf,” 1. 2018. [Online].

Uwe, Fröhlich (2010): „Wärmedämmung für Kaltwasserleitungen Legionellenvermehrung in Kaltwasser-Systemen – ein unterschätztes Problem,” IKZ, 28 07

103

VIII. WEEE - ELEKTRONIKAI ÉS ELEKTROMOS ESZKÖZÖK HULLADÉKÁBÓL ÉRTÉKES ANYAGOK KINYERÉSE

104

VIII/1. OLED kijelzők felépítésének és mechanikai előkészíthetőségének vizsgálata Őrsi Janka1, Nagy Sándor2, Trinh Van Quyen3, Papp Richárd Zoltán4 Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros 1 BSc hallgató, e-mail: eorsijanka@gmail.com 2 egyetemi docens, e-mail: sandor.nagy@uni-miskolc.hu 3 tanszéki mérnök, e-mail: trinhquyennd@gmail.com 4 doktorandusz, e-mail: askprz@uni-miskolc.hu Absztrakt Az OLED (Organic Light Emitting Diode) kijelzők aránya a TV és mobil eszközök piacán növekedő tendenciát mutat napjainkban. Felépítésük eltér a jelenleg legnagyobb arányban értékesített LCD LED kijelzőkétől. Az élettartamuk végére ért készülékek feldolgozása, a bennük lévő értékes elemek kinyerése alapvető gazdasági és környezetvédelmi érdek.A Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetben a mobiltelefonokban lévő OLED kijelzők felépítésének, és mechanikai úton történő előkészíthetőségének vizsgálatára került sor. E típusú kijelzők nem tartalmaznak háttérvilágítást, a szendvics szerkezetű kijelzőkben lévő elektródák között fénykibocsájtó szerves vegyület található. A vizsgálatok során felmértük a főbb alkatrészek tömeg arányát a készülékben. A kijelző panelre fókuszálva meghatároztuk annak felépítését optikai mikroszkóppal. SEM elemzésnek vetettük alá a kijelzőt, az elemi összetétel feltérképezése érdekében, különös tekintettel az elektródák anyagául szolgáló indiumra. A kapott eredmények alapján a mechanikai előkészítésre javaslatok dolgozhatók ki.

Bevezetés A katódsugárcsöves televíziók egyeduralmát követően megjelentek – más készülékek mellett a plazma TV, LCD TV készülékek. Monitorok és telefon kijelzők esetén az LCD kijelzők terjedtek el. Az utóbbi években – első sorban TV készülékek, mobiltelefonok esetében megjelentek az OLED kijelzők, melynek anyagi összetétele és felépítése sokban eltér az LCDétől. Az OLED egy ígéretes új technológia, amely lehetővé teszi a gyártók számára, hogy nagyobb képernyőterületeket hozzanak létre, és rugalmasabbá tegyék a hordozókat az eszközökben [1].

Az OLED okostelefon-panelek 2017-ben történő értékesítése 42 százalékkal 525 millióra nőtt az előző évhez képest. Jelenleg a Samsung vezető szerepet tölt be az okostelefonok OLED paneljeinek szállításában. Az 1. ábrán láthatók 2017-re vonatkozóan a globális OLED és LCD okostelefon kijelző panel eladások gyártónként.

105

1. ábra: OLED és LCD okostelefon kijelző panel eladások 2017-ben [2] A hosszú távú előrejelzések alapján az OLED panel eladások tendenciája folyamatosan növekszik és 2020-ban elérheti az 1,2 milliár darabot [2]. A várható élettartam (4,7 év) és az okostelefonok gyorsított technológiai fejlesztése miatt hamarosan nagyobb arányban megjelennek ezek az eszközök az elektronikai berendezések hulladékaiban.

OLED képernyők felépítése és működési elve Az OLED egy szerves fénykibocsátó dióda, amelynek nincs szüksége háttérfényre. Fő összetevője az OLED emitter, ami egy szén alapú szerves anyag, mely áram esetén fényt bocsát ki. Alapszerkezete egy katód, egy szerves elektro-lumineszces réteg és egy anód.

2. ábra:Az OLED kijelző szerkezete (Forrás: http://www.hazi-mozi.hu/hogyan-mukodik-az-oled/2/ (2017.10.01.))

Két vezérlési módja ismert. A PMOLED passzív mátrixú, amelynek mérete és felbontása korlátozott. Ezeket kicsi vagy másodlagos kijelzőkben használják. A másik vezérlési mód az AMOLED, mely aktív mátrixú TFT tömböt és tárolókondenzátort használ. Ezt a fajta kijelzőt okostelefonokban, táblakészülékekben, TV készülékekben alkalmazzák és manapság már autók fényforrásaiban is.

106

3. ábra: PMOLED és AMOLED szerkezete (Forrás: https://www.androidauthority.com/amoled-vs-lcd-differences-572859/ (2017.10.03.))

Elvégzett vizsgálatok A vizsgálataink során – hazai feldolgozó üzemekkel konzultálva - megállapítottuk, hogy az OLED kijelzőket tartalmazó TV készülékek gyakorlatilag még nem jelentek meg a feldolgozó üzemekben, ezért a vizsgálatok során mobiltelefonban található kijelzőre fókuszáltunk.

Egy darab Samsung Galaxy S3 Neo típusú telefon került szétbontásra (4. ábra). A telefon részeit kézi bontással szedtük szét, illetve az előlapot hőlégfúvó segítségével választottuk le.

4. ábra: Samsung Galaxy S3 Neo bontás után A bontott telefon alkatrészei és a hozzájuk tartozó mennyiségek láthatók az 1. táblázatban.

107

1. táblázat: A kézi bontás anyagmérlege Alkatrészek Kijelző Kijelzőn található fólia(PET) Tisztított kijelző Előlap Kijelző műanyag keret (PA) Hátlap (PC) NyÁK Telefon műanyag kerete (PA) Csavarok

Tömeg [g] 7,87 2,19 5,68 23,70 22,90 8,76 11,48 14,04 0,53

Tömeghányad [%] 8,81 2,45 6,36 26,62 25,62 9,80 12,85 15,71 0,59

Összes:

89,37

100,00

A műanyag részeket Jasco 4200 Fourier transzformált infravörös (FT-IR) spektrométerrel azonosítottuk. A 5. és a 6. ábra a mért FT-IR spektrumokat mutatja az okostelefon keret (PA) és a hátsó burkolat (PC) esetében.

5. ábra: Műanyag keret FT/IR diagramja [1]

6. ábra: Hátlap FT/IR diagramja [1] 108

A szerkezet megfigyelésére optikai mikroszkópot használtunk. A 7. ábrán a tranzisztor réteg látható. Egy tranzisztor mérete 55x110µm. A tranzisztorok mellett a vezérlőpanel figyelhető meg.

7. ábra Képpontokat vezérlő panel A 8. ábrán a pixelek, szubpixelek, szerves anyagú fényforrásai láthatók, amelyeket az előzőkben bemutatott tranzisztorok vezérelnek. Jól látható, hogy a különböző színű szubpixel anyagok nem egyforma méretűek, ami az élettartamukkal van összefüggésben. A felület megkaparása után láthatóvá válnak az alatta elhelyezkedő tranzisztorok, illetve az erősebb igénybevétel hatására már a tranzisztorok is eltűnnek (9. ábra), ezzel igazolva mennyire vékonyak az egyes rétegek.

8. ábra: Képpontok 9. ábra: A kijelző megkapart felülete Az érintőpaneleknek (10. ábra) több féle típusa van. Az OLED készülékekben a kapacitív az elterjedt, amely technológia esetén kemény, átlátszó védőfelület alatt egy elektromostérérzékeny háló vagy felület, úgynevezett digitizer helyezkedik el. Anyaga legtöbbször indiumtrioxid és óndioxid. A digitizer előnye, hogy az üveg mögött van, így nem sérül, és nem kopik a használat során.

109

10. ábra: Érintőpanel Az eltávolított OLED képernyőt az érintőpanel nélkül kézzel bontottuk tovább. Az OLED képernyő hátulján található egy elválasztó műanyag fólia, amely felelős a termikus és elektromos szigetelésért. Az OLED kijelzőt mozsárban aprítottuk (11. ábra). Az aprítás célja a minta kémia összetétel meghatározásához történő előkészítése.

11. ábra:A bontott OLED képernyő (balra) és az őrlés terméke (jobbra) Az aprítás után többszöri mérést végeztünk kézi XRF elemzővel, azonban ennek eredményei lényegesen eltértek egymástól, nagy volt a szórás, ezért bolygó golyósmalomban tovább aprítottuk a kijelző mintát (5 perc őrlési idő) a homogenizálás érdekében, majd a mintát akkreditált laboratóriumba (KVI PLUSZ Kft.) küldtük az elemi összetétel meghatározására (Perkin Elmer Optima 5300 DV ICP-OES). A vizsgált elemek és a kapott eredmények a 2. táblázatban láthatók.

110

2. táblázat: Elemi összetétel OLED kijelző estén Elemek

mg/kg

Elemek

mg/kg

Ag As Ba Co Cr Cu Mo

28,4 1,4 1230 <0,30 715 12,5 1320

Cd Ni Pb Se Sn Zn Hg

<0,20 37 1,5 0,8 200 32,2 <0,1

Az OLED képernyőkben található elemek elhelyezkedésének meghatározására pásztázó elektronmikroszkópot (JEOL JXA-8600 Superprobe) is használtuk (Miskolci Egyetem, Ásványtani-Földtani Intézet). A BSE-képet és a vizsgált terület kémiai elemtérképét a 12. ábrán mutatjuk be.

BSE

Ag

Al

Cl

K

O

S

Si

Ti

12. ábra: BSE kép és kémiai elemtérkép A titán és az alumínium egymáshoz kapcsolódnak (mint ötvözőelemek) a kémiai elemtérképen.

Az ezüstöt szinte az OLED képernyő teljes felületén érzékeltük (elektromosan vezető anyag), elsősorban az szubpixelek helyén. Az alumínium, az oxigén és a szilícium az üvegből származhat, amely általában alumínium-oxid (Al2O3) és szilícium-dioxid (SiO2) keverékéből 111

áll. A káliumionokat üvegben jellemzően erősítő elemként használják.

Az RGB szubpixelek elemi összetételét is megmértük (3. táblázat). A szubpixelelekben javarészt ugyanazok a kémiai elemek találhatók, de kismértékben eltérő arányokban. A piros szubpixelben nem találtunk oxigént ill. káliumot, míg a kék szín esetén klórt nem tudtunk kimutatni.

3. táblázat: Szubpixelek elemitartalmai Elemek

Piros

Zöld

Kék

m/m%

O Al Si S Cl K Ti Ag In

0,00 12,92 11,81 10,18 0,87 0,00 5,32 55,05 3,84

9,45 18,25 7,18 6,67 0,60 0,19 8,00 46,78 2,88

9,34 17,64 9,60 1,29 0,00 0,16 7,98 51,16 2,83

Összeses

100,00

100,00

100,00

Előzetes javaslattétel a feldolgozás folyamatára Az OLED kijelzőket tartalmazó készülékek mechanikai úton történő előkészítéséhez, feldolgozásához olyan technológia javasolt előzetesen, amely során első lépésben kézi bontással, vagy kíméletes aprítással elválaszthatók a készülékek fő szerkezeti elemei, majd ezt követő lépcsőben a kijelző panelek alkatrészei aprítással egymástól feltárolódnak (ITO réteg hozzáférhetősége biztosított lesz) Az értékes elemek (pl. indium) kémiai eljárással vagy bioszolubilizációval kinyerhetőkké válnak [3].

Konklúzió A kézi bontás eredményei alapján a vizsgált készülék 6,36 m/m %-át teszi ki a kijelző. A vizsgálatokkal megállapítottuk, hogy a kijelzők fémek közül tartalmaznak molibdént, de kiemelkedő a bárium és a króm tartalmuk is. A készülékek típustól függően különböző módon vannak felépítve, így nem feltétlenül alkalmazható az összes típusú készülékre egy technológia.

Az egyes rétegek erős ragasztóval vannak rögzítve egymáshoz melynek eltávolítására is megoldást kell keresni. A feldolgozás során egészségre ártalmas anyagok is felszabadulhatnak, ezeket a későbbiekben vizsgálni szükséges.

További kérdés, hogy az egyes e-hulladékokra kialakított technológia az esetleges újabb, más technológiával gyártott termékekre is megfelelő lesz-e.

Köszönetnyilvánítás A kutatást az EFOP-3.6.2-16-2017-00010 azonosító számú, „Fenntartható Nyersanyaggazdálkodás Tematikus Hálózat – RING 2017” című projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap és Magyarország költségvetése 112

társfinanszírozásában valósul meg.

Hivatkozások Tamás Magyar, Sándor Nagy, Janka Őrsi, Richárd Zoltán Papp Chemical and material characterization of smartphones with special regards to OLED screens for recovery of valuable elements. ECOTERRA: JOURNAL OF ENVIROMENTAL RESEARCH AND PROTECTION 15: (1) pp. 18-26. (2018) Ross Young, Bob O'Brien, Yoshi Tamura (2017): OLED Smartphone Panel Outlook by Supplier and Brand. Elérhető: https://www.displaysupplychain.com/blog/oled-smartphonepanel-outlook-by-supplier-by-brand Csőke, B.; Bokányi L.: Előkészítéstechnikai vizsgálatok koncepciója In: Csőke B., Bokányi L., Faitli József, Nagy Sándor: Elektronikai hulladékok előkészítése a stratégiai elemek visszanyerése érdekében. Miskolc, Magyarország: Milagrossa Kft., (2014) pp 58-59. 2p.

113

VIII /2. Az akkumulátorok és alapanyagaik árainak vizsgálata különös tekintettel a lítium alapú típusokra Péter Zsolt1-Orosz Dániel2 1

Ph.D, Miskolci Egyetem, 3515 Miskolc-Egyetemváros, 06-46-656200, regpzs@uni-miskolc.hu 2 Miskolci Egyetem, 3515 Miskolc-Egyetemváros, 06-46-656200, regorosz@uni-miskolc.hu

Absztrakt Az akkumulátorok, elemek használata megkerülhetetlen mindennapi életünkben. Miközben néhány évtizeddel ezelőtt még egy kezünkön meg tudtuk számolni azokat az eszközöket, amelyek az elektromos hálózattól független áramforrás segítségével működtek otthonainkban, ma már szinte a számbavétel is nehézkes az egy háztartásban használt ilyen készülékek esetében. Természetesen az akkumulátorok használatának szinte exponenciális növekedése nem csak a háztartások esetében következett be. Hasonló mértékben bővült a nem a közvetlenül a végső fogyasztókat érintő akkumulátor használat is. Az akkumulátorok, elemek nagyfokú változatosságot mutatnak (felhasznált anyagok, segédanyagok, burkolatok, méret, a felhasználás célja, élettartam stb.). A számításba vehető tényezők jelentős száma nagy kihívást jelentenek azoknak, akik az elhasználódott áramforrások újrahasznosítására adják fejüket.

Tanulmányunkban röviden áttekintjük az akkumulátorok fejlődésének fontosabb lépéseit, megvizsgáljuk, hogy az elmúlt évtizedekben, milyen lényeges változások történtek elsősorban az előállítás, értékesítés valamint a felhasznált típusok, alapanyagok tekintetében, különös tekintettel a közelmúltban egyre inkább népszerűvé váló lítium alapú típusokra.

Abstract The use of batteries and cells is indispensable in our daily lives. While decades ago we simple could number the tools, that operate in our homes with a power supply that is independent of the electrical network, nowadays, even the counting is difficult for those devices that used in a household. The almost exponential increase in the use of batteries occurred not only in the case of households. Similar growth has happened also of the use of batteries not directly affecting the final consumers. Batteries and cells have a high degree of variation in their characteristics (basic materials, auxiliary materials, coatings, sizes, purposes of use, lifetime, etc.).

Significant number of factors can be considered as major challenges for those who try to recycle the worn out batteries. In our paper we briefly review the major steps of the batteries development, and we examine the significant changes have been made for the past decades, mainly in terms of production, sales, and types and materials used, with special regard to the recent popular lithium-based models.

1. Bevezetés- a Lítium használatának történelmi áttekintése A lítiumot jelentős mennyiségben először a II. világháború során kezdték el használni. A legfontosabb felhasználási területe ekkoriban a repülőgépipar volt. A háborút követő években volt egy kisebb visszaesés, azonban a hidegháború időszaka ismét növekvő pályára állította a 114

keresletet (a hidrogénbombák fúziós üzemanyagához, valamint nukleáris fúziós fegyverek gyártásához nagyobb mennyiségben volt rá szükség (http://www.pioneerresources.com).

1. ábra:Globális akkumulátor-értékesítés (Az ólom/savas akkumulátorok kivételével) Forrás: C. Pillot, 2017.

A lítium használata más területeken is népszerűvé vált, segítségével csökkenteni lehet az üveg olvadási hőmérsékletét, valamint az alumínium-oxid olvadási paramétereit is kedvezően lehet befolyásolni (Ebensperger, et al, 2005). A fent említett felhasználási területek azonban a hadiipari igények mellett eltörpültek.

A fegyverkezési verseny befejezésének köszönhetően, a 90-es évek elején, a lítium iránti igény jelentősen visszaesett. Ennek köszönhetően az árak csökkenésnek indultak. A piaci árak csökkenése tovább gyorsult, amikor az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma készleteinek nagy részét értékesítette (O. Joyce A. - 1994).

Az 1990-es évek közepétől sokat változott az előállítás jellemző technológiája, ami tovább csökkentette az árakat. Sós vízből kezdtek el lítiumot kivonni, amit kedvezőbb költségek mellett lehetett megtenni, mint bányászni. A bányák többsége bezárt, vagy az ércekben található egyéb gazdaságosan kitermelhető anyagokra koncentrált (O. Joyce A. - 1994).

A 2000-es években technológiai váltás következett be a mobil eszközök esetében, amivel párhuzamosan azok tömegessé válása jellemzővé vált, ekkor még elsősorban a fejlett országok piacain. A NiCd és NiMh akkumulátorok helyét néhány éven belül a lítium alapú akkumulátorok vették át köszönhetően annak, hogy azok a kapacitás, az újratölthetőség száma, a lassabb elhasználódás tekintetében messze felette álltak versenytársaikhoz képest. 2004-ben a nem savas (ólom alapú) akkumulátorok piacán a Lítium-ion típusok dominánssá váltak, 2016ra összteljesítményük megközelítette a 80000 MWh-t, miközben a többi típus részesedése 35000 MWh körül mozgott, stagnált, kisebb mértékű csökkenést mutatva 2002-től napjainkig (K. J. Elzea - 2006).

A növekvő igényekhez igazodva a 2000-es évektől számos új és nagy gyártó lépett a piacra (ITR - 2002).

115

2. Globális lítium tartalékok földrajzi eloszlása A föld lítium tartalékai meglehetősen egyenetlen megoszlást mutatnak globális szinten. A becsült lítiumkészletek döntő többsége az un. dél-amerikai „lítium-háromszög” országaiban – Chilében, Argentínában és Bolíviában – található (Thomas P. Narins – 2017). Az elérhető szakirodalmi források adatai jelentős mértékben szórnak a becsült tartalékok tekintetében (1337 millió tonna). A korábban felsorolt országokon túl jelenlegi ismereteink szerint jelentős tartalékokkal rendelkezik az Egyesült Államok, ill. Kína valamint Ausztrália (1. táblázat).

Az akkumulátorok iránti igény növekedésével párhuzamosan nőtt az alapanyagok kitermelése.

1995-ben még csak 25 ezer tonna körül volt a kitermelés, 2007-ig töretlen volt a növekedés.

2008 volt az első olyan év, amikor csökkent a szükséglet a válság hatására, amit 2009-re egy még nagyobb visszaesés követett. 2010-től ismét a válság előtti szint fölé emelkedett a lítium termelés. A növekedés 2013-ig folytatódott majd a következő években, kis mértékben ugyan, de ismét visszaesést tapasztalunk. Az okok alapvetően többrétűek. Az országok egy részében „W” típusú válság volt (hazánk is ebbe a csoportba sorolható), azaz a válság utáni növekedést rövid időn belül ismét recesszió követte (G. Martin et al. – 2017).

Országok

2014 G. Martin et al

2016 www.statista.com

2017 U.S. Geological Survey

Argentína

2600000

2000000

9800000

Ausztrália

1800000

1600000

5000000

Brazília

1000000

48000

180000

Bolívia

10200000

n.a.

9000000

Chile

6300000

7500000

8400000

Kína

5400000

3200000

7000000

Portugália

n.a.

60000

100000

USA

4000000

38000

6800000

Zimbabwe

n.a.

23000

500000

Világ összes 34200000 14000000 53400000 1. táblázat: A lítium tartalékok nagyságára vonatkozó becslések különböző források alapján Forrás: www.statista.com (2016), G. Martin et al. 2017 (2014), U.S. Geological Survey (2017), adatai alapján saját szerkesztés Ennek köszönhetően sok helyen csökkent a fizetőképes kereslet az elektronikai termékek iránt.

A másik ok valószínűleg az, hogy a mobil elektronikai termékek piaca erre az időszakra telítődött, azaz a korábbi növekedési pályák megtörtek.

116

2. ábra: Lítium kitermelés a legfontosabb előállító országokban Forrás: H. Hao, et al. 2017.

Ezzel párhuzamosan az akkumulátorok teljesítménye is nőtt a fajlagos anyaghasználathoz viszonyítva. Az 1995-től 2015-ig terjedő időszakban szinte végig Chile volt a legnagyobb lítium előállító ország. Ausztrália 2002-től vált a második legfontosabb előállító országgá, 2011-től pedig egyértelműen átvette az elsőséget annak ellenére, hogy a tartalékok tekintetében még az Egyesült Államok és Kína is megelőzi.

3. ábra:A lítium akkumulátorok felhasználásának dinamikája Forrás: C. Pillot, 2017.

Bár a savas (ólom alapú) akkumulátorok a felhasznált anyagok veszélyességének, nagy tömegüknek köszönhetően elavultnak tűnhetnek, mind a mai napig az előállított akkumulátorok 117

összteljesítményének döntő többségét adják (> 80%). Az ólom akkumulátorok értékesítésének már nincsenek növekedési tartalékai, a jövőben stagnálás, majd visszaesés prognosztizálható mivel a jellemző felhasználási területük, a belső égésű motorokkal szerelt személygépkocsik, amelyek néhány évtizeden belül akár teljesen el is tűnhetnek.

A 3. ábrán az ólom akkumulátorok (még mindig domináns) értékei nélkül jelenítettük meg az „egyéb” technológiák piacának változásait a felhasználás területei szerint. Egyértelműen látszik, hogy a mobil eszközökben használtak piaca nem növekszik tovább, miközben megjelentek olyan dinamikusan növekvő területek (elektromos autók és buszok) amik az erősen exponenciális jellegű növekedéshez vezetnek. Az ábra arra is rávilágít, hogy bár a technológia területén még nem feltétlenül Kína a piacvezető, a járművekben használt akkumulátorok tekintetében a világ legnépesebb országa már volumenében is megelőzte riválisait.

4. ábra: Japán, Korea és Kína piaci részesedése az akkumulátor piacon Forrás: C. Pillot, 2017.

Dinamikusan növekszik az ipari felhasználás, és egyéb területeken, pl. az elektromos kéziszerszámok esetében is rendkívül dinamikus növekedést tapasztalunk. Ez a növekedés természetesen nem következhetett volna be akésztermék árának csökkenése nélkül (pl. a sztenderd 18650-es lítium akkumulátor Wh-ja a 2000-es 2,6$-ről 2015-re 0,15$-ra csökkent.

4. ábra: A lítium-ion akkumulátorok előállításának átlagos költségei 2016-ban (%) Forrás: C. Pillot, 2017.

118

Jelentős piaci átrendeződések voltak az akkumulátor előállítás területén is az előállító országok piaci részesedése szerint. A technológiát elsőként Japán fejlesztette ki és vitte át a tömegtermelésbe, korai követőként Korea néhány éven belül felzárkózott, 2012-re meghaladva a Japánok részesedését.

Kína 2005-től kezdődően lassú növekedést produkált 2011-ig, amikor elsősorban az „okos” mobil eszközök piacának robbanása egy a korábbihoz képest jóval magasabb növekedési pályára állította, aminek köszönhetően 2015-re egyértelmű piacvezetővé vált.

A lítium akkumulátorok előállításának jelenlegi költségmegoszlását az 5. ábra szemlélteti 55% anyagköltség (katód 23%, anód 6%, elektrolit 6%, szeparátor 8%, egyéb anyagok 12% stb.)

45% nem anyag jellegű (amortizáció 15 %, közvetlen munkaerő 4%, K+F 6%, értékesítés és adminisztráció 3%, rezsi 3%, termelés 4%, egyéb 7%).

Az elmúlt egy évtizedben sokat javult az akkumulátorok fajlagos teljesítménye. A már korábban említett 18650-es típus esetében 2009-ben a cellák 60%-a még 2,2 Ah alatti volt és lényegében még nem létezett 3 Ah feletti, addig 2016-ra már lényegében nem is létezett 2,2 Ah alatti kategória és a cellák több mint 50%-a 3 Ah feletti kategóriában volt.

6. ábra: A lítium árának és a kibányászott mennyiségének változása (1990-2015) G. Martin et al. 2017.

A 90-es évek elejétől a lítium kitermelése szinte töretlenül növekedett, miközben ára rendkívül jelentős hullámzásokat élt meg. A kereslet és kínálat több időszakban sem találkozott, az amerikai tartalékok értékesítése, Chile piacra lépése 1994-től 2004-ig a korábbi töredékére csökkentette az árakat, ami csak a 2000-es évek növekvő keresletének köszönhetően állt vissza a korábbi szintre. (P. Maxwell - 2015) A válság ezt a trendet megtörte, majd a mobil eszközök piacának telítődése ismét korrekcióhoz vezetett (B. Robert, 2013). A Tesla a Gigafactory megépítésével, ami a világ egyik legnagyobb lítium-ion akkumulátor gyára, nagyon megnövelte a kínálatot, ami az árak csökkenéséhez vezetett (M. Chatsko, 2015). Összefoglalás A lítium alapú akkumulátorok iránti keresletben az elmúlt években exponenciális növekedés figyelhető meg, ennek némileg ellentmond, hogy a lítium iránti kereslet ettől eltérő jellegzetességeket mutat. Az okok elsősorban a felhasznált anyagok tömegegységre jutó 119

jelentős fejlődésére, valamint a mobil eszközök piacának telítődésére vezethetők vissza. Az árakat az elmúlt néhány évtizedben elsősorban a kínálatban történő (hirtelen) változások dominálták.Kína megkerülhetetlen tényezővé vált az elmúlt években (a szakirodalomban is meghatározóvá váltak a kínai szerzők írásai). A jelenleg prognosztizálható tendenciákra leginkább az akkumulátorok fejlődésében bekövetkező esetleges technológiai ugrások (új katód/anód bevonatok vagy technológiai váltások jelenthetnek kockázatot.

Köszönetnyilvánítás A kutatást az EFOP-3.6.2-16-2017-00010 azonosító számú, „Fenntartható Nyersanyaggazdálkodás Tematikus Hálózat – RING 2017” című projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap és Magyarország költségvetése társfinanszírozásában valósul meg.

Hivatkozások B. Robert, 2013, Evaluating and forecasting the lithium market from a value perspective. In: Roskill Presentation,5th Lithium Supply and Markets Conference. Las Vegas, 29–31 January.

C. Pillot 2017, The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2016-2025, Avicenne Energy China Bulk Commodity, 2017. Lithium Price Database.

Ebensperger, et al, 2005.The lithium industry: its recent evolution and future prospects.

Resource Policy 3 0(4), 218–231 G. Martin et al. 2017, Lithium market research – global supply, future demand and price development, Energy Storage Materials 6 (2017) 171–179 H. Hao, et al. 2017, Tracing global lithium flow: A trade-linked material flow analysis, Resources, Conservation & Recycling 124 (2017) 50–61 KCS, 2016. Trade Statistics. Korea Customs Service K. J. Elzea 2006, Lithium, Industrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses.

Littleton, Colo.: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 599. o.

IUPAC Technical Report, 2002 „Isotope-abundance variations of selected elements”. Pure and Applied Chemistry 74 (10), 1987. o.

M. Chatsko, 2015. The Tesla gigafactories are coming. can global lithium supply keep up?

Motley Fool .

O. Joyce A. 1994: Commodity Report 1994: Lithium. United States Geological Survey P. Maxwell 2015, Transparent and opaque pricing: The interesting case of lithium, Resources Policy, 45, 92–97 Thomas P. Narins 2017, The battery business: Lithium availability and the growth of the global electric car industry, The Extractive Industries and Society 4. 321–328 Trade Statistics of Japan, 2016. General Trade Statistics. Japan Ministry of Finance http://www.pioneerresources.com.au/lithium.php www.rogerannis.com/ecology-newsroll/global-lithium-reserves-image-in-financial-post/ (U.S. Geological Survey) www.statista.com/statistics/268790/countries-with-the-largest-lithium-reserves-worldwide/

120

VIII/3. Az akkumulátorok újrahasznosításának gazdasági kérdései különös tekintettel a lítium alapú típusokra Péter Zsolt1- Orosz Dániel2 1

Ph.D, Miskolci Egyetem, 3515 Miskolc-Egyetemváros, 06-46-656200, regpzs@uni-miskolc.hu 2 Miskolci Egyetem, 3515 Miskolc-Egyetemváros, 06-46-656200, regorosz@uni-miskolc.hu Absztrakt Az elemek, akkumulátorok használata általánossá vált napjainkra. Évtizedekkel korábban még csak néhány elektromos eszköz működött hálózati elektromos energia nélkül, manapság napi szinten bővül a vezeték nélküli eszközök piaca, miközben a folyamattal párhuzamosan csökken a termékek hasznos élettartama. Használat után az elhasználódott, elavult termékek egy része „elvész”, azaz nem kerül azonnal kidobásra, más esetben a kommunális hulladék mennyiségét növelik, és csak a legjobb esetben kerülnek szelektíven begyűjtésre, amit nagy valószínűséggel újra hasznosítás követ. Mivel a föld erőforrásai végesek, ezért fontos, hogy az új termékek egyre nagyobb hányada származzon újrahasznosított forrásból, mivel így ideális esetben anyagot, energiát és pénzt takaríthatunk meg.

Az újrahasznosításnak alapvetően két akadálya van, amelyek egymással szorosan összefüggenek. A termékek többségének tervezésekor elsősorban az eladhatóság szempontjai, és az elérhető profit dominánsak, az újrahasznosítás szempontjai (szétszerelhetőség, a felhasznált anyagok könnyű szétválasztása) csak ritkán jelennek meg. Miközben a savas (ólom alapú) akkumulátorok esetében az újrahasznosítás már közelíti a 100%-ot köszönhetően a felhasznált anyagok értékének, a kialakult technológiának, az újrahasznosítás gazdaságos, még a lítium alapú áramforrások esetében sokkal bonyolultabb a megoldás. Ezek a típusok formátumukban, vegyi összetételükben sokkal nagyobb változatosságot mutatnak. A technológia ma is gyorsan fejlődik, az áramforrások kapacitása, a felhasznált anyagok köre folyamatosan változik.

Tanulmányunkban a külföldi szakirodalom segítségével áttekintjük az újrahasznosítás során felmerülő, a legújabb gazdasági kérdésekre koncentráló kutatási eredményeket különös tekintettel a lítium alapú típusokra. Áttekintjük a legújabb akkumulátor gyártási technológiák költségstruktúráját, ill. összegyűjtjük azokat az információkat, amelyek az újrahasznosítás költségeire, ill. várható hasznaira vonatkoznak.

Abstract The use of cells, batteries has become general today. Decades ago, only a few electrical devices operated without power grid, the market for wireless devices is expanding on a daily basis, while the useful life of the products decreases. After use, some of the spent, outdated products are "lost". Some of them are not immediately disposed others enrich the communal waste while only a smaller amount is selectively collected in the best case, which is most likely to be recycled. Since land resources are finite, it is important that increasing proportion of new products come from recycled sources, as it is ideal to save material, energy, and money.

Recycling has got basically two obstacles that are closely related to one another. When designing the majority of products, the aspects of sales ability, the available profit are 121

dominant, the aspects of recycling (dismounting, easy separation of the used materials) are rarely. While almost 100% of the acidic (lead-based) batteries are recycled thanks to the value of the materials used, the well-established technology and economic process of recycling, lithium-based power supplies are far more complicated. They exhibit much greater variation in their form and chemical composition. Technology is still developing fast, the capacity of power sources and the range of materials used are constantly changing.

In our study, we will review the foreign literature that focuses on the latest economic issues in the recycling process, with special reference to lithium-based models. We will review the cost structure of the latest battery manufacturing technologies, collecting information about the costs of recycling and the expected benefits.

1. Bevezetés - az akkumulátorok használatának (történelmi) áttekintése Az első valószínűsíthetően elemszerű tárgy a Pártus Birodalom idejéből származik (Kr. e. 250 és Kr. u. 250 között), használatára vonatkozóan csak találgatások vannak, azonban valószínűleg fémek galvanizálásánál használták. Az első modern értelemben vett kémiai áramforrást Alessandro Volta készítette, ami folyamatos áram termelésére volt alkalmas. Újratöltést ez a szerkezet még nem tett lehetővé, erre egészen 1859-ig kellett várni, amikor Gaston Planté francia fizikus feltalálta az akkumulátort. A működés elve, az azóta eltelt több mint másfél évszázad ellenére nem változott, miközben a gyártástechnológia, a felépítés, a felhasznált anyagok köre jelentősen megváltozott (F. Bernard S., 2002).

A szakirodalom a kémiai elven működő áramforrásokat két fő csoportba sorolja. Elsődleges (primer), elemek azok, amelyek nem tölthetők újra egyszerűen vagy hatékonyan, ezért jellemzően használat után eldobják őket. Felépítésükre jellemző, hogy a primer cellában az elektrolitot egy abszorbens vagy elválasztó anyag tartalmazza. Általános jellemzőjük, az olcsóság és a kis méret. A hordozható elektromos készülékekben, világító, fényképészeti eszközökben, játékokban, számítógépekben a memóriakapacitás biztosításához stb. használják.

Alkalmasak hosszú időre tárolni az energiát, gyakori a folyamatos használat, kapacitásuk jellemzően kicsi, túlnyomó többségük egycellás hengeres, lapos vagy gombelem formátumú, némelyek közülük többcsatornás, azaz elemi cellákból épülnek fel (D. Linden – T. B. Reddy ,2001)

1. ábra: A fontosabb akkumulátor típusok globális értékesítése Forrás: C. Pillot (2017) 122

A másodlagos (szekunder) akkumulátorok újra tölthetők, esetükben a fő cél az energiatárolás, használatuk gyakran esetleges, szakaszos, akkor dobják ki őket, amikor az eszköz, amiben használják őket végleg tönkremegy, vagy akkor, ha a nagy számú újratöltésnek köszönhetően kapacitásuk jelentős mértékben lecsökken és ez már gondot okoz a használat során. Léteznek még ún. tartalék akkumulátorok, amelyekben a kulcskomponensek (általában az elektrolit) az aktiválás előtt elkülönülnek, így a használatot megelőzően nem léphet fel kémiai károsodás, önkisülés. Ezek az akkumulátorok rendkívül hosszú távú energiatárolásra képesek (Handbook of Batteries, D. Linden 2001).

Bár a savas (ólom alapú) akkumulátorok a felhasznált anyagok veszélyességének, nagy tömegüknek köszönhetően elavultnak tűnhetnek, mind a mai napig az előállított akkumulátorok összteljesítményének döntő többségét adják (> 80%) (www.batterysolutions.com). Az ólom akkumulátorok értékesítésének már nincsenek növekedési tartalékai, a jövőben stagnálás, majd visszaesés prognosztizálható mivel jellemző felhasználási terület a belső égésű motorokkal szerelt személygépkocsik, amelyek néhány évtizeden belül akár teljesen el is tűnhetnek. A savas (ólom alapú) akkumulátorok esetében az újrahasznosítás nyereséges, az újrahasznosított ólom kiváló minőségű, könnyen értékesíthető. Az újrahasznosítást segíti még a fentieken túl, hogy veszélyes hulladékról lévén szó a legtöbb országban megsemmisítése illegális, a technológia mára szabványos és jelentős mértékben automatizált (H. Pan et al., 2018).

Gondot elsősorban a tájékozatlanságból adódó lakossági ellenállás okoz az új üzemek létesítésekor. A már legtöbb területen elavult NiMh akkumulátorok újrahasznosításának célja a ritka földfémek visszanyerése, amit ösztönöz a növekvő kereslet (L. Gaines 2014). Nagy cégek például: Toyota, különböző akciók keretében árengedményt adnak a visszavitt akkumulátorért (http://www.toyota.com.au/hybrid-batteryrecycling).

A lítium alapú akkumulátor újrahasznosítása lényegesen bonyolultabb, a cellák kialakításának, felhasznált sokszor egyedi anyagok sokszínűsége miatt. Az újrahasznosítás történhet pirometallurgiai úton (kemencében történő olvasztással), ami gazdaságilag akkor kifizetődő, ha a katód kobaltot vagy nikkelt tartalmaz. A hidrometallurgiai újrahasznosítás során az anyagokat lúgos közegben oldják ki. A jelenlegi piaci árak mellett ez a módszer is csak akkor lehet kifizetődő, ha a katód kobaltot vagy nikkelt tartalmaz. A közvetlen újrahasznosítás során a kisült cellákat egy tartályba helyezik amihez CO2-t adnak, a szuperkritikus szén-dioxid kivonja az elektrolitot a cellákból, amely további feldolgozás után így újrahasznosítható. (L. Gaines 2018).

Az eljárás előnye, hogy szinte az összes komponens további feldolgozás után újra felhasználható (B. Huang et al. 2018).

2. Az újrahasznosítás gazdasági kérdései különös tekintettel a lítium alapú típusokra Az újrahasznosítás során léteznek olyan technológiai problémák, amelyek jelentős mértékben kihatnak a gazdaságosságra. Komoly gondot okozhat a lítium-ion akkumulátorok keveredése az ólom-savas akkumulátorokkal, ami tüzeket és robbanásokat okozhat: Kerülni kell a keresztszennyeződéseket, nagyformátumú elemek esetében szegregációs rendszerekre van szükség, ami növeli az újrafeldolgozás költségeit. (Linda G. 2014)

123

2. ábra: A költségek az alap költségtényezőkre bontva (PHEV-40) Forrás: Gallagher, K., and P. Nelson. 2014.

A jelenlegi technológia mellett a lítium akkumulátorok előállításának meghatározó hányada kb.

59%-a anyagköltség, míg 16% a vásárolt áruk, 7% a munkaerő, 18% a gépek, berendezések, szükséges infrastruktúra (épületek) ráfordításai.

3. ábra: Az elemek termelésénél történő energiacsökkentés az újrahasznosított anyagok felhasználásával Forrás: L. Gaines 2018.

124

A különböző források eltérő módon közelítik meg az újrahasznosításnak köszönhető hasznokat.

Alapvetően három megközelítés, vagy annak kombinációi jellemzik a szerzők munkáját. A megtakarításokat jellemzően, az újrahasznosított anyagok mennyiségével, a megtakarított energiával, ritkább esetben az újrahasznosítás költségeivel, ill. a várható hasznokkal jellemzik.

Gaines (2018) munkájában különbségeket tesz az elérhető megtakarítások tekintetében a különböző technológiák, ill. a visszanyert anyagok szerint. Véleménye szerint az elektrolit visszanyerése közvetlen fizikai eljárás esetén 73%-os energiamegtakarítás mellett lehetséges.

Az anód visszanyerése hidrometallurgia esetén 69%-os az alumínium esetében közel 60%-os megtakarítást eredményez, míg a lítium-ionon hasonló megtakarítást a pirometallurgiai eljárás eredményez (Kepler, F. et al. 2017).

KÖLTSÉGEK

USD/kg (2017)

Jármű (akkumulátor nélkül) Beszerzés

0,01

K+F

0,01

Munkaerő

0,01

Menedzsment

0,01

Karbantartás

0,01

Amortizáció

0,02

Egyéb

0,03

Akkumulátor Beszerzés

2,87

Újrahasznosítás

3,73

BEVÉTELEK Acél

USD/kg (2017) 0,27

Alumínium

1,90

Vas

0,16

Réz

5,61

Lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid

27,01

1. táblázat: Az elektromos járművek újrahasznosításának költségei és bevételei Qinyu Q. et al. (2018), Pan, Y., Li, H., 2016., Wind Financial Database, 2017. és a China Bulk Commodity, 2017.

Qinyu Q. et al. (2018) írásában az elektromos személygépkocsik újrahasznosítását fajlagos adatokkal jellemzi. A költség-haszon elemzés a járművek akkumlátor nélküli, ill. az akkumulátorok újrahasznosításán alapul és vizsgálja az értékesíthető anyagokból származó bevételeket. Az elhasznált akkumulátor újrahasznosítás nélküli feldolgozása (hasonlít a hagyományos személygépkocsik feldolgozásához talán kevesebb veszélyes anyaggal) önmagában nyereséges lehet a vásárlás és értékesítés közötti jelentős árkülönbségnek köszönhetően. A személygépkocsi akkumulátorok újrahsznosítása szerencsés, mivel így nagy mennyiségű, hasonló technológiával előállított áll egyszerre rendelkezésre, valamint a kinyert anyagok ára is magasnak mondható. az elemzés hiányossága, hogy sajnos nem tér ki az 125

akkumulátorokban található fémek arányára.

A jövőbeni újrahasznosítás ideális esetben egységes módon lesz képes kezelni az azonos tulajdonsággal rendelkező akkumulátorokat. A csomagoláson egyértelmű, felhasználó barát jelzések utalnak a megfelelő technológiára. Az elhasználódott áramforrások eljuttatása akadálymentes legyen az újrahasznosító cégekhez, és az újrahasznosított anyagokból készülő termékek minősége egyezzen meg a teljesen új alapanyagokból készültekkel. Összefoglalás A szakirodalmi kutatások során arra a következtetésre jutottunk, hogy a téma jelentős elsősorban külföldi szakirodalommal rendelkezik. Az elmúlt években kiemelkedő az ázsiai, elsősorban kínai szerzők kutatási tevékenysége.

Miközben az ólom akkumulátorok újrahasznosításának technológiája sztenderdizált, és egyértelműen nyereséges, addig a lítium alapú akkumulátorok újrahasznosítása az összetevők változatossága miatt lényegesen komplexebb kérdéskör. A gazdaságossági kérdések megválaszolása nehezen sztenderdizálható, jelenleg elvétve találkozhatunk olyan kutatással, amelyek az újrahasznosítás kérdéseit a technológiai kérdéseken túl összekapcsolják, költségekkel, várható gazdasági, energetikai, ökológiai hasznokkal.

Köszönetnyilvánítás A kutatást az EFOP-3.6.2-16-2017-00010 azonosító számú, „Fenntartható Nyersanyaggazdálkodás Tematikus Hálózat – RING 2017” című projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap és Magyarország költségvetése társfinanszírozásában valósul meg.

Hivatkozások B. Huang et al. 2018, Recycling of lithium-ion batteries: Recent advances and perspectives, Journal of Power Sources, Volume 399, pp. 274-286 China Bulk Commodity, 2017. Lithium Price Database. Available at. http://www.cbcie. com/1463/0/list.html.

D. Linden – T. B. Reddy 2001, Handbook of Batteries, Third Edition, McGraw-Hill Handbooks F. Bernard S. 2002, "Origin of Electrical Power" National Museum of American History (http://americanhistory.si.edu/powering/past/prehist.htm) Gallagher, K., and P. Nelson. 2014. “Manufacturing costs of batteries for electric vehicles,” chap. 6 in Lithium-Ion Batteries: Advances and Applications, Edited by G. Pistoia.

H. Pan et al. 2018, Sustainability evaluation of secondary lead production from spent lead acid batteries recycling, Resources, Conservation and Recycling, Volume 140, pp. 13-22 Hybrid battery recycling program, http://www.toyota.com.au/hybrid-batteryrecycling Kepler, F. et al. 2017. Process for Recycling Electrode Materials From Lithium-Ion Batteries, US Patent 9614261B2 (current assignee Farasis Energy Co. Ltd.), filed August 13, 2014, and issued April 4, 2017.

L. Gaines, 2018, Lithium-ion battery recycling processes: Research towards a sustainable course 126

L. Gaines. 2014, The future of automotive lithium-ion battery recycling: Charting a sustainable course Pan, Y., Li, H., 2016. Sustainability evaluation of end-of-life vehicle recycling based on emergy analysis: a case study of an end-of-life vehicle recycling enterprise in China. J. Clean.

Prod. 131, 219â&#x20AC;&#x201C;227.

Qinyu Q. et al. (2018), Electric vehicle recycling in China: Economic and environmental benefits Wind Financial Database, 2017. Prices of Metal Scraps. Available at. http://www.wind. com.cn/newsite/data.html. www.batterysolutions.com/recycling-information/how-are-batteries-recycled/

127

VIII/4. Bio-kontra kémiai szolubilizálás az elhasznált LCD-k indiumtartalmának visszanyerése érdekében Mádainé Üveges Valéria – Varga Terézia – Bokányi Ljudmilla Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, Miskolc ejtmuva@uni-miskolc.hu Absztrakt Mára már világossá vált a nyersanyag felhasználás ütemének hosszú távú fenntarthatatlansága, és az Európai Unió is felismerte és beépítette a körforgásos gazdaság elérésére törekvő programot a dokumentumaiba. Ezen túlmenően, mindenképpen meg kell találni a megoldást arra, hogy azok a nyersanyagok, amelyekből komoly importra szorulunk, visszanyerhetőek legyenek a hulladékainkból. Meghatározásra kerültek ezek az úgynevezett kritikus nyersanyagok, melyek közül az LCD panelekben található indium-ón- oxid rétegben lévő indium volt a kutatásaink egyik cél eleme. Korábbi vizsgálataink során megállapítottuk, hogy megfelelő mechanikai előkezelést követően az indiumot kémiai kioldással ki lehet nyerni az LCD üvegből. Ezen kísérletek során mechanikai előkezelésen átesett, 5mm alatti szemcseméretű LCD üveget oldottunk 1M-os kénsavval és 1M-os sósavval, 1:1 szilárd/oldószer arány mellett különböző hőmérsékleten és tartózkodási idővel. Az optimális körülmények meghatározását követően oldatkezelési kísérleteket is végeztünk az indium szelektív kinyerésének érdekében.

Az indium visszanyerésére biológiai úton történő, baktériumok segítségével végzett oldás – a kémiaival szemben – számos előnnyel rendelkezik, és a „zöld kémia” koncepcióba jól bele illik. Így ebben az irányban is végeztünk kísérleteket az előkezelt LCD panellel. Ezúttal Acidithiobacillus baktériumok alkalmazásával, 7 napos tartózkodási idővel, állandó hőmérséklet és keverés mellett 1:10 szilárd/oldószer arányt választva vizsgáltuk az indium és néhány egyéb fém oldatba vitt koncentráció értékeinek alakulását. Ebben a tanulmányban a kémiai és a biológiai kioldás eredményeit hasonlítjuk össze.

Bevezetés Az Európai Bizottság 2008-ban léptette életbe az úgynevezett Európai Nyersanyag-politikai Kezdeményezést, melynek témakörében az elmúlt 10 évben számos lépést tett a nyersanyagokhoz való fenntartható hozzáférés, az erőforrás hatékonyság és az újrahasznosítás elősegítése területén. A Bizottság meghatározta az uniós szinten kritikus fontosságú nyersanyagok körét, valamint magát a definíciót is, miszerint: „Kritikus fontosságú nyersanyagoknak nevezzük azokat a nyersanyagokat, amelyek esetében a következő tíz évben különösen magas a kínálat szűkösségének kockázata, és amelyek az értéklánc szempontjából különösen jelentősek.” A kezdetben 14 alkotóból álló lista mára már 27 összetevősre bővült, és tartalmaz nemcsak elemeket, de nyersanyagcsoportokat is, mint például a ritkaföldfémek vagy a platinacsoport elemei. Az indium, mely az LCD kijelzőkben található átlátszó elektródot alkotó ITO (indium-ón-oxid) réteg alapanyaga, kezdetektől szerepel a kritikus elemek között.

A Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet részvételével kivitelezett CriticEl kutatás-fejlesztési projektben egyik fő kutatási irány volt a kritikus elemek kinyerésének lehetőségeit vizsgálni elektronikai hulladékokból, laboratóriumi körülmények között. E tématerületen belül foglalkoztunk az elhasznált TV készülékek, monitorok LCD kijelzőjének újrahasznosítási lehetőségeivel, ezen belül is az LCD panelekből az indium kémiai kinyerésének vizsgálatával. Ebben a projektben sikerült az indiumtartalmat kémiai úton, savazással oldatba vinni, majd abból kicsapatással kinyerni. A jelen kutatásaink során mégis a biológiai kioldás lehetőségét vizsgáljuk, hiszen a biológiai eljárásoknak számos előnye van a 128

kémiaival szemben, úgymint a kisebb fajlagos költségigény, kevesebb vegyszerszükséglet, és a mikroorganizmusok megújuló mivolta, tekintettel arra, hogy az alkalmas baktériumokat tetszőleges mennyiségben tudjuk tenyészteni, nem kell az előállításukhoz annyi elsődleges energiaforrást felhasználni, mint az ásványi savak esetén. Ez a koncepció beleillik mind a zöld kémia, mind a körforgásos gazdaság koncepciójába.

A baktériumok, különösen az Acidithiobacillus ferrooxidans és thiooxidans-ok alkalmazását elektronikai hulladékokból történő fém kinyerésére számos kutatócsoport vizsgálja. Egyelőre a legtöbbjük törekvése a nyáklapok réz tartalmának kioldására irányul. Megfelelő körülmények mellett a réz oldatba vihető, és a biológiai kioldásra jellemző, az oldás hatékonyságát csökkentő, valamint költségnövelő vastartalmú csapadék keletkezése is csökkenthető (Wang et al., 2018). Az LCD indiumtartalmának biolúgzással történő kinyerésére irányuló vizsgálatok is elkezdődtek már, pl. Willner et al., 2018-as konferenciaközleményében számol be arról a kutatásról, amelyben elhasznált mobiltelefonok kijelzőjének indiumtartalmát kísérelték meg kioldani, A. ferrooxidans és A. thiooxidans baktériumkonzorciummal. Az 1:5 szilárd/folyadék arány mellett végzett kísérletük eredményeképpen 11,1mg/L indiumtartalmat sikerült elérniük az oldatban 32 napos tartózkodási időt követően. A kiszerelt LCD kijelzőt csak finomaprításnak vetették alá a kioldási kísérletek előtt.

Anyagok és módszerek Tekintettel arra, hogy az LCD paneleket borító polarizáló fólia bizonyítottan gátolja a fémek kioldását (Bokányi et al., 2014), mindenképpen szükségesnek tartottuk, hogy az oldási kísérletekhez előállított mintaanyag megfelelő mechanikai előkezelésen essen át (Nagy S. et al., 2018a,b). Az Intézet által kidolgozott mechanikai előkészítési koncepció szerint (Csőke et al., 2014) a készülékek kézi szétbontását követően a polarizáló fólia termikus eljárással került leválasztásra a panelekről, majd a polarizáló fóliától mentes panelek 10 mm szemcseméret alá történő aprítása következett. Az előkezelés következő lépése a folyadékkristály leválasztása volt ultrahangos fürdőben való tisztítás útján a szolubilizálási eljárás hatékonyságának fokozása érdekében. Végezetül, a kioldási vizsgálatokhoz a hulladék üveg szubsztrát újabb aprítására került sor (5mm alá) kalapácsos malomban. Az ily módon előkészített LCD panel minta képe látható az alábbi 1. ábrán.

1. ábra: Mechanikai úton előkészített LCD panelről készült fotó 2.

Az ICP-OES spektrométerrel végzett kémiai elemzés szerint az oldásra előkészített LCD panel kémiai összetétele nagyon komplex. Nagyobb mennyiségben tartalmaz Al, B, Ba, Ca, Fe, Sr, és számos kritikus elemet is, mint Ce, Co, In, La, Mg, Nd, Y és Yb, habár ezeket viszonylag kis mennyiségben. A CriticEl projektben komplex elemösszetétel vizsgálatok álltak rendelkezésre, 129

a biológiai kioldási vizsgálatokhoz újonnan előkészített minta esetén azonban csak néhány, a kutatás szempontjából hangsúlyos elem koncentrációjának mérésére került sor. Ezek értékeit az 1. táblázat tartalmazza. Összevetve a mintegy 5 évvel korábbi és 2018-as készülékekből előállított LCD panelek összetételét megállapítható, hogy azok fémtartalma - bár függ a feldolgozott készülékek típusától és évjáratától is - különösen az indium és ón tartalomban nem volt megfigyelhető jelentős változás. Az előkészített panel indium tartalmára ugyanannyit, 128mg/kg -ot mértek.

1. táblázat: Biolúgzási kísérletekhez előállított LCD minta néhány alkotó-koncentrációja Alkotó Koncentráció (mg/kg) In 128 Sn 142 Sr 6460 Cu 77,7 Mn 36,2 Az indium kinyerése céljából végzett kémiai oldási kísérleteket több fázisban végeztük. Először egylépcsőben vizsgáltuk a különböző oldószerek hatékonyságát. Az egylépcsős eljárásnál 1Mos HCl és 1M-os H2SO4 oldatot használtunk oldószerként. A hőmérséklet (40, 55, 80°C) és a tartózkodási idő hatását is vizsgáltuk. A szilárd/folyadék arány 1:1 volt. A kétlépcsős kioldás célja az volt, hogy 0,5M-os ecetsavval szelektíven kinyerjük a vasat az első lépcsőben, majd a kritikus elemeket – főként az indiumot – 1M-os sósav oldattal a második lépcsőben. Az első lépcsőben a kioldást 25°C-on és 55°C-on is elvégeztük, míg a második lépcsőben minden esetben 55°C-ot alkalmaztunk. Mindkét lépcsőben a tartózkodási idő 1óra, ill. a szilárd/folyadék arány 1:1 volt.

A biológiai kioldási vizsgálatokhoz a jól ismert, savas bányavízből izolált Acidithiobacillus Ferrooxidans baktériumtörzset választottuk első esetben. Ez egy acidofil, pálcika alakú, Gramnegatív baktérium, 0.5…1.5µm-es mérettel, amely kizárólagos autotróf, képes a vas és a kén oxidációjára (H. L. Ehrlich and C. L. Brierley, 1990). Az Acidithiobacillus ferrooxidans és az A. thiooxidans baktériumok együttes alkalmazásának számos jó példája fellelhető a szakirodalomban. A thiooxidans baktérium leginkább abban különbözik a ferooxidanstól, hogy nem képes a vas oxidálására, tehát önmagában nem alkalmas például a pirit és kalkopirit kioldására, viszont ferrooxidanssal együttesen alkalmazva hozzájárulhat ezek kioldásához a kén oxidációja által (H. L. Ehrlich and C. L. Brierley, 1990). A thiooxidans-szal áll közeli rokonságban a szlovákiai Hodrusa–Hámre aranybányában nemrégiben izolált baktériumtörzs, amelyet jelen állás szerint Acidithiobacillus albertensisként azonosítottak (Kiskova et al, 2018).

Lehetőségünk adódott a Prof. Dr. Jana Sedláková-Kaduková által vezetett szlovák kutatócsoporttal együttműködve kísérleteket végezni ezzel a baktériumkultúrával így a ferrooxidans Karitassal önmagában és a Karitas és A. albertensis 1:1 arányú keverékéből álló bio-oldattal is végeztünk előzetes laboratóriumi vizsgálatokat az indium kioldására (Bokányi et al., 2018).

A biolúgzást előzetes adaptálás nélkül végeztük, tehát az inokulált baktériumoldat a kísérlet kezdetekor érintkezett először az LCD mintával. A ferrooxidans baktériumot a Sullivan és Lundgren-féle 9K tápoldatban szaporítottuk, 5 napos inokulációs idővel. Ennek a tápoldatnak a fő összetevője a vas(II)szulfát oldat. Végeztünk vizsgálatot a steril, tehát baktériummentes 9K tápoldattal is, hogy elkülönüljön a tisztán kémiai és a mikroorganizmus által vezérelt oldás eredményessége, hiszen a vas (II) szulfát önmagában is oldószer. Míg az A. ferrooxidanssal Intézetünknek már van tapasztalata (Bokányi és Varga, 2017), az A. albertensis egy kevéssé ismert és alkalmazott faj, egyelőre nem áll rendelkezésünkre sok információ ezzel a baktériummal kapcsolatban, különösen nem a hulladékok kezelése kapcsán. A tápoldattal való 130

beoltást követően a kísérletet 14 nap után kezdtük azt feltételezve, hogy ez az idő elegendő a baktérium szaporodására. Az albertensis tápoldatának fő összetevője a nátrium-tioszulfát, emellett ez is tartalmaz kis mennyiségben egyéb ásványos összetevőket. A biolúgzásnál az alkalmazott hőmérséklet 25oC volt, a szilárd/oldószer aránya 1:10 és a tartózkodási idő 7 nap.

Mind a kémiai, mind a biolúgzási kísérleteknél Wise Cube típusú fűthető rázógépet alkalmaztunk a kísérletek kivitelezéséhez, ebben a keverés sebessége és a hőmérséklet szabályozható, állandó értéken tartható. A kémiai kísérletek esetén a tartózkodási idő leteltét követően az oldatot szűrtük, a visszamaradt LCD mintát átmostuk. A biolúgzás során pH méréseket végeztünk a folyamat nyomon követése érdekében. A 3. naptól jelentős csapadékképződés volt megfigyelhető a 9K tápoldatot tartalmazó reaktoredényekben, így a tartózkodási idő végén az oldat leválasztását követően ezt a csapadékot is leválasztottuk a szilárd maradéktól. Az oldatok kémiai elemzése ICP-vel történt.

2. ábra: Oldási kísérletekhez alkalmazott rázógépről és biolúgzásról készült fotók Az oldatok elemzési eredményei alapján a kémiai kioldási eredményeket összehasonlítva megállapítható, hogy mind az 1M-os H2SO4 oldat 55°C és 0,5 óra oldási idő mellett, mind az 1M-os HCl oldat 55°C hőmérséklet alkalmazásával megfelelő az indium szinte teljes mértékű kinyeréséhez az üveg szubsztrát ITO rétegéből. Mindazonáltal, a további kísérletekhez az 1M HCl oldatot választottuk oldószerként, ill. 55°C hőmérsékletet és 1 óra tartózkodási időt alkalmaztuk, mivel az egyéb elemek oldódása alacsony ezen körülményeknél, ami kedvező lehet a további oldattisztítás tekintetében.

131

100

Kihozatal az oldatban (%)

90 80 70 60 50 40

30 20 10 0 Indium kénsavban 1h 40°C

Indium sósavban 4h 40°C

Vas sósavban

30min 55°C

1h 55°C

Ón sósavban 4h 55°C

3. ábra. Kémiai kioldási kísérletek eredményei A kétlépcsős eljárás során összesen az indium 97-98%-a oldódott. Ebből 16-19%-ot tett ki az ecetsavas oldás. A vas tartalomnak mindössze 15%-a oldódott a kétlépcsős eljárás során az alkalmazott hőmérséklettől függetlenül. Ez az érték csak egy kicsit alacsonyabb annál, amit az egylépcsős kioldás során 1M-os sósav oldószerrel 55°C hőmérsékleten értünk el.

A biológiai kioldási kísérletek eredményei közül az indiumra és ónra vonatkozó fémkihozatali értékeket mutatjuk be a 2. táblázatban. Látható, hogy a baktériummentes, tápoldatos kísérletnél is volt számottevő In kioldódás. A tápoldat fő összetevője, a vas-szulfát tehát alkalmas oldószernek bizonyult. Az eredmények alapján azonban amennyiben a tápoldat be volt oltva Ferooxidans baktériummal, a kihozatal érték közel 8%-kal nőtt. A kevert, két baktériumot tartalmazó oldószer esetén a kihozatal értékek nagyon alacsonyak voltak indiumra nézve.

Minden esetben az ón csak kismértékben oldódott ki a szubsztrátból, a sósavas kémiai kioldás eredményeivel összehasonlítva, a biolúgzás során valamivel kisebb kihozatallal.

2. táblázat: Biolúgzási kísérletek során kapott oldatok kihozatali értékei R In R Sn (%) (%) 9K 68,46 0,57 Karitas Karitas+albertensis

75,53 1,94

0,62 0,27

A két baktériumot tartalmazó oldószerrel elért, nemvárt alacsony indium kioldási hatékonyságra magyarázatot adhat, ha megfigyeljük a rendszer pH változását a kísérlet során (4. ábra). Az 1. , 4. és 7. napon mért pH értékek alapján megállapítható, hogy míg a Karitas szal rögtön megindult a pH csökkenése a kísérlet kezdetén, addig a kevert kultúra esetén a pH először növekedett 3pH érték fölé, majd ezt követően indult be, a baktériumos lúgzásnál szokványos pH csökkenés, de még így is elmaradt az elért pH érték a monokultúrás kísérlet kiindulási értékéhez képest. Ez a megfigyelés további kérdéseket vet fel, melyek megválaszolásán dolgozunk. Egyrészt, vizsgálni kell, hogy miért növekedett a kezdeti szakaszban a pH érték, és mivel ezen körülmények mellett a 7 napos tartózkodási idő - kémiai elemzés eredményeivel is bizonyítottan - nem volt elegendő, meg kell határozni az optimális tartózkodási időt is. Másrészt, a szubsztrát komplex összetétele okán az inhibitor hatást is vizsgálnunk kell, mint lehetséges okot, és annak következményeit. Továbbá, a biolúgzás során 132

készített fotókon is jól látható, hogy a színe alapján nem azonos csapadék keletkezett a két kísérletben, és mivel kimutatták már, hogy a többnyire vas-hidroxidos és jarosite-os csapadék a szilárd anyag felületén képezhet kioldást gátló réteget (Pradhan et al. ,2008), ez irányban is kereshetjük a megoldást a tapasztalt problémára.

4. ábra: pH érték változása a biológiai kioldás során Összefoglalás Az LCD panelekből az indium kinyerésére irányuló kémiai kioldási kísérletek eredménye alapján 1M-os HCl, 1 óra tartózkodási idővel 55oC hőmérsékleten alkalmas az indium közel 100%-os mértékű kioldására. Biológiai kioldással a jelenlegi kísérleti fázisban csak 75%-os In kihozatal volt elérhető az oldatban.

Bár a kémiai kioldás nagyon hatékony az indium kinyerésére az LCD ITO rétegéből, mégis érdemes a biológiai oldást kifejleszteni, tekintettel a biolúgzás alapvető előnyeire.

Célunk, hogy megfelelő mikroorganizmusok segítségével kisebb fajlagos költséggel, környezetbarát módon, a zöld kémia alapelveinek megfelelve érjük el ugyanazokat az eredményeket, mint a kémiai eljárásokkal Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutatómunka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Széchenyi 2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Hivatkozások L. BOKÁNYI et al, (2014): Recovery of Indium as a crtitical element from waste LCD panels, Proceedings of the 14th International Mineral processing Symposium, Izmir, Törökország, pp.645-651 L. BOKÁNYI és T. VARGA (2017): Bioleaching of vulcanization Sulphur, Proceedings the 6th International Conference on Carpathian Euroregion Ecology (CERECO 2017) p.:167-172 L. BOKÁNYI et al, (2018): Preliminary experiments on the bioleaching of indium from waste LCD panels, 5th International Scientific Conference on Biotechnology &Metals, Kosice 2018.

10.11-12 pp:2-15 133

B. CSŐKE et al, (2014): A possible source of indium - LCD display panels. In: Földessy János (szerk). Basic research of the strategic raw materials in Hungary. Miskolc: Milagrossa Kft., 2014. pp. 103-113. (CriticEL; 10) H. L. EHRLICH and C. L. BRIERLEY (szerk.) (1990): Microbial Mineral Recovery, McGrawHill, USA J. KISKOVA et al, (2018).: Analysis of autotropic sulphur oxidising bacteria from Slovak gold mine Hodrusa-Hámre, Proceedings of 5thBiotechnolgy and Metals Conference, p.34 S. NAGY et al, (2018): Influence of various mechanical preparation methods of LCD on the leachability of critical elements in Proceedings of V4 Waste Recycling 21 International Scientific Conference, pp. 77-86 S. NAGY et al (2018).: Mechanical Preparation Methods for LCD Panels Originated from Used TVs and Monitors. Proceedings of XVI. Balkan Mineral Processing Congress, University of Belgrade, 2015. pp. 229-235. ISBN:978-86-82673-10-1 N. PRADHAN et al, (2008): Heap bioleaching of chalcopyrite: a review. Miner. Eng. 21 (5), 355–365.

WANG S. et al., (2018): Enhanced bioleaching efficiency of copper from printed circuit boards, Hydrometallurgy (180) pp:65-71 J. WILLNER et al. (2018): Influence of temperature on indium and tin extraction from LCD glass during chemical and biological leaching, Proceedings of 5thBiotechnolgy and Metals Conference, p.102, 2018.

134

135

IX. LIGNOCELLULÓZOK HASZNOSÍTÁSA

136

IX/1. Dendromassza termesztés rövid vágásfordulójú energetikai faültetvényeken Dendromass production on short rotation plantation Vágvölgyi Andrea1 – Czupy Imre1- Szalay Dóra1 1

: Soproni Egyetem, Erdészeti-műszaki Környezettechnikai Intézet, Sopron vagvolgyi.andrea@uni-sopron.hu

Absztrakt Hazánk megújuló energia potenciáljának (2600-2700 PJ/év) reálisan hasznosítható értéke 405540 PJ/év, mely az energiaigények csaknem felét fedezni tudná. Az ország adottságait tekintve hosszútávon fenntartható és versenyképesen előállítható megújuló energiaforrás a biomassza. E megújuló energiaforrásnak nemcsak energetikai vonatkozása van, jelentős vidék- és agrárfejlesztési eszköz is. Hazánk teljes biomassza készlete számítások szerint 350-360 millió tonna, mely az összes hazai megújuló energiaforrások közel kétharmadát adja. A biomassza nagy részét a dendromassza, azaz a faalapú biomassza képezi. A dendromassza csoporthoz tartozó fás szárú energetikai ültetvényeken rövid idő alatt nagy mennyiségű faanyag termelhető.

A kutatás-fejlesztési munka során definiáltuk, rendszereztük az energetikai faültetvények termesztés-technológiáiban előforduló műveleteket és azok gépeit, gépi energiamérleget állítottunk fel és karbonkibocsátást számoltunk.

Kulcsszavak: biomassza, energetikai faültetvények, gépesítés, energiamérleg, karbonemisszió Bevezetés A megújuló energiaforrások felhasználása komoly szerepet tölt be az üvegházhatású gázok által előidézett éghajlatváltozás megfékezésében. Prognosztizálható az előállításukra vonatkozó elvárások növekedése, hiszen a jelenleg érvényben lévő 2020-ra előírt 20%-os kötelező részarány a végső elfogadás alatt álló RED II tervezete alapján 2030-ra várhatóan 32%-ra emelkedik az Európai Unió energiafogyasztásán belül.

Magyarország a Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Tervében 14,65%-os megújuló energiaforrás hasznosítási célt tűzött ki 2020-ig. (Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve 2010 – 2020). A KSH adatbázisa szerint az elmúlt években a megújuló energiaforrások részaránya hazánkban 6%-ról közel 13%-ra nőtt (1. ábra).

137

1. ábra: A megújuló energiaforrások részaránya a primer energiatermelésben 2005-2016 között [%] (KSH, 2018) A megújuló energiaforrások típusainak részarányát a primer energiatermelésben 2016-ban a 2. ábra mutatja be. A biomassza a megújuló energiaforrások között még mindig vezető szerepet tölt be több mint 77%-kal.

2. ábra: A primér megújuló energiatermelés forrás szerinti összetétele [%] 2016-ban (KSH, 2018) Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve fontos célként említi a biomassza potenciál hatékony felhasználását, mely fontos tényező hazánk adottságait tekintve a megújuló energiaforrások növelésében.

A jövő lehetőségeit a biomasszán belül az ültetvényszerűen termesztett megoldások (az energetikai ültetvények) jelenthetik, ezeken belül is az energetikai faültetvények, melyek:  rövid vágásfordulójú (vékonyfa termelő) energetikai faültetvények (jellemzőjük a rövid, max. 5 éves vágásforduló; a viszonylag vékony törzsátmérőjű 1-5 (10) cm-es faanyag; és az általában egymenetes betakarítás, pl. járvaaprítóval);  hosszú vágásfordulójú (hengeresfa-termelő) energetikai faültetvények (jellemzőjük ahosszabb max. 20 éves vágásforduló; a méretesebb törzsátmérőjű 10-15 (20) cm-es faanyag; és az általában többmenetes betakarítás). (Horváth et al., 2012) Az energetika faültetvények területének növekedése volt tapasztalható az elmúlt években (3. ábra).

138

2. ábra: Az energetikai faültetvények területfoglalása hazánkban 2009-2017 (NÉBIH, Erdészeti Igazgatóság) A rövid vágásfordulójú energetikai célú fás szárú ültetvények telepítése a NÉBIH Erdészeti Igazgatóságától kapott adatok alapján az utolsó egy évben erősen lecsökkent. Ennek oka a támogatás hiánya és egy új ipari célú fás szárú ültetvények telepítését támogató 5 milliárd forint nagyságrendű pályázat. (135/2017 (VI.9.) Kormányrendelet Vidékfejlesztési Program „Erdősítés támogatása”). Egyes felmérések szerint (Molnár et al., 2013) megfelelő támogatás és finanszírozás esetén20 éves távlatban 50 ezer ha ültetvény létesítésére nyílhat lehetőség Ezen ültetvényekről a termőhelytől függően évente 20-40 m3/ha faanyag nyerhető. Ez azt jelenti, hogy hosszabb távon évi 1,5 millió m3 körüli energetikai faanyag keletkezhet, így az energetikai faültetvények rentábilis alapanyagforrássá válhatnak. Energiamérlegük a szakértői becslések szerint nagyon jó, 1:10 és 1:16 között szórnak. Az irodalmak szerint a szórás adódhat a termelés és a felhasználás helyének távolságából, a tápanyag-utánpótlás lehetőségének módjából (műtrágya vagy kommunális szennyvíziszap és fahamu). Hajdú (2009) szerint az extenzív és intenzív, valamint kiváló és kedvezőtlen adottságú területen telepített akác, nyár, fűz ültetvények energia input/output hányadosa nagy szórást mutat: 2,3-18,5 között van. A folyamat alatt a legnagyobb gépigény a betakarítás és a logisztika során keletkezik. A pár hektárnál nagyobb, üzemszerűen működtetett rövid vágásfordulójú energetikai faültetvény állományokban csak és kizárólag gépekkel érdemes végezni a betakarításokat, mivel a gépek hatékonysága ilyen körülmények között jóval magasabb, mint az élőmunkáé (Marosvölgyi, 2001). A teljes termesztés és logisztika során gépek által kibocsátott szén mennyiségének összegzését, 3 különböző energia-befektetési szint mellet Dubuisson és Sintzoff (1998) végezte el. Vizsgálataikat az ültetvények teljes 25 éves élettartamára végezték. Eredményeik szerint 7 129-11 283 kgC/ha. A magas szénkibocsátás oka, hogy számításaik során a közvetett energiaigényeket is figyelembe vették, mint pl. a műtrágya előállítás magas energiaigénye vagy kerítés alkalmazása.

Energetikai faültetvények gépesítési technológiája Az ültetvények termesztés-technológiájához kapcsolódó lépéseket, az ehhez tartozó gépeket a 4. ábra foglalja össze.

139

4. ábra: Az energetikai faültetvények termesztés-technológiáiban előforduló műveletek és azok gépei (Czupy et al., 2012 alapján) Az energetikai faültetvények termesztés technológiájában az egyes műveleteikhez kapcsolódó gépekre vonatkozóan a következő megállapítások tehetők:  a terület-előkészítés, a talaj-előkészítés, az ápolás, a faanyagszállítás és részműveleteik teljes egészében megoldhatók a hagyományos erdőgazdálkodás területén használt gépekkel;  a telepítés részműveletei közül a vetés, a csemete és a szálvessző ültetés teljes egészében megoldható a hagyományos erdőgazdálkodás területén használt gépekkel, csak a dugványozás igényel új fejlesztésű gépeket;  a hosszú vágásfordulójú energetikai faültetvények betakarítása a hagyományos erdőgazdálkodás területén használt gépekkel oldható meg;  a betakarítás részműveletei közül csak a szakaszos (döntő- kötegelőgépek) és folyamatos működésű (járvaaprító gépek, járvabálázó gépek, járvakötegelő gépek és járvapelletáló gépek) döntő-felkészítőgépek új fejlesztésű gépek;  a szállítás részműveletei közül csak a mozgórakoncás kihordók új fejlesztésű gépek;  a felkészítés művelete (aprítás) megoldható a hagyományos erdőgazdálkodás területén használt gépekkel;  a felszámolás részműveletei teljes egészében megoldhatók a hagyományos erdőgazdálkodás területén használt gépekkel. (Horváth et al., 2016) A technológiájához szükséges gépfejlesztés folyamatát az alábbi ábra foglalja össze (5. ábra).

140

5. ábra: A gépfejlesztések folyamata A gépfejlesztések előtt meg kell vizsgálni a különböző típusú gépek használatát a gyakorlatban, a felmerülő hibákat, hiányosságokat, ezt követően elvégezni a gépfejlesztést, majd ezek tesztelése következik a gyakorlatban, ezzel a folyamattal hozzájárulunk az ültetvények optimális üzemeltetéséhez.

Az elmúlt években az energetikai faültetvények termesztés technológiájához kapcsolódóan Intézetünkben külső partnerekkel együtt az alábbi gépfejlesztések történtek.  energetikai faültetvény telepítő gép (kétsoros félautomatikus (lökő rendszerű) adagolószerkezetű dugványozógép);  energetikai faültetvény ápoló gépek fejlesztése (injektáló gép, pajorkár elleni védelem);  betakarító gép fejlesztése (OG-FD döntőgép; OPTI-VFA döntő-aprító gép);  aprítógép fejlesztése (a kisgazdaságok energetikai célú faanyagának kezelésében jelent segítséget, de alkalmazható lesz a kisebb területű rövid vágásfordulójú (vékonyfa termelő) energetikai faültetvények betakarításának folyamatában is);  döntő-kötegelőgép fejlesztése (energetikai faültetvények többmenetes betakarításának első menetében alkalmazható gép prototípusa);  kötegelőszerkezet fejlesztése. (Czupy et al., 2012) Energetikai faültetvények energiamérlege A kutatásaink során gépi energiamérleg vizsgálatok is történtek. A célunk az volt, hogy meghatározzuk 20 éves ciklusban a befektetett gépi energia és a letermelhető faanyag energiatartalma milyen viszonyban van egymással.

A technológiai modellek kialakításakor a területnagyságot és az ültetési hálózatot vettük figyelembe. Az ültetvények ajánlott telepítési hálózata 3 m x 0,5 m.

A területnagyság tekintetében három kategóriát definiáltunk:  3 ha-nál kisebb területű (alacsony munkagép teljesítmény);  3-20 ha-os (közepes munagép teljesítmény) és 141



20 ha-nál nagyobb (magas munkagép teljesítmény) méretű ültetvények esetére dolgoztuk ki a technológiai modelleket, ezek a területnagyságok különböző gépesítési igényűek.

A modellültetvény 2 éves vágásfordulóval, 20 éves időtartalomra tervezett sarjaztatásos eljárással üzemeltetett nyárültetvény. A kiszámolt energiamérlegek átlagos technológiákra vonatkoznak, átlagos műszakidővel és átlagos gépi fogyasztással. A számoláshoz felhasználtuk továbbá a gépek teljesítményét, a gázolaj fűtőértékét, az ültetvény hozamát (20 nedves t/ha/év) és az apríték fűtőértékét (nedves állapotban: 7 MJ/kg).

A 3 ha-nál kisebb területű ültetvények esetén a 6. ábrán bemutatott technológia alkalmazható.

6. ábra:Technológiai modell 3 hektárnál kisebb területű ültetvényekre Az ültetést megelőzően talajelőkészítést szükséges végezni, amely tarlóhántást, mélylazítást és magágykészítést vagy szántást és magágykészítést foglal magában. A dugvány vagy csemeték kiültetése kézi erővel, ékásóval, illetve kisebb teljesítményű dugványozó vagy ültetőgéppel történhet. A sorközművelés (vegyszeres gyomirtás) permetezőgéppel végezhető el. A betakarításhoz motorfűrészt vagy tisztítófűrészt alkalmazunk, majd a mobil aprítógéppel felaprított faanyagot a felhasználás helyére szállítjuk. A munkagépek mindegyike akkor teljesítmény-igényű, hogy közepes kategóriájú univerzális traktorral üzemeltethető.

A 3–20 hektáros ültetvényeken alkalmazható technológiát az 7. ábra mutatja.

7. ábra: Technológiai modell 3–20 hektár területnagyság esetén

142

A talajelőkészítést követően az ültetvény telepítése dugvánnyal vagy csemetével középkategóriás univerzális traktorral üzemeltetett munkagéppel végezhető el.

Sorközművelésre permetezőgép használható. A betakarítás döntő-aprító géppel, vagy a döntést és kötegelést egy menetben elvégző bálázógéppel történik. Ezt követi a biomassza elszállítása.

A munkagépek teljesítmény-igénye ez előbbi kategóriánál nagyobb.

A 20 ha-nál nagyobb területeken a technológiai lánc a 8. ábra szerinti.

8. ábra: Technológiai modell 20 hektárnál nagyobb ültetvényekre Ekkora területnagyság esetén a technológiai láncban csak a betakarítás módja különbözik az előzőekben leírtaktól. Erre a célra nagy teljesítményű magajáró döntő-aprító gépek ajánlhatók.

A számolás eredményeképpen elmondható, hogy a számolt példánál a legkisebb gépesítési igénynél, a kis teljesítményű gépek esetében a legjobb az energiamérleg 1:46. Ebben az esetben az energiafelhasználás 20 év alatt az ültetvény 1 hektárjára vonatkoztatva 59775 MJ volt.

Közepes teljesítményű gépeknél a betakarításnál két eltérő géptípust vettünk figyelembe, biobaler esetén az energiamérleg 1:26 (energiaigény: 106 632 MJ), döntő-aprító gép esetében 1:35 (energiaigény: 78 132 MJ) volt. Nagy teljesítményű gépkategóriánál az energiamérleg 1:37 (energiaigény: 75 331 MJ) volt. Az alacsony és magas munkagép teljesítmény igény esetében az egyes munkafázisok energiaigény megoszlását a 9. ábra szemlélteti. Az energiamérlegek számítása során minden esetben 2 800 000 MJ/ha kinyerhető energiával számoltunk az ültetvény 20 éves fenntartási idejére vonatkozóan.

9. ábra: Az egyes munkafázisok energiaigény megoszlása alacsony és magas munkagép teljesítményigény esetében 143

A természetes karbon körforgalom fás szárú energetikai ültetvények esetében rövid, zárt karbonciklust alkot, nem emeli a légkör CO2-mennyiségét, sőt a lombozat és a gyökérzet által C megkötés történik a talajban rövidebb-hosszabb időre. Azonban a termesztés, szállítás és hasznosítás során alkalmazott gépek kibocsátásai a légkört terhelik. A termesztés gépi munkáinak emisszióit tekintve a fenti energiamérleg számításokat figyelembe véve két kategóriára és egy hektárra vonatkoztattuk a szénkibocsátás számításainkat, melyet az 1. táblázat foglal össze. A számítások során feltételeztük, hogy minden liter gázolaj esetében 2,68 kg CO2 szabadul fel (WEB1). A CO2 molekula összetevőinek moláris tömegéből kiindulva ~0,73 kg C szabadul fel literenként.

1. táblázat: Gépi munkák során kibocsátott szénmennyiségek (C) becslése alacsony és magas munkagép teljesítmény mellett, kétéves vágásfordulót feltételezve Alacsony telj.

munkagép

Magas munkagép telj.

Üzemanyagig. [l/ha]

Kibocsátott szén [kg/ha/20év]

Üzemanyagig. [l/ha]

Kibocsátott szén [kg/ha/20év ]

2

12,34

18,18

14,06

20,71

Mélyszántás

2

85,50

125,95

86,26

127,07

Magágykészítés

1

7,93

5,84

9,50

7,00

Műtrágyaszórás

12

4,23

37,39

4,56

40,30

Ültetés

1

45,15

33,26

38,00

27,99

Gépi ápolás tárcsával

42

12,34

381,74

14,06

434,95

Vegyszerezés

20

9,70

142,89

14,06

207,12

Betakarítás+ aprítás

10

39,00

287,25

62,93

463,52

Szállítás+rakod ás (10-15t)

10

11,28

83,08

13,68

100,77

Ültetvényfelszámolás

1

120,74

88,93

120,74

88,93

Művelet

Alkalom [db]

Talajelőkészítés tárcsával

Összes kibocsátott szén [kg /ha/20év]

1204,51

1518,36

A szén-kibocsátás valamelyest csökkenthető néhány munkafolyamat egyszerűsítésével vagy elhagyásával. Rövid vágásfordulók esetében kicsi termesztőterület és alacsony munkagép teljesítmény igény esetében az ültetés kivitelezhető kézi erővel, míg kevésbé gyomfertőzött talajokon és alacsony kártevevő, valamint kórokozó mennyiség jelenléte esetében a vegyszerezés elhagyható. A műtrágyaszórás alacsony minőségű mezőgazdasági területeken a talaj tápanyag-utánpótlására és a kielégítő hozamok eléréséhez elengedhetetlen, azonban ennél 144

magasabb minőségű talajokon ma még kevésbé jellemző munkafolyamat. Összességében ezeknek a folyamatoknak a szénkibocsátása nélkül a gépi munkák során kibocsátott szénmennyiség 1205 kg/ha/20 év helyett 991 kg/ha/20 évre csökkenthető. Ez jóval elmarad a természetes folyamatok során megkötött és kibocsátott szén mennyiségétől, amely azonban semlegesnek tekinthető.

Köszönetnyilvánítás A kutatást az EFOP-3.6.2-16-2017-00010 azonosító számú, „Fenntartható Nyersanyaggazdálkodás Tematikus Hálózat – RING 2017” című projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap és Magyarország költségvetése társfinanszírozásában valósul meg.

Hivatkozások CZUPY I. - VÁGVÖLGYI A. - HORVÁTH B. (2012): The Biomass Production and its Technical Backgorund in Hungary. In: T Pentek, T Prosinsky, M Sporcic (szerk.) Proceedings of 45th International Simposium on Forestry Mechanization: "Forest Engineering: Concern, Knowledge and Accountability in Today's Environment" Zagreb: University of Zagreb, 2012. pp. 1-9.ISBN:978-953-292-025-3 DUBUISSON, X., SINTZOFF, I (1998): Energy and CO2 balances in different power generation routes using wood fuel from short rotation coppice. Elsevier Science, Biomass and Bioenergy Vol. 15, pp. 379-390 HAJDÚ J. (2009): A szilárd biomassza hőenergetikai hasznosítása. OBEKK tudományos szakmai kiadványok sorozata (10/12), Gödöllő.

HORVÁTH B. (szerk.) (2016): Erdészeti géptan. Szaktudás kiadó Ház Zrt. Bp. KÖZPONTI STATISZTIKAI HIVATAL ADATTÁR, 2018 MAGYARORSZÁG MEGÚJULÓ ENERGIA HASZNOSÍTÁSI CSELEKVÉSI TERVE 2010 – 2020 WEB1:https://people.exeter.ac.uk/TWDavies/energy_conversion/Calculation%20of%20CO2% 20emissions%20from%20fuels.htm MAROSVÖLGYI B. (2001): Biomassza-hasznosítás I., NYME Energetikai Tanszék, Jegyzet.

MOLNÁR S. - PÁSZTORY Z. - KOMÁN SZ. (2013): A faenergetika minőségi fejlesztésének szakmai megalapozása (mire elég a magyar dendromassza?!). FATÁJ online. Elérhető: www.fataj.hu; Letöltés: 2013. május 19.

NÉBIH- ERDÉSZETI GAZGATÓSÁG ADATAI VÁGVÖLGYI A. (2013): Fás szárú energetikai ültetvények helyzete Magyarországon napjainkig; üzemeltetésük, hasznosításuk alternatívái. PhD dolgozat, Nyugat- magyarországi Egyetem.

145

IX/2. Erdőgazdálkodási munkák környezetre gyakorolt hatásai és értékelésük Environmental effects of forestry management Vágvölgyi Andrea - Szakálosné Mátyás Katalin - Dancs Mária-Papp Viktória Soproni Egyetem, Erdészeti-műszaki Környezettechnikai Intézet, Sopron szakalosne.matyas.katalin@uni-sopron.hu Absztrakt Az emberi társadalom szempontjából fontos szerepet töltenek be az erdők: gazdasági (fakitermelés, erdei melléktermék hasznosítás, szaporítóanyag, vadgazdálkodás), közjóléti és védelmi célokat is szolgálnak. A bioszféra egyensúlyának fenntartásában, a zárt szén-ciklus útján enyhítik a CO2 emissziót. Az erdők jelentős védőhatást is szolgáltatnak: talajvédelem (erózió, defláció), vízvédelem, légtisztító és klímajavító hatás, zajcsökkentés, mezőgazdasági területek védelme, élővilág-védelem, humánökológiai szolgáltatások.

Az erdő faállománya, mint élő organizmus, aktívan reagál az emberi beavatkozásra és járul hozzá saját fejlődéséhez és környezete fenntartásához. (Dancs, 2017) Az erdőgazdálkodási tevékenységek közül a fahasználat jelentős hatást gyakorol a környezet elemeire. Célunk volt feltárni, milyen következményei lehetnek a fakitermelési, faanyagmozgatási munkáknak, mely gépekkel, eszközökkel és munka rendszerekkel milyen károkozások járhatnak.

Abstract Forests are an important role in human society: economic (logging, forest by-product utilization, propagating material, game management), public welfare and defense goals. In the maintenance of the balance of the biosphere, CO2 emission is relaxed through the closed carbon cycle. The forests also provide significant protection: soil protection (erosion, deflation), water protection, air purification and air conditioning, noise reduction, protection of agricultural land, protection of wildlife, human ecological services.

The trees as a living organism actively responds to human intervention and contributes to its own development and the maintenance of its environment. (Dancs, 2017) Forest use activities have the most significant impact on the environment. Our aim was to find out what could be the consequences of logging and harvesting work, which can be caused by machines, tools and work systems.

Kulcsszavak: fahasználat; gépek; eszközök; munkarendszer; környezet; hatás; károkozás Keywords: wood use; machines; tools; working systems; environment; effect; injury Az erdőgazdálkodási munkák hatása a környezetre A következőkben az fakitermelés által okozott károkat/hatásokat ismertetjük.

A visszamaradó állományban okozott károk Az okozott kár forrása lehet főként:  döntéskor a másik fának csapódó kivágott fa, 146

a közelített faanyag által okozott kéregsérülés,  a közelítéskor használt eszközök (daru, drótkötél, maga a közelítőgép).

A sérülések kaput nyitnak a fertőzéseknek, aminek következtében elindulhat a korhadás folyamata, a fa egészségi állapota romlik. A döntés során komoly kár keletkezhet a visszamaradó fákban. A törzsre rádőlő fa kéregleválását okozhat. Az elvesztett koronanagyság pedig visszavetheti a faegyed növekedését.

Az anyagmozgatás során a vágásterületen mozgó gép vagy mozgatott (vonszolt) faanyag által keletkezik kár a visszamaradó faegyedekben. A kár képe és nagysága az alkalmazott munkarendszertől, géptől, közelítőnyom hálózattól, rakomány méretétől, talajállapottól stb. függ. (Sárik, 2013). 

Újulatban okozott károk A fák döntése előtt fel kell mérni az újulat nagyságát, elhelyezkedését. Ha a fát nem lehet kidönteni anélkül, hogy újulatba dőlne, akkor inkább a fiatalabb folt felé érdemesebb a döntési irányt megválasztani. A fiatal fák hajlékonyságuknál fogva jobban ellenállnak a hajlításnak, törésnek, könnyebben regenerálódnak, azonban az ujjnyi vastag törzzsel rendelkező kis fák már nem ilyen hajlékonyak, könnyebben törnek és könnyebb lehántani a kérgüket is. Az újulatra a nagyobb veszélyt a közelítés jelenti. A gép mozgása közben letiporhatja, kitúrhatja, letörheti a meglévő újulatot. Az újulat sérülései utat nyithatnak a gombafertőzésnek is.

1. ábra Újulat károsodás (Fotó: Dancs Mária, 2017) Gyökérsérülések A fák gyökérzetének jelentős része, 65-85%-a helyezkedik el a talaj felső 10 cm-es rétegében.

(Mihály, 1993). Minél nagyobb méretű a törzs, annál több vastag gyökeret fejleszt és ezek annál távolabbra haladnak a talajban a törzstől. A fák oldalgyökérzete sűrűn szövi át a felső talajréteget, így fokozott veszélynek vannak kitéve. A vékonyabb kisebb gyökerek akár már egy-két áthaladás esetén is jelentős károkat szenvedhetnek el. A vastagabb gyökereknél a kéregleválás okozhat problémát. Egy állományon való áthaladáskor tehát nagyszámú gyökér van kitéve a közelítő eszköz járószerkezete által okozott kedvezőtlen hatásoknak. Ezeket a hatásokat a talajra merőleges − a gép tömegéből fakadó − nyomóerő, valamint a járószerkezet vízszintes irányú erőhatása a nyíróerő eredményezi (Mihály, 1993). A finom gyökérzet regenerálódása elég gyors, nagyjából 20-30 nap elteltével már új gyökerek fejlődnek a sérültek közelében. A vastagabb gyökerek ritkán nyomódnak szét, ezek esetében a kéregleválás a gyakoribb kár. Fagyott állapotban a kéreg ledörzsölődéssel szembeni ellenállása 8-10-szer nagyobb, mint fagymentes állapotban (Mihály, 1993).

A gyökérsérülések mértékét, a károk nagyságát befolyásolják még a közelítő gépek járószerkezetének tulajdonságai is.

147

Talajkárok Az erdőben dolgozó gépek nemcsak a növényzetet, hanem a talajt is károsítják, ami közvetve a növényzetben is kárt okozhat. Az okozott kár sok tényezőtől függ: fizikai talajféleség, talaj nedvességtartalma, gép tömege, rakomány tömege, érintkező felület nagysága, abroncsnyomás, abroncs profil, járószerkezet kialakítása, alkalmazott technológia. Az anyagmozgatás során alkalmazott gépek a legnagyobb kárt a talajban okozhatják. Az erdőhasználat, fakitermelés során a talajban okozott károknak négy csoportját különíthetjük el: vonszolási károk, tömörödés, erózió, hidraulika-olaj elfolyás (Rumpf, 2001).

2. ábra Talajkár (Fotó: Dancs Mária, 2016) Állatvilágban okozott károk A fakitermeléssel számos élőlény veszti el élő- és búvóhelyét, valamint táplálékforrását. Ez a nagy kiterjedésű tarvágásoknál kifejezetten probléma. Felújító vágásos üzemmódban a káros hatások jelentősen csökkenthetők. Amikor egy erdőrészlet letermelésre kerül, a környező területeken nagy biztonsággal találnak új életteret az állatok. Ilyen szempontból a legkielégítőbb a folyamatos erdőborítás biztosítása, szálalás alkalmazása (Sárik, 2013).

Az állatok, elsősorban a nagyvad hamar megszokják a motorfűrészek és a gépek zúgását, az erdőben végzett munkát. Ami potenciálisan veszélyt jelent az a fészkek, oduk és bolyok elvesztése. Körültekintő jelöléssel és munkavégzéssel, a természetvédelmi hatósággal egyeztetve ezeket elkerülhetjük, különös tekintettel a védett állatok élő- és fészkelőhelyeire.

Embert érő hatások Az erdőgazdálkodási munkák 83%-a nehéz munkakörülményi fokozatba tartozik. (Rumpf (szerk.), 2016). Az erdészeti munka sajátosságai: változó munkahely; szélsőséges időjárási hatások; a munkahely felülete miatt állandó elcsúszási, elesési veszély; balesetveszélyes szerszámok, gépek alkalmazása; egészséget veszélyeztető élő környezet (kullancs, szúnyog, darazsak, méhek, vérszívó legyek, bőrgyulladást okozó hernyók, vipera).

Az erdőn dolgozó emberek folyamatos veszélyeknek vannak kitéve, melyek a következők: balesetveszély; zajártalom; vibrációártalom; kedvezőtlen klimatikus viszonyok.

Az erdészeti munkavégzéshez szükséges munkavédelmi előírásokat az Erdészeti Biztonsági Szabályzat tartalmazza.

A zajártalom a munkavégzés velejárója. Megfelelő hallásvédő eszközökkel (fültok) elfogadható szint alá csökkenhető a mértéke.

148

A vibráció főként a motorfűrész- és gépkezelőt éri. Foglalkozási megbetegedést (vibrációs ártalom) okoz. Ez a gépek, szerszámok megfelelő tervezésével, felfüggesztésével, rendszeres bevizsgálásával, védőkesztyűk használatával, fűtött kormánnyal csökkenthető. További védekezési mód, hogy az ártalomnak kitett dolgozó rendszeres orvosi ellenőrzés mellett és korlátozott expozíciós idővel dolgozhat.

A megfelelő szakértelem és védőfelszerelések hiánya tragikus balesetekhez is vezethet. A motorfűrészen gyorsan mozgó, éles lánc balesetet okozhat. Kiemelten fontos a biztonsági szabályok betartása, és a vágásvédő betét a ruházatban, illetve cipőben. A motorfűrészek üzemanyagaként használt hagyományos benzin-olaj keverék és a lánckenésre használt láncolaj ásványi olaj termékek. Ezek számos, egészségre ártalmas anyagot tartalmaznak (pl. rákkeltő hatású benzol).

Munkarendszerek vizsgálata, az értékelés módszertana A fakitermelés során okozott -az előzőekben leírt-károkat/hatásokat, azok mennyiségét és minőségét többféle vizsgálati módszerrel határozhatjuk meg. A fakitermelési munkálatok kíméletességi szempontú értékelése a vizsgált mintaterületeken Gólya János (2003) kíméletlenségi mátrixa alapján készült. (1. táblázat)

1. táblázat Fakitermeléssel okozható károsítások súlyozása (Gólya, 2003)

149

A különböző fakitermelési munkarendszerek környezeti elviselhetőségének vizsgálatát célzó módszer 26 lehetséges munkaműveletet sorol fel, esetenként a lehetséges végrehajtási eszközök szerint is megkülönböztetve azokat. Pl. a DÖ/MF, motorfűrészes (MF) döntést (DÖ), a KÖZ/CSV, csörlős vonszolós (CSV) közelítést (KÖZ) jelent stb.

A munkaműveleteket és az eszközöket a „Fakitermelés kíméletlenségi mátrixa” című táblázat (2. táblázat) tartalmazza.

A táblázatkezelő program lehetővé teszi a mátrix bővítését és igény szerinti megváltoztatását is.

A mátrix belsejében (technikai okokból) „1” jel kerül azokhoz a károsításokhoz, amelyek előfordultak, illetve potenciálisan előfordulhatnak az adott művelet adott eszközzel történő végrehajtásakor. Abban az esetben, ha nincs kártétel 0-át írunk. A mátrix utolsó oszlopában látható, hogy egy adott károsítást hányféle művelet és végrehajtási mód okozhat. A két legalsó sorban pedig a súlyszámok figyelembevételével számítjuk a „Kíméletlenségi mutatót”, ami az egyes károsítások súly% értékeinek és a mátrix belsejében lévő számoknak a szorzatösszege. A kapott számok alapján összehasonlíthatjuk a munkarendszereinket, minél kisebb értéket kaptunk az annál kíméletesebb (Gólya, 2003).

Ezzel a módszerrel egyszerre meghatározható a Környezetkíméletlenségi (továbbiakban: KKM) és a Kíméletlenségi mutató (továbbiakban: KM) is. Az értékelés módjából látható, hogy a kisebb értékek a kedvezőbbek, mert az azt jelenti, hogy kevésbé kíméletlen a munkarendszer.

2. táblázat Fakitermelés kíméletlenségi mátrixa (Gólya, 2003)

A Kíméletlenségi mutatónál (KM) figyelembe vesszük a potenciálisan okozható zaj-, vibrációártalmat, kedvezőtlen klímát, balesetveszélyt, faanyag sérülését és szennyeződését. Vagyis ennél a mutatónál a munkarendszer emberhez, kitermelt faanyaghoz való kíméletességét is figyelembe vesszük. Ellenben a Környezetkíméletlenségi mutatónál csak a környezethez való viszonyát vizsgáljuk a munkarendszernek (Gólya, 2003).

Ha egy konkrét munkarendszert kívánunk elemezni, akkor a fenti mátrixból – az adott munkarendszer műveleteit tartalmazó – kivonatot kell készíteni. Elég az arra jellemző munkaműveleteket és gépeket feltüntetni, és ezeket táblázatba foglalni.

A kutatás során összesen 10 erdőrészletben történtek munkarendszer vizsgálatok. Ebből 8 forvarderes rövidfás munkarendszer, 1 CTL (harveszter+forvarder gépegyüttessel végzett rövidfás) munkarendszer és 1 csörlős vonszolós hosszúfás munkarendszer volt. Terepi mérések során a munkavégzés alatt a visszamaradó állományban, újulatban, talajban okozott károk 150

vizsgálta történt. Véghasználatok esetében a területen maradt hagyásfák és a vágásterülettől egy famagasságnyi távolságra álló faegyedek kerültek vizsgálatra. Szálalás esetében a sérült fák mennyiségét a terület nagyságához valamint az állomány sűrűségéhez viszonyítottuk. A kéregsérülések megítélése azok kiterjedésétől és elhelyezkedésétől is függött. Azonos nagyság mellett a tő és gyökfő sebzés súlyosabb értékelést kapott. Az újulat esetében a sérült foltok olyan területhez viszonyítottuk, ahol nem történt a fakitermelés során károkozás. A talajban okozott károk vizsgálata során a terület nagyságától függően bizonyos számú közelítőnyom került kiválasztásra és azokon 5-10 méterenként (a nyom hosszától függően) pontos mérések történtek.

Eredmények - a hatások rendszerezése A hatásvizsgálatok során az események, jelenségek közötti összefüggéseket tanulmányozzuk.

A környezeti hatásvizsgálatok a környezetben bekövetkező változások, végbemenő folyamatok feltárására irányul. Környezeti hatások azok az emberi tevékenység miatt bekövetkező változások, melyek a környezeti elemekben, rendszerekben jelentkeznek.

Vizsgálatunkban során az erdőgazdálkodás, azon belül is a fakitermelés, faanyagmozgatás környezetre gyakorolt hatásaival, környezetterhelésével foglalkoztunk. A következőkben a jelentős hatással járó műveleteket, folyamatokat, azok hatótényezői, hatásviselőit és ezek környezeti hatásait kerültek rendszerezésre.

3. táblázat: Hatások rendszerezése (Dancs, 2017)

Összefoglalva elmondható, hogy a sérülések előfordulásának gyakoriságát és súlyosságának mértékét legnagyobb mértékben a közelített választék mérete és a közelítő eszköz paraméterei befolyásolják. A sebek súlyosságát az évszak, a kivitelezett munka minősége, az alkalmazott munkarendszer határozza meg leginkább.

A módszertannál ismertetett „Gólya-féle” kíméletlenségi mátrixokban kapott értékek a munkarendszerek összehasonlítására adnak lehetőséget. A 1. ábrán láthatjuk az egyes munkarendszerekhez kapott Kíméletlenségi (KM) és Környezetkíméletlenségi (KKM) mutatókat. A kapott értékek alapján a forvarderes rövidfás munkarendszer érte el a legjobb 151

eredményeket. Jelen esetben a csörlős vonszolós hosszúfás és a CTL munkarendszer közel azonos kíméletlenségi értéket kapott. Környezetkíméletlenségi értéke a CTL munkarendszernek a legmagasabb. A legnagyobb kíméletlenségi értéket azok a rövidfás munkarendszerek kapták, amikben csörlős vonszolót is alkalmaztak a forvarder mellett.

3. ábra: Munkarendszerek összehasonlítása a kíméletlenségi mátrixban kapott értékek alapján (Dancs, 2017) Az eredmények alapján az alábbi megállapítások tehetők. Szálalás során kíméletesség szempontjából a rövidfás munkarendszer ajánlott és lehetőségek szerint törekedni kell a kisméretű forvarderek alkalmazására. Véghasználatok során, ahol a természetes újulatra alapozzák az erdő felújulását létfontosságú a csemeték védelme. Legkíméletesebb az emelve történő faanyagmozgatás, rövidfás vagy hosszúfás munkarendszerben. Ajánlható gépek a kihordó szerelvények és a kihordók. Amennyiben a terepadottságok kedvezőtlenek kénytelenek vonszolókat alkalmazni. Fontos, hogy a lehetőségekhez mérten, próbálják a közelítéseket száraz, fagyos időben végezni, hótakaró jelenlétében. Összeségében elmondható, hogy a vizsgált erdőrészekben a végzett munka kíméletessége többnyire megfelelő volt.

Javaslatok A továbbiakban néhány lehetséges technológiát ismertetünk a környezeti károk enyhítése céljából.

A gyökérsérülések és talajkárok mértékét befolyásolják a közelítő gépek járószerkezetének tulajdonságai.

A talajnyomás többféleképpen is csökkentő:  kerekek számának növelésével nagyobb felületen oszlik szét a gép és rakományának tömege, így csökken a fajlagos talajnyomás, viszont a több kerék miatt megnő az áthaladások száma;  szélesebb abroncs alkalmazásával tovább csökkenthetjük a talajnyomást és a gép stabilitását is növelhetjük.  ajánlott az alacsonyabb nyomású abroncsok alkalmazása is.  a mintázat is jelentősen befolyásolja a gép viselkedését terepen.  kíméletesség szempontjából a sűrű, lekerekített és alacsony bordákkal rendelkező széles abroncsok az ideálisak (Sárik, 2013; Kovács, 2016) A kerekek ikertengelyre („boogie” tengely) való rögzítésével egyenletesebb tömegeloszlás 152

érhető el, mint szólótengelyek esetén. Míg a szólótengelyek bizonyos akadályokon való áthaladáskor egyenként a levegőbe emelkedhetnek – emiatt nő a nyomófeszültség a talajon maradó kerekeknél – addig az ikertengely kerekei a himbakar szabad elfordulása miatt mindig érintik a talajt, így a kerekek között mindig egyenletes tömegeloszlás van (Szily, 2012; Kovács, 2016).

A fejlett hidraulikus elemek és elektronikus vezérlés segítségével kialakítható olyan meghajtás, melynél az egyes kerekekre jutó nyomatékok ellenőrizhetőek, így optimalizálható a gép haladása (Mihály, 1993). Ezeknek a szerkezeti megoldásoknak az alkalmazása nemcsak a gyökérzetet, de a termőtalajt is kíméli.

A lánctalpas, gumihevederes járószerkezetek tanulmányozása, fejlesztése korszerű anyagok alkalmazásával is fontos lehet. (4. ábra)

4. ábra: Vizes, mocsaras területre készült lánc (Forrás: url 1.)

Az úgynevezett BigFoot technológiával (5. ábra) egyenletesebb súlyelosztást kapunk a nagyobb felfekvő felületnek köszönhetően. Emellett a gép és a rakomány stabilitását is segíti a szélesebb kialakítású lánc.

5. ábra: BigFoot technológia (Forrás: url 2.)

A kihordó vontatók és forvarderek emelve közelítik a faanyagot, míg a különböző vonszolók a vágásterületen végighúzzák a kitermelt fát, ezzel nem csupán a közelítőgép károsítja a talajt, hanem maga a választék is. Ezért kíméletesség szempontjából a vonszolók kevésbé ajánlottak.

Ahol lehetséges a forvarderes közelítéses kihordást javasolható Érdekes megoldás a John Deere „walking harvester” (6.ábra) alkalmazása, melynek elsődleges funkciója a nehéz terepen való fakitermelés (csak prototípus).

153

6. ábra Walking harveszter technológia (Forrás: url 3.)

A Logset finn erdészeti gépgyártó 2016-ban mutatta be az első hibrid technológián alapuló harvesztert (7. ábra). A hibrid rendszer azonnal reagál a terhelésekre és a legnehezebb feladatokat is kezelni tudja nagy teherbírása miatt. A rendszernek kettős előnye van, a nagy teljesítmény és az alacsony üzemeltetési költség. A Logset hibrid harveszter megfelel minden modern ökológiai szabványnak.

7. ábra: Logset hibrid harveszter (Forrás: url 4-5.)

154

Köszönetnyilvánítás A kutatást az EFOP-3.6.2-16-2017-00010 azonosító számú, „Fenntartható Nyersanyaggazdálkodás Tematikus Hálózat – RING 2017” című projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap és Magyarország költségvetése társfinanszírozásában valósul meg.

Hivatkozások DANCS M. (2017): Erdőgazdálkodási munkák környezetre gyakorolt hatásainak vizsgálata a Zalaerdő Zrt. Bánokszentgyörgyi Erdészetének területén. Diplomamunka, Soproni Egyetem, Erdőmérnöki Kar 90 p. Sopron.

GÓLYA J. (2003): Fakitermelési munkarendszerek gyérítésben. Doktori értekezés, 171 p.

Sopron.

KOVÁCS L. (2016): Erdészeti gépfejlesztések, Timbertrans Kft., interjú, 2016.10.08.

MIHÁLY S. (1993): A fakitermeléssel okozott károk és a kíméletes fakitermelés lehetőségei.

Kandidátusi értekezés, 111 p. Sopron.

RUMPF J. (2001): Erdőhasználattan. Oktatási segédlet. Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar. RUMPF J. (szerk.) (2016): Erdőhasználat, Mezőgazda Kiadó, 390 p. Budapest SÁRIK P. (2013): Munkarendszerek összehasonlító vizsgálata a Pilisi Parkerdő Zrt. Pilismaróti Erdészetének területén, Diplomamunka, Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, 73 p. Sopron.

SZILY A. (2012): A fakitermelés kíméletessége a Mecsekerdő Zrt-nél. Diplomamunka, Nyugat-magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, 68 p. Sopron. url 1: http://www.eco-tracks.com/products/eco-tracks/over/baltic url 2: http://www.hsm-forest.net/cms/tl_files/HSM/Downloads/Datenblaetter /HSM_208F_Bigfoot_EN.pdf url 3: http://blog.machinefinder.com/3255/john-deere-walking-harvester url 4: http://www.logset.com/12H_GTE_Hybrid url 5.:http://www.visedo.com/en/news/most-powerful-forest-harvester-market-rolls-out-hybridpower

155

IX/3. Akác felújítás és telepítés gépesítésének vizsgálata Research in the mechanization of black locust renewal and planting Major Tamás, Czupy Imre, Horváth Attila László, Kiss Andrea Tünde Soproni Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézet, Sopron Absztrakt Ma Magyarországon a fehérakác (Robinia pseudoacacia) a legelterjedtebb, és legszélesebb körben felhasznált fafaj. Elterjedtsége és sokrétű felhasználása miatt érdemes megvizsgálni a különböző erdőfelújítási technológiák gépesítési lehetőségeit, illetve ennek költségeit.

Vizsgálatainkat a Nyírerdő Nyírségi Erdészeti Zrt. területén végeztük. A vizsgálatok alapján kijelenthető, hogy a gyökérszaggatással végzett erdőfelújítások költsége a legkedvezőbb és az ültetéssel történő erdőtelepítés vagy felújítás kerül a legtöbbe. A gyökérszaggatással történő felújítás hátránya azonban, hogy többszöri alkalmazása után a választékösszetétel és ennek következtében a fahasználati árbevétel jelentős romlása figyelhető meg.

Kulcsszavak: akác, gépesítés, fajlagos költség, Nyírség Bevezetés A fehér akác (Robinia pseudoacacia) Magyarországon, azon belül az Alföldön az egyik legelterjedtebb, legszélesebb körben felhasznált fafaj. Az összes erdőterület több mint 24%-át borítják akácosok, ez 451 771,95 hektárt és 50 829 689,00 m3 fát jelent (Országos Erdőállományi Adattár, 2015). A legjelentősebb akáctermesztő körzetek a Nyírség, a Cserhát, a Gödöllői dombvidék, a Duna-Tisza közi homokhát, a Somogyi homokvidék, a Vas-Zalai hegyhát és a Kisalföldi homokvidék. Ezek közül kiemelt minőségű állománnyal a Nyírség, a Duna-Tisza köze és Somogy északi része rendelkezik.

A fehér akác természetes elterjedése az USA-ban a 43-35. szélességi fokok között van.Magyarországra az akácot 1710 körül hozták be. Kezdetben parkfának és utakat szegélyező sorfának ültették. Erdőtelepítés céljára a katonai kincstár alkalmazta először 1750-ben a komárom-herkályi erődítmény körül. Az 1800-as évek elején, az Alföldön a futóhomok megkötésére kezdték ültetni, majd mezővédő erdősávokat is hoztak létre fehér akácból.

Magyarországi tömeges elterjesztése az 1800-as évek közepétől kezdődött. Az 1923-ban meghozott Alföldfásítási törvény következtében mezőgazdasági művelésekre alkalmatlan területeken 38000 hektár akácerdőt telepítettek (Keresztesi, 1984; Bartha, 2016).

Gyors elterjedését hazánkban jó adaptációs képességének, a csemetetermesztés alapját képező gyakori és bőséges magtermésének, kiváló sarjadzó-képességének, gyors növekedésének, és viszonylag nagy fahozamának köszönheti.

Az akác fájának kedvező fizikai tulajdonságai és rendkívüli tartóssága széles körű felhasználhatóságot tesz lehetővé a fűrészipar, a bútoripar és az épületasztalos-ipar területén egyaránt. A hordógyártásnak is fontos alapanyaga, mivel fája bármely vágásirány esetén sem engedi át a folyadékot. Széles körben alkalmazzák a föld- és vízépítésben, tartós kerítésoszlop, szőlőtám, szőlőkaró. Az akácot a cellulóz, a farostlemez és a forgácslap gyártásnál is 156

felhasználják. Újabban rétegelt-ragasztott tartókat is készítenek belőle. A kitermelt akác fatömegének fele energetikai célokat szolgál, azaz tűzifa lesz belőle (Major, 2016).

Elterjedtsége és sokrétű felhasználása miatt érdemes megvizsgálni a különböző erdőfelújítási technológiák gépesítési lehetőségeit, illetve ennek költségeit.

Az akác termesztésének technológiái Akáccal borított erdőterületek felújítása a hazai gyakorlatban alapvetően kétféle módon történhet. Az egyik esetben gyökérszaggatással, másik esetben teljes talaj-előkészítést követő vetéssel, ültetéssel vagy dugványozással.

Utóbbi esetben a szaporítóanyag talajba juttatása előtt a következő műveleteket kell elvégezni a letermelt erdő helyén:  vágástakarítás,  tuskózás,  tuskóletolás,  terepegyengetés,  mélyforgatás + simítás,  gyökérkiszedés,  talajporhanyítás.

A vágástakarítás – mely kézzel vagy géppel is végezhető − esetében a további munkákat akadályozó ágakat, kéreg-, fadarabokat stb. távolítjuk el a területről. Kézi vágástakarítás esetében az összegyűjtött vágástéri apadékot tuskókra helyezzük, hogy minél kisebb legyen a területveszteség, vagy pásztákba, kupacokba húzzuk össze, amelyek vagy a területen maradnak, vagy aprításra kerülnek. Gépi vágástakarítás esetében egy erőgépre szerelt villásfogú vágástakarító segítségével, vagy a terület szélére, vagy pásztákba toljuk össze a vágástéri apadékot. Előnyösebb megoldás a vízszintes tengelyű szárzúzók használata, amelyek a területen szétszórtan elhelyezkedő fadarabokat, ágakat apró darabokra zúzzák szét, és a területen hagyják. Ezek a kis darabok már nem fogják zavarni a további műveleteket, és tápanyagként is szolgálhatnak idővel.

Forgatásos talajművelés esetében a tuskózás elengedhetetlen, hiszen a földben maradó tuskók miatt a szántás és a mélyforgatás nem végezhető el. A tuskózás igen nagy költségekkel jár, képes megduplázni az erdősítési költségeket. A tuskók eltávolítása erre kialakított munkagépekkel (célgépekkel) történik.

A tuskóletolássorán a területen a tuskózást követően szétszórtan elhelyezkedő tuskókat sorokba rendezzük. A markolva kiemelő tuskózógépeknél erre a műveletre nincs szükség, hiszen a kiemelt tuskókat tuskósorokba helyezi. A műveletet általában tuskóletolóval vagy dózerrel végezzük.

Abban az esetben, ha a területről a tuskók értékesítésre kerülnek, ezen művelet szintén elmaradhat, mivel a tuskók ilyenkor speciális aprítógépekkel aprításra kerülnek. Ekkor a területen tuskósorok sem fognak keletkezni.

Az erdősítési munkák zavartalan folytatásához elengedhetetlen művelet a terepegyengetés. Ide tartoznak azok a műveletek, amelyek során a területet tesszük járhatóvá az erőgépek számára.

A tuskózás következtében keletkező gödröket betemetjük, és a földbuckákat elegyengetjük. A rónázás művelete is elengedhetetlen folyamat homokterületeken, ahol a homokbuckákat olyan módon kell átalakítani, hogy a lejtése kedvező legyen a gépek számára. A terepegyengetést 157

erőgépekre szerelt toló lappal, vagy vontatott földgyaluval tudjuk elvégezni.

A mélyforgatásnál a talajt 50-70 cm-es mélységig forgatjuk. Ezt a műveletet rigolekével végezzük. Sok esetben a mélyforgatással együtt a simítás is megtörténik. A forgatás után a terület még nem megfelelő minőségű az ültetés vagy a vetés számára, ezért van szükség a simítózásra, mely során az egyenetlen talajfelszínt próbáljuk meg minél simábbra rendezni.

A kituskózott területen forgatás után a talaj felszínére, vagy a felszín közelébe kerülő gyökereket el kell távolítani a későbbi gépi ültetés és ápolás érdekében. A gyökérkiszedés művelete kétféleképen történhet. Az egyik esetben kézi erővel végezzük, és a forgatásos talajművelést követően rögtön el kell végezni, a másik esetben gépi erővel. Utóbbi esetben később is elvégezhető. A művelet erőgépre szerelt gyökérfésűvel történik. Az összegyűjtött gyökereket a területről el kell távolítani. Abban az esetben, ha a területen a tuskózás nem tuskókiemeléssel történt, hanem tuskófúró vagy tuskóforgácsoló segítségével, akkor a terület forgatása előtt kell alkalmazni a gyökérfésülést, hogy a talajban maradó nagyobb gyökerek ne tegyenek kárt az ekében.

A talajporhanyításnak többféle előnye is van. Az ültetés és vetés előtt célszerű elvégezni, hogy a területre kerülő csemeték és magok megfelelő szerkezetű talajba kerüljenek. De alkalmas a gyomok visszaszorítására is, mert ha egy régebbi gyomos szántást porhanyósítunk, akkor a gyomot is bemunkáljuk a talajba. A talajporhanyításra jelenleg igen sok munkagép áll rendelkezésre, el lehet végezni tárcsával, boronával, kultivátorral, kombinátorral, vagy talajmaróval.

A szaporítóanyag talajba juttatása vetéssel, ültetéssel vagy dugványozással történhet.

A vetéssel történő erdősítés előnyösebb az ültetésnél, mert nagyobb lesz a csemeteszám, melynek következtében hamarabb fog záródni az állomány, és a természetes szelekció mértéke is nagyobb lesz. Ez az erdősítési mód közelebb áll a természetes erdőfelújuláshoz. A vetés kevesebb munkát és költséget igényel, mint az ültetés. Hátránya viszont az, hogy a gyomosodásra hajlamos területen az ápolási munkákat többször kell elvégezni, és a bizonytalan magtermés miatt nem mindig áll rendelkezésre megfelelő mennyiségű szaporítóanyag. A vetés történhet kézzel vagy géppel. Kézi vetés részleges talaj-előkészítés vagy talaj-előkészítés nélküli területen történik. Kapa, csákány vagy irtókapa segítségével készített gödörbe 4-5 magot teszünk, majd betemetjük. Gépi vetést teljes talaj-előkészítés után lehet alkalmazni.

Az ültetést is el lehet végezni kézzel és géppel is. A kézi ültetésnek az eszközei lehetnek az ásó, a kapa, a csákány és az ékásó. Az ültetés folyamán figyelembe kell vennünk a csemeték méreteit, és a csemete gyökereinek megfelelő mélységű és szélességű gödröket kell készíteni.

A másik módszer a gépi ültetés, mely sokkal gyorsabb és kevesebb az élőmunka-igénye, illetve olcsóbb is vele az erdősítés.

Az akácnak kiváló a felújulási képessége, főleg vegetatív módon. Ezt a képességét használjuk kit a dugványozás során. A gyökérdugványozás az 1980-as évekre nyúlik vissza.

Tulajdonképpen ez is egyfajta sarjaztatás. A kijelölt anyafák felszedett gyökereit darabokra vágják, ezek lehetnek akár 10-12 cm-es darabok, vagy a gyökér vastagságától függően 2-4 cmes darabok is. Ezeket a darabokat vetőárokba helyezik, úgy, hogy szigorúan vízszintesen legyenek, ezáltal a dugványozás nagyon hasonlít a gyökérszaggatás utáni sarjaztatás állapotához. Ezt a faanyag-termesztési technológiát nagyon ritkán alkalmazzák (Szabó, 1982).

Az akác képes gyökérről és tuskóról is sarjadni, azonban sokkal jobb tulajdonságokkal bír a gyökérsarjjal felújított akác, mint a tuskósarj. Ez az alapja a gyökérszaggatással végzett erdőfelújítási technológiának. Az akác gyökerek talajfelszín közelében történő megszaggatása speciális munkagépek kései segítségével történik.

Mivel az akác igen életképes és gyors növekedésű fafaj, ezért az újulat ápolását csak indokolt 158

esetben kell elvégezni. Az akácosokban leggyakrabban alkalmazott ápolási technológiák (Bondor 1980):  Kézi sorkapálás: Lényege, hogy a gépi sorközi ápolás után a sorokban lévő csemetéket megszabadítsuk a gyomkonkurenciától és a talajt fellazítsuk. A műveletet kézzel végzik, legtöbb esetben kapával.  Sarjleverés: Az állományban nem kívánatos tuskósarjak visszaszorítása, hogy a lassabban növő gyökérsarjak számára biztosítani tudjuk a megfelelő növőteret.

Végezhető fejszével, vagy idősebb korban motorfűrésszel.  Egyszálra metszés: A legmegfelelőbb adottságokkal rendelkező újulatot kiválasztjuk vezérhajtásnak, a többit pedig tőben elvágjuk.  Tőrevágás: Az 1-2 éves csemetét, a megfelelő gyökérméret elérése után tőrevágjuk, így el tudjuk érni, hagy az újból kihajtott egyed gyorsabban nőjön, egyenesebb és kevésbé oldalágas törzset neveljen.  Vegyszeres gyomirtás: Olyan sorápolási tevékenység, mellyel a gyomnövényeket szorítjuk vissza, hogy a csemetéknek ne jelentsen konkurenciát.  Gépi sorközi ápolás: A folyamat során a sorok közötti talajporhanyítást és gyomirtást végezzük el. A művelet jól gépesíthető, hiszen a sorközökben a gépek jól elférnek, anélkül hagy, az újulatban kárt okoznának. Gyakran a sorközápolás a gyom szárzúzóval való „nyírását” jelenti.

Az akác erdőfelújítási technológiák gépei és fajlagos költsége a Nyírségben Vizsgálatainkat a NYÍRERDŐ Zrt. Nyíregyházi Erdészetének területén végeztük. Az egyes akác erdőfelújítási technológiák egymást követő munkaműveleteinek fajlagos költségeit összegeztük és hasonlítottuk össze (1. táblázat, 2. táblázat, 3. táblázat és 4. táblázat). A fajlagos költségek mellett a táblázatban szerepelnek az adott munkaműveletekhez alkalmazott erő- és munkagépek is. A fajlagos költségek a gyakorlatban jelentkező teljes gépüzemeltetési költséget tartalmazzák.

1. táblázat: Edőfelújítási technológia I. Erdőfelújítás (vetéssel) Munkaműv elet

Erőgép

Munkagép

Fajlagos (Ft/ha)

Vágástakarítás

Homlokrakodó

VT-02

18.000 Ft/ha

Tuskózás

JCB 4cx homlokrakodó

Speciális kanál

Tuskóletolás

T-130

Tolólap

80.000 Ft/ha

Terepegyengetés

T-130

Tolólap

50.000 Ft/ha

Mélyforgatás +simítás

T-130

Rigol eke+tárcsa

80.000 Ft/ha

Gyökérkiszedés

T-130

Gyökérfésű

35.000 Ft/ha

Talajporhanyítás

T-150

Tárcsa

10.000 Ft/ha

Vetés

MTZ 820.4

Vetőgép

40.000 Ft/ha

Ápolás

MTZ 820.4

Szárzúzó

10.000 Ft/ha

Összesen

költség

tuskókiemelő 160.000 Ft/ha

483.000 Ft/ha 159

2. táblázat: Edőfelújítási technológia II. Erdőfelújítás (ültetéssel) Munkaművelet

Erőgép

Munkagép

Fajlagos költség (Ft/ha)

Vágástakarítás géppel

Homlokrakodó

VT-02

18.000 Ft/ha

Tuskózás

JCB 4cx homlokrakodó

Speciális tuskókiemelő kanál

160.000 Ft/ha

Tuskóletolás

T-130

Tolólap

80.000 Ft/ha

Terepegyengetés

T-130

Tolólap

50.000 Ft/ha

Mélyforgatás +simítás

T-130

Rigol eke+tárcsa

80.000 Ft/ha

Gyökérkiszedés

T-130

Gyökérfésű

35.000 Ft/ha

Talajporhanyítás

T-150

Tárcsa

10.000 Ft/ha

Ültetés

John 2250

Ápolás

MTZ 820.4

Deer

ERTI ültetőgép

féle

Szárzúzó

Összesen

80.000 Ft/ha 10.000 Ft/ha 523.000 Ft/ha

3. táblázat: Erdőfelújítási technológia III. Erdőfelújítás (dugványozással) Munkaművelet Dugványozás

Erőgép

Munkagép

Fajlagos (Ft/ha)

Vágástakarítás

Homlokrakodó

VT-02

18.000 Ft/ha

Tuskózás

JCB 4cx homlokrakodó

Speciális tuskókiemelő kanál

160.000 Ft/ha

Tuskóletolás

T-130

Tolólap

80.000 Ft/ha

Terepegyengetés

T-130

Tolólap

50.000 Ft/ha

Mélyforgatás +simítás

T-130

Rigol eke+tárcsa

80.000 Ft/ha

Gyökérkiszedés

T-130

Gyökérfésű

35.000 Ft/ha

Talajporhanyítás

T-150

Tárcsa

10.000 Ft/ha

Dugványozás

MTZ 820.4

BDÜ-2E

50.000 Ft/ha

Ápolás

MTZ 820.4

Szárzúzó

10.000 Ft/ha

Összesen

költség

493.000 Ft/ha

160

4. táblázat: Erdőfelújítási technológia IV. Erdőfelújítási (gyökérszaggatásal) Munkaművelet

Erőgép

Munkagép

Fajlagos költség (Ft/ha)

Vágástakarítás

Homlokrakodó

VT-02

18.000 Ft/ha

Gyökérszaggatás

T-150

Gyökérszaggató ék

45.000 Ft/ha

Ápolás

MTZ 820.4

Szárzúzó

10.000 Ft/ha

Összesen

73.000 Ft/ha

Az adatok alapján elmondható, hogy a teljes talaj-előkészítést követő vetéssel, ültetéssel, és dugványozással közel hasonló költségekkel lehet elvégezni az erdősítést, viszont a gyökérszaggatással történő felújítás jelentősen kevesebb költséget jelent. Ezt azonban nem lehet a végletekig alkalmazni, mivel többszöri gyökérszaggatás után az állományban nagymértékű minőségi romlás figyelhető meg, amely következtében romlik a választékösszetétel és csökken a fahasználati árbevétel.

Megalapozott véleményt ezért csak az erdőnevelési költségek és a kitermelt faanyag utáni árbevétel összegzésével lehet adni.

Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutató munka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Szechenyi2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Hivatkozások Bartha D. (2016): Tények és tévhitek a fehér akác első európai megjelenéséről. Erdészeti lapok, CLI. évf. 292- 295.

Dr. Bondor A. (1980): Erdészeti talaj-előkészítés Mezőgazdasági kiadó, Budapest.

Keresztesi B. (1984): Az akác Mezőgazdasági kiadó, Budapest.

Szabó B. (1982): Az akác vegetatív szaporítása rövid gyökérdugvánnyal. Erdészeti lapok, 7/317-320.

Major T. (2016): A fahasználat irányítási műveletei. In. Rumpf J. szerk. (2016): Erdőhasználattan. Mezőgazda Kiadó, Budapest.

Országos Erdőállomány Adattár, 2015.

161

IX/4. Papíriszap és faanyag keverék pelletek előállítása és energetikai vizsgálatai Papp Viktória1, Szalay Dóra2, Marosvölgyi Béla3 1: Soproni Egyetem, Erdészeti-műszaki Környezettechnikai Intézet, Sopron papp.viktoria@uni-sopron.hu Absztrakt Tüzelési célra pellet nem csak faanyagból, vagy lágyszárú növények melléktermékeiből készülhet. Különböző hulladék anyagok felhasználásával, illetve ezek keverékeiből is előállítható energetikai célra hasznosítható tömörítvény. Ezen anyagok, a hasznosítást tekintve nem a hagyományos pellettüzelőkben, vagy lakossági szektorban jelennek meg. A hulladékból készült pelletek a nagyobb ipari létesítményekben, illetve a megfelelő füstgáz-tisztító és szűrő berendezésekkel ellátott tüzelő berendezésekben hasznosíthatók. A kutatás során a papírgyártás során megjelenő papíriszap, valamint faipari melléktermékként megjelenő fenyő forgács felhasználásával állítottunk elő különböző arányú keverék-pelleteket. A pelletek és alapanyagok energetikai tulajdonságait vizsgáltunk, valamint korábbi kutatásainkat kiterjesztve egy becsült energiamérleget hoztunk létre a papíriszap pelletként történő hasznosítására.

Bevezetés A papírgyártás során nagy mennyiségben megjelenő papíriszap elhelyezése, vagy felhasználása nagy kihívás elé állítja a termelőket. Az EU környezetvédelmi szabályok szigorodásának hatása Magyarországon is érvényesül. Egyre nehezebb és költségesebb hulladékdeponálásra engedélyt kapni [Hernády 2009]. Ez a probléma a papíripart is egyre érzékenyebben érinti, hiszen a cellulóz- és papírgyártás technológiájából adódóan, óhatatlanul keletkeznek olyan anyagok, amelyek az adott gyárban közvetlenül nem használhatóak fel. Ezek az anyagok vagy még a technológiai folyamaton belül hulladék anyagként kiválasztódnak, vagy a szennyvíztisztító berendezésekben iszapként kerülnek leválasztásra, és – a legrosszabb esetben – az elfolyó vízzel együtt távoznak a rendszerből.” Természetesen törekedni kell arra, hogy a gyárat elhagyó elfolyó víz a lehető legkisebb mértékben szennyezze a befogadó vizeket. Éppen ezért szükséges a gyár körvízrendszerének minél tökéletesebb zárása, de emellett fontos a szennyvizek kezelése, tisztítása is, amelyeknek segítségével megoldható a szennyvízben lévő lebegő és oldott szennyező anyagok kiszűrése. Ez viszont további gondot jelent, nevezetesen a leválasztott iszap elhelyezésének megoldását követeli meg” [Hernádi 2009].

A papíriszap hasznosításával foglalkozó hazai szakirodalom először Isépy-Hernádi 1994-es kutatásaiban jelenik meg. Ők kitérnek az energetikai felhasználás lehetőségére, azonban a papíriszap tömörítésének vizsgálatára nem találni hazai szakirodalmi forrásokat. Külföldi kutatásokban is kevés a fellelhető anyag, egyetlen pelletálási kísérlettel foglalkozó tanulmány kapcsolódik a témához, Kilborn – Wiever 1984-es kutatásai. Munkájuk során kérges faanyag és papíriszap pelletek tulajdonságait vizsgálták, valamint a hasznosítás gazdasági kérdéseire tértek ki. Pozsmik disszertációjában a papírvállalatok környezeti management kérdéseivel foglalkozott, közgazdaságtani szempontból körüljárva a témát. A papíriszap építőipari alkalmazásának lehetőségeiről Szűcs-Badacsonyi jelentetett meg tanulmányt. A hasznosítás különböző lehetőségeivel és az iszap centrifugálásával és szárításával foglalkozik Göttsching és Hamm, 2004-es cikkükben. A papíriszap etanollá alakítását vizsgálta Fan –South – Lieford 2003-ban. A papíriszap külföldi szakirodalomban és hazánkban is elterjedt nevén a „black 162

liqour” hasznosítása az EU-ban Svédországban 12,8 millió tonna, Finnországban 11,5 millió tonna éves mennyiséggel kiemelkedő, a két országban hasznosított mennyiség az EU felhasználásának több mint felét teszi ki. A papíriszap nagy részét saját energia ellátásukra fordítják, elgázosítás során visszanyerve az energiát. Természetesen ezekben az országokban a legnagyobb a faalapú papírgyártás mennyisége is, míg a további nagy gyártók, Németország és Franciaország alapanyagai között már nagyobb mértékben az újrahasznosított papír alapanyag jelenik meg [European Comisson Bioenergy Report 2015]. A legtöbb kapcsolódó szakirodalom a papíriszap elgázosítási folyamatainak vizsgálatával foglakozik [Lagenberg Nilsson 2012, Ekbom et al. 2003, De Blasio et al. 2016, Empie 2009, Europen Comission CORDIS 2004].

A papíriszap általános jellemzése A hulladék EWC kódszáma: 03 Fafeldolgozásból és falemez-, bútor-, cellulóz rost szuszpenzió-, papír és kartongyártásból származó hulladékok 03 03 cellulózrost szuszpenzió, papír- és kartongyártási, feldolgozási hulladékok 03 03 10 mechanikai elválasztásból származó szálmaradék, száltöltőanyag- és fedőanyagiszapok A képződési hely szempontjából két fő részt különböztethetünk meg: az egyik a technológiai folyamaton belül, a másik a szennyvízkezelés során keletkező iszap. A technológiai folyamatban keletkező iszapok körébe tartoznak a pulperből eltávolított szennyeződések (a pulpertisztítás és a copfkihúzó szemete) és a tisztító berendezések hulladékai (homokfogók, cleanerek, vibrátorok osztályozott anyagai). A szennyvíz kezelése során keletkező iszap jellemző összetevője a törmelékrost és a töltőanyag. Papíriszap alatt az utóbbit, a töltőanyagot értjük [BME hulladék felmérési adatlap 2011] A Magyarországon képződő éves mennyiség 50.000 tonna melyből a Dunapack Zrt. és BME felmérései szerint 42.000 tonna lerakásra kerül. Összetétele változó, átlagosan 6-40% szervetlen anyagot tartalmaz, melyből 6-27% SiO2, 13-17% Al2O3. Fő komponense a cellulóz, 30-34%-ban, a hemicellulóz 12-15%-ban, a lignin 11-15%-ban jelenik meg. Egyéb fémes anyagokat is tartalmazhat, Fe2O3 0,2-0,5%; CaO 0,8-2,6%; MgO 0,1-5,3%[Hernádi 2009].

A magas szervetlen anyag hányad miatt az energetikai hasznosítás nehézkes, hiszen gyakran nagy mennyiségű hamu és salak keletkezik. A hamutartalom vizsgálta így kiemelten fontos a papíriszap tüzelési hasznosításának vizsgálata során.

PH-ja enyhén lúgos, a környezetben növényi hulladékokhoz hasonlóan viselkedik, korhad majd humuszosodik. Töményen kikerülve a környezetbe, például talajba, megváltoztatja a talaj mikrobiota összetételét, a cellulózbontók (gombák és baktériumok) relatív feldúsulását okozva.

Ezen mikroorganizmusok nagymértékű feldúsulása egyben a talaj egyéb tápanyagtartalmának, például nitrogéntartalmának biológiai ellenőrzöttségét is megnöveli, vagyis a N beépül ezekbe a mikroorganizmusokba, tehát a talajon termesztett növények átmenetileg N-hiányban szenvedhetnek. Az átmeneti növényi tápanyaghiány viszont a papíriszap elbomlását (és a bontó mikroorganizmusok pusztulását) követően javulást eredményez a talaj tápanyag ellátottságban és humusztartalmában. Az anyag nem veszélyes, bár enyhe lúgossága és nagy cellulóztartalma átmenetileg megváltoztatja a talaj mikrobiológiai és tápanyag egyensúlyát, ezt érdemes monitoringgal követni, illetve előzetesen becsülni vagy tesztelni [BME hulladék felmérési adatlap 2011].

A nagy szén-nitrogén arány miatt közvetlenül a talajra alkalmazása a komposztálatlan szerves hulladék vagy az érleletlen trágya hatásához hasonlóan a cellulózbontó és cukorhasznosító fajok feldúsulását és nitrogénzárat (biológiailag ellenőrzött, beépült N) eredményez (pentozán 163

hatás). Az irodalomban talált legáltalánosabb, legelterjedtebb hasznosítási módok: talajfeltöltés, újrafelhasználás a papírgyártásban, elégetés, mezőgazdasági hasznosítás (a rostos iszapok javítják a talaj struktúráját, vízvisszatartó-, vízáteresztő-képességét, csökkentik az öntözésigényt). Az iszap hasznosításának újabb lehetőségei: építőipari felhasználás (cement- és téglagyártásban), tűzálló és hőszigetelő anyagok készítéséhez adalékanyag, metángáz előállítása, tojástartó tálca [Hernádi 2009, Pozsmik 2000, Szűcs-Badacsonyi 1996]. N-tartalmú anyagokkal keverve (szennyvíziszap, sertés és baromfi hígtrágya) vermikomposztálható [Elvira – Sampedro – Dominguez - Mato, 1997].

A vizsgálatok bemutatása Az alapanyagul szolgáló kb. 60 kg papíriszap a vizsgálatok előtt 30%-os nedvességtartalmú volt. Ezért az anyagot szétterítve, természetes szárítással, két nap múlva kezdtük el a pelletálást, közben mértük a nedvességtartalmat, az optimális 11-12%-os érték eléréséhez. Az anyag száradás közben, kis 0,5-2 cm-es darabokká állt össze, könnyen morzsolható volt.

Kalapácsos darálóval (motor telj. 7,5 kW, rotor átmérő 160 mm, rosta 3 mm) állítottuk elő a pelletáláshoz szükséges frakcióméretet. A frakcióelemzés mérési eredményeinek átlagát szemlélteti a következő diagram.

1. ábra: Papíriszap frakcióeloszlása pelletálás előtt Darálás után az anyag 50-55%-a a 2,5-1 mm-es tartományba esett. Ezután különböző arányban kevertük a fenyő alapú faanyaghoz a papíriszapot. A pelletálás Kahl típusú sík matricás pellet préssel történt.

Vizsgáltuk a tiszta papíriszap, és a különböző arányú keverékek hamutartalom és fűtőérték változásait. A papíriszap, mivel nagy mennyiségű szervetlen SiO2 és AlO3-ot tartalmaz, magas hamutartalommal rendelkezik. Izzítókemencés vizsgálattal meghatároztuk a hamutartalmat, öt minta átlaga 39,8 %. A fűtőérték száraz anyagra 11,8 míg pelletálás előtt 11%-os nedvességtartalomnál 10,7 MJ/kg volt. A bekeverési arány növelésével, a hamutartalom lineális emelkedését vártam, amit a következő egyenlet igazolt.

164

1.Táblázat. Hamutartalom változása a papíriszap-fapellet mixben papíriszap bekeverési arány %

5

10

20

30

40

50

hamutartalom %

3,1

6,5

9,8

12,7

16,2

19,6

Az x jelöli a bekeverési arányt, y a minták hamutartalmát. Az a*x+b = y¯ egyenletből az a és b értékét keressük, ezek a regressziós egyenlet paraméterei. Gyakorlati szempontból ebben az esetben a metszéspontoknak is jelentősége van, az alapanyag hamutartalmára következtethetünk. Ezért a paraméterek változtatásával is ábrázoltuk a regressziós egyenest, a paraméterek változtatása után R2 értéke továbbra is az elfogadható 0,95 fölé esett.

2.ábra Hamutartalom változása a papíriszap bekeverési arány növelésével (%) A fűtőérték, ahogy várható volt a papíriszap arányának növelésével csökkent. A méréseket háromszor ismételtük, az eredmények átlagát a következő táblázat szemlélteti.

2. táblázat: Fűtőérték változása a papíriszap-fapellet mixben Papíriszap bekeverési arány % Fűtőérték MJ/kg 5

17,5

10

16,9

20

16,1

30

15,3

40

14,6

50

13,8

Korábbi kutatásaink során foglakozunk fapelletek és agripelletek energia mérleg és EROEI (Energy Returned on Energy Invested), vagyis a befektetett és visszanyerhető energia mennyiség vizsgálatával [Papp et al 2013]. A papíriszap pelletként történő hasznosítása során az EROEI értékek, a viszonylag alacsony fűtőérték miatt jóval kisebbek, mint fapellet vagy 165

agripelletek esetén. A másik probléma a magas nedvességtartalommal lehet, az optimális 1112%-os szint eléréséhez üzemi körülmények között jelentős energia bevitelre lenne szükség a szárításhoz. Bár papíriszap pelletálási energia igényéről üzemi adatok nincsenek, egy közelítő értéket meg lehet adni. Korábbi fapellet előállítással kapcsolatos kutatásokban bemutatott technológiai energia igényekből egy átlag értéket vettünk figyelembe, (a beszállításra 120 MJ/t, a pelletálási folymathoz primer energiában 1700 MJ/t, a szárításhoz 1500 MJ/t, pellet szállításra 200 MJ/t, a kazán energiafogyasztásra 650 MJ/t) így megadható egy becsült érték az energia ráfordításra. A hasznosítás során 80%-os hatásfokot feltételezve, a vizsgált minták fűtőértékéből becsülhetjük a visszanyerhető energia mennyiségét [Papp 2018]. A papíriszap bekeverési arányának növelésével, a csökkenő fűtőértékek miatt, természetesen az EROEI értékek is alacsonyabbak.

3. ábra: Papíriszap-fa pelletek becsült EROEI értékei a bekeverési arány függvényében Mivel a visszanyerhető energia mennyisége sokkal alacsonyabb, mint a tiszta fapelleté, az EROEI becsült értékei is kisebbek, 50%-os bekeverésnél már csak 2,3 körül alakulnak.

Következtetések A papíriszap pelletként történő hasznosítása számos kérdést vet fel. A magas hamutartalom miatt a lakossági használatra kialakított berendezésekben problémás lenne a tüzelés, így csak ipari méretű hasznosítás lehet optimális. Azonban még ebben az esetben is gond lehet a magas SiO2 és AlO3 tartalom miatt az esetleges salakosodás, lerakódás. Erőművi próbálkozások voltak papíriszap tüzelésére, a co-firing technika megoldás lehet a problémára. A pelletálás során gondot jelent az iszap magas nedvességtartalma is, mert a pelletáláshoz optimális 11-12%-os nedvesség eléréséhez üzemi körülmények között a szárításhoz jelentős energia bevitelre lenne szükség. Valamint a fűtőérték is sokkal alacsonyabb, mint fapelletek esetén, így a becsült EROEI értékek is alacsonyak. Abban az esetben lenne energetikai szempontból optimális a pellet előállítás, ha valamilyen hulladék-hőt hasznosítanának a papíriszap szárítása során.

Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutató munka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Széchenyi 2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

166

Hivatkozások [1] Hernádi S. 2009 – A papíriszap hasznosításának lehetőségei – Papíripar, 53.vol/ 2. 42.pp.

[2] Kilborn J. F. – Wiever J. (1984) – Paper sludge pellet http://infohouse.p2ric.org/ref/27/26418.pdf [3] Pozsmik E. (2000) - A VÁLLALATOK KÖRNYEZETI MAGATARTÁSÁNAK VÁLTOZÁSA A PAPÍRIPAR PÉLDÁJÁN –Doktori értekezés - http://phd.lib.unicorvinus.hu/203/1/poszmik_erzsebet.pdf [4] Szűcs, Antalné - Badacsonyi, Beatrix 1994 : Papíriszap környezetkímélő hasznosítása az építőiparban - Paper sludge utilization in buildings, Papíripar, 1994/ vol 6. pp. 214-215.

[5] Haan T. W. 2010 – Life circle assisment os pellet burning http://www.forgreenheat.org/issues/docs/TomdeHaan.pdf [6] Fan Z. –South C. –Lieford Z. (2003) -Conversion of paper sludge to ethanol in a semicontinuous solids-fed reactor –Bioprocess and Biosystem engineering 2003, Volume 26, pp 93–101 [7] European Comission Bioenergy Report 2015 - Study on impacts on resource efficiency of future EU demand for bioenergy http://ec.europa.eu/environment/enveco/resource_efficiency/pdf/bioenergy/Task%201.pdf [8] De Blasio C. (2016) - A study on supercritical water gasification of black liquor conducted in stainless steel and nickel-chromium-molybdenum reactors - Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2664 p.

[9] Lagenberg Nilson Emil (2012) - Study of Black Liquor Evaporator Fouling at Södra Cell Värö – PHD Thesis, - Department of Energy and Environment Division of Heat and Power Technology CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Göteborg, Sweden 2012 [10] Empie, H. Jeff (2009) - Fundamentals of the craft recovery process. USA: Tappi Press. p. 7. ISBN 1-59510-186-1.

[11] Europen Comission CORDIS (2004) - Technical and Commercial Feasibility Study of Black Liquor Gasification with Methanol/DME Production as Motor Fuels for Automotive Uses – BLGMF - http://cordis.europa.eu/project/rcn/62777_en.html [12] BME wase assesment sheet, Hulladék felmérési adatlap, (2011) – Budapesti Műszaki Egyetem Hulladék Felmérés, 7-8.old.

[13] Pozsmik E. (2000) - A VÁLLALATOK KÖRNYEZETI MAGATARTÁSÁNAK VÁLTOZÁSA A PAPÍRIPAR PÉLDÁJÁN –Doktori értekezés - http://phd.lib.unicorvinus.hu/203/1/poszmik_erzsebet.pdf [14] Papp V 2018 – Energetikai pelletek előállításásnak és hasznosítsának ökoenergetikai vonatkozásai - Doktori értekezés [15] Elvira, C., Sampedro, L., Dominguez, J., Mato, S., 1997. - Vermicomposting of wastewater sludge from paper-pulp industry with nitrogen rich materials. Soil Biology & Biochemistry 29 (3-4), 759–762.); [16] Papp V.- Marosvölgyi B. (2013): A pellet mint megújuló energiaforrás előállítása, hasznosítása és energetikai értékelése- Energiagazdálkodás, 21 pp. ISSN 0021-0757.

167

IX/5. Lignocellulóz biohajtóanyag üzemek alapanyag-felhasználásának jelenlegi helyzete Current situation of base material utilization of lignocellulosic biofuel plant Szalay Dóra – Papp Viktória− Marosvölgyi Béla Soproni Egyetem, Erdészeti-műszaki Környezettechnikai Intézet, Sopron szalay.dora@uni-sopron.hu Absztrakt A fosszilis energiahordozók szerves anyagokból évmilliók alatt alakultak ki. Az utóbbi években történő nagymértékű használatukkal a sok évvel ezelőtt lekötött szén felszabadult, ezzel a légkör szén-dioxid koncentrációja az iparosodás előtti 300 ppm-ről napjainkra tartósan 400 ppm fölé emelkedett. A szén-dioxid a vízgőz után a második legjelentősebb üvegházhatású gáz, ezzel a globális felmelegedés egyik kiváltó tényezője. Az éghajlatváltozás megfékezésében a biohajtóanyagoknak kiemelt jelentősége lesz a jövőben. A kutatás során célunk a különböző lignocellulóz biohajtóanyagot előállító üzemek alapanyag-felhasználásának összehasonlítása, a problémák és gátló tényezők felfedése.

Kulcsszavak: biomassza, alapanyag, biohajtóanyag, lignocellulóz, melléktermékek Bevezetés A globális energiafelhasználás az elmúlt két évben bár stagnálást mutatott, a Párizsi világkonferencia célértékeinek elérése még messze áll. Napjainkban a legmeghatározóbb energiaforrás a kőolaj. Felhasználása a közlekedési szektorhoz kapcsolódóan folyamatosan növekszik, 2016-ban a globális energiafelhasználás 33,3%-át fedezte [BP, 2017], lásd 1. ábra.

1. ábra: A világ primerenergia felhasználásának alakulása 2016-ban [BP, 2017]

168

Az Európai Unió számára nagyon fontos az energiafüggőség minimalizálása, és ezzel párhuzamosan a természeti környezet megkímélése érdekében a megújuló energiaforrások alkalmazásának növelése. A közlekedési ágazat bioenergia iránti keresletét leginkább a nagyobb országok biohajtóanyag bekeverési előírásai és a világszerte növekvő üzemanyagfogyasztás vezéreli [OECD/FAO, 2016]. Az EU tagországokban 2016-ban a bioetanol és a biodízel bekeverése a konvencionális hajtóanyagokba 3,3 és 5,8 százalék volt az energiatartalom alapján számítva, míg a fejlett biohajtóanyagok részaránya körülbelül 1,2 százalékot tett ki. Az utóbbi években a hidrogénezett növényi olajok (HVO) felhasználása is egyre nagyobb jelentőséggel bír, 2016-ban az EU-ban 2,4 milliárd literre becsülhető. Ettől jóval elmarad a cellulóz-etanol termelés jelenlegi kapacitása, amely körülbelül évi 60 millió literre becsülnek, azonban becslések szerint 2021-re termelése akár az évi 200 millió litert is elérheti [USDA, 2017].

A lignocellulóz biohajtóanyagok felhasználásának előnyei Kutatások szerint a gabonaalapú vagy cukornád alapú etanolos motorbenzin használata kisebb üvebgázhatású gáz kibocsátással jár, mint a tisztán kőolajalapú motorbenziné. Az elmúlt évtizedben az EU által a tagországok számára előírt biohajtóanyag részarányok célértékei is ezek alkalmazását ösztönözték. Ugyanakkor a döntéshozók felismerték, hogy a terményalapú biohajtóanyagok a közvetett földhasználat révén elvonja a termőföldet az élelmiszernövények termesztése elől. Becslések szerint a biohajtóanyag alapanyagának termesztésére felhasznált földterület a teljes mezőgazdasági terület kb. 2,9%-át fedte le 2014-ben [WBA, 2017]. A gabona, a cukornád vagy a pálma termőterületét a szűz esőerdők és füves területek megművelésével bővítették, ezzel a nettó szén-dioxid elnyelő kapacitás csökkent, az emisszió nőtt. A légköri CO2 emelkedés következtében fellépő éghajlatváltozás napjainkban is érzékelteti hatását az aszályok, erdőtüzek, biotikus károk kialakulásával. Ezzel további az erdők biomasszájában raktározott szén kerül az atmoszférába, amely pozitív visszacsatolásként erősítheti az éghajlatváltozást.

A konvencionális biohajtóanyagok alapanyagának esetenkénti hozamkiesése már napjainkban is problémát jelent. Ehhez társul, hogy a 21. században várhatóan a népességnövekedés és a fogyasztási szerkezet átalakulása révén az élelmezésre és az állatok etetésére fordított gabonafelhasználás duplájára emelkedik [Spiertz-Ewert, 2009]. A fokozódó igények kielégítésére, a hatalmas műtrágya-felhasználással és öntözéssel együttjáró gépi talajművelési technológia alkalmazása ad lehetőséget. A műtrágya előállítás azonban az egyik legnagyobb energiabefektetést igénylő iparág [Neményi, 2009].

A fenti okok miatt az Európai Unió a jövőben a mainál is fokozottabban korlátozni kívánja az élelmiszernövények energetikai célú felhasználását. Alternatívát az ipari, erdészeti, mezőgazdasági melléktermékekre alapozott lignocellulóz biohajtóanyagok nagy mennyiségben történő előállítása jelenthet, fokozott alkalmazásuk már a közeljövőben indokolt. Jelenleg 67 üzem működik a világon, amelynek csupán egyharmada kereskedelmi méretű [Ngueyen et al., 2017]. Az üzemek típusa jelentősen eltér egymástól az egyes országok adottságainak megfelelően, a helyben rendelkezésre álló biomassza típusától függően. A faalapú biomassza hasznosító üzemek főként Észak-Európában, míg a cukor/keményítő alapú biomassza hasznosítók főként Közép-Európában találhatók.

Jelenlegi helyzet Európában 4 országban található jelenleg működő kereskedelmi méretekben lignocellulóz biomasszát feldolgozó hajtóanyag üzem. Ezek elsősorban ipari és kisebb mennyiségben 169

mezőgazdasági és erdészeti melléktermékeket hasznosítanak, lásd 1 táblázat.

1. táblázat: Főbb kereskedelmi méretben termelő fejlett etanol üzemek Európában [Sikanen, 2016; Blomberg, 2014; Yamamoto, 2018; EBTP, 2016; Verbio; BTG-BTL] Start/ technológia

Alapanyag [ezer t]

Schwedt, Németország

2014/Verbio

szalma 40

Sarpsborg, Norvégia

1938

papíripari melléktermék (fenyő lúg) (400)

Kajaani, Finnország

2017/St1 Cellunolix

fűrészpor n.a.

Hengelo, Hollandia

2014/Empyro

fahulladék 37

Vaasa Finnország

2013/ Vaskiluodon Voima

Joensuu Finnország*

2013/Fortum

Erdészeti apríték (90%), tőzeg (10%), egyéb n.a. apríték és faipari hulladék 100

Termék/kapacitás [mill. liter] biometán (hajtóanyag) 38 etanol (hajtóanyag, vegyipar) 20 etanol (hajtóanyag) 10 bio-olaj (hő- és vill. e.)

24 biogáz (hő- és vill.e. n.a.) bio-olaj (hő- és vill. e.)

50

*demonstrációs üzem na - nincs adat A táblázat alapján látható, hogy a felhasznált alapanyag rendkívül sokféle:  Hollandiában a pellet tengeri szállítása során visszamaradó törmelék biomasszát alkalmazzák alapanyagként, pirolízis olajat (bioolajat) létrehozva.  Finnország vezető szerepet tölt be a lignocellulózok hasznosításában. A Fortum 2013ban Finnorszában, Joensuu városában alapított demonstrációs üzemet, ahol pirolitikus eljárással erdészeti melléktermékből, aprítékból és fűrészporból évi 50 ezer tonna bioolajat hoznak létre. Ugyanebben az évben kezdte meg működését egy 140 MW-os biomassza-gázosító üzem Vaasa városában. A gyár alapanyagként szintén erdészeti mellékterméket hasznosít. Mindkettő üzem a nyert terméket hő- és villamos energia előállítására hasznosítja, de a biohajtóanyag célú hasznosítás is tervben van a jövőben.

Majd 2017-ben kezdte meg működését Finnországban Kajaani-ban egy lignocellulóz etanol üzem. Alapanyagként elsősorban faipari melléktermékeket hasznosít.  A legrégebben működő második generációs üzem Norvégiában található, ahol papíripari melléktermékekből állítanak elő etanolt. Az egyetlen tisztán mezőgazdasági melléktermékekre alapozott üzem Schwedtben, Németországban található, ahol szalmából biometánt állítanak elő, gázüzemű gépjárművek számára.

170

A jövőben több üzem is tervben van. Dendromasszára, azon belül is erdészeti melléktermékekre kettő 50 millió l/év kapacitású etanol üzemet terveznek, az egyiket Finnországban, Pietarsaariban, a másikat Norvégiában, Hønefoss városban [Biorefineries, 2017]. Emellett mezőgazdasági melléktermékek hasznosításával Szlovákiában kettő és Romániában további egy lignocellulóz üzem várható [Agra, 2017; Biofuels 2, 2017; Bauer, 2018) A megvalósult üzemek számát messze meghaladta a bedőlt projektek száma. Alapvetően kettő fő irányvonal különült el az okokat tekintve. Az egyik, hogy a technológia megfelelően működött, azonban a biohajtóanyag előállítás erősen gazdaságtalan az alacsony fosszilis hajtóanyag árak, valamint a magas lignocellulóz alapanyagárak és főképpen az üzem magas beruházási költségei miatt. A másik irányvonal, amikor a termelés a technológia gyengeségének köszönhetően volt gazdaságtalan.

Működő technológia, gazdaságtalan üzemelés Az EU 2009-ben egy új, alacsony CO2 kibocsátású technológiákat támogató programot fogadott el NER300 néven. Különösen a CO2 leválasztás és tárolás ösztönzése volt a cél, de emellett a különböző innovatív megújuló technológiák támogatását is vállalta. A támogatás az árverés útján értékesített EUA-k összegéből származik, amelyet akkor 6−9 milliárd euróra becsültek. Végül azonban csak jóval kevesebbet, 2,1 milliárd eurót tudott felszabadítani erre a célra, amely a nagy volumenű projektek számát korlátozta. Így a nagyüzemi biohajtóanyag projektek többségét a második körben megszüntették vagy befagyasztották: Ajos BTL, CEG Plant Goswinowice, Pyrogrot, BIO, Woodspirit, Gobigas, UPM Stracel BTL. Többségük törlésének oka az üzemek tervezéséhez, kivitelezéshez, működéséhez szükséges NER300 támogatáson felüli források biztosításának hiánya, valamint a támogatások kifizetésének nem megfelelő ütemezése volt.

Több üzem már a tervezés fázisában hiúsult meg. A Fortum 50 ezer tonna kapacitású bioolaj üzemet tervezett létrehozni Pärnu városában, Dél-nyugat Észtországban [Pakulniewicz, 2015].

A beruházás 2016-ban fejeződött volna be, de az alacsony olajárakra hivatkozva a finn energiacsoport felfüggesztette a megvalósítást [Tallin, 2016]. 2016-ban jelentette be a British Airways, hogy 500 ezer t lakossági hulladékból évi 50 ezer t biojet típusú és 50 ezer t biodízel típusú hajtóanyag előállítására irányuló projektjét szünetelteti az állami támogatás elnyerésének nehézségei miatt. A Solena Plasma elgázosítás technológiáját kívánták használni, majd a szintézisgázból F-T szintézissel állítottak volna elő hajtóanyagot [Greenair, 2010]. 2018-ban kapott a projekt újabb támogatásokat, amellyel a fejlesztés a következő fázisba léphet [Greenair, 2018].

A már működő üzemek is áldozatul estek a magas működési költségek és technológiai gondok következtében. A CHOREN vállalat új technológiát fejlesztett ki papíripari melléktermék, mint fekete- és barnalúg elgázosítására. Az így keletkező szintézisgázból biohajtóanyagot állított elő.

A világ első BioDME üzemét 2010-ben nyitották meg Piteå-ban, majd 2016-ban gazdaságossági problémákra hivatkozva zárták be [Abrahamson, 2016]. A Göteborg Energi AB 2014-ben indította lignocellulóz bemutató üzemét, amely a világ legnagyobb faelgázosító demonstrációs projektje volt. Működése során évi 11,2 ezer t szintézisgázt hozott létre.

Alapanyagként erdészeti melléktermékeket és fapelletet hasznosított. Azonban a projektet felfüggesztették, mivel a biometán, mint járműhajtóanyag jelentősége és értéke nem nőtt a várt mértéknek megfelelően. A technológia azonban előrehaladott állapotban van és jó eredményeket tudott felmutatni [Göteborg Energi, 2018].

A Neste Oil és a Stora Enso közös vállalata 2010-ben Finnországban hozta létre demonstrációs méretű, 12 MW-os elgázosító üzemét, amely évi 656 tonna faalapú gázt állít elő. Folytatásaként 171

az NSE Biofuels a Stora Enso egyik cellulóz és papírüzemében kereskedelmi méretű termelő üzemet tervezett indítani évi 100 ezer t kapacitással. A tervek szerint 2016-ban kezdte volna meg a működést, azonban 2012-ben bejelentették, hogy a biodízel-üzem megépítését nem vállalják. Bár a technológia jól működött a demonstrációs üzemben, azonban támogatás hiányában a jelentős beruházást nem tudták volna finanszírozni [Voegele, 2012].

Amyris Inc. (USA, Brazília) szintén felhagyott a biohajtóanyag tevékenységével. Cukornádból fermentáció útján állított elő hajtóanyagot. Gazdaságilag azonban nem volt fenntartható az üzem működtetése az alacsony kőolajárak mellett, annak ellenére, hogy a technológia jól működött. A DuPont 2017-ben jelentette be, hogy két éve működő etanolüzemében leállítja a termelést és értékesíti azt. Az Iowa-i üzem bezárására politikai döntések következtében került sor. Az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) 2017-ben határozott úgy, hogy a 2007-es mandátum alá csökkenti az ország hajtóanyagaiba keverendő cellulóz bioüzemanyagok mennyiségét, azzal érvelve, hogy az iparág nem termel eleget a bekeverési arány teljesítéséhez. A DuPont körülbelül 225 millió dollárt költött a létesítmény megépítésére, amely kukoricaszárat és egyéb lignocellulóz mezőgazdasági melléktermékeket használt etanol előállításához. Az üzemet évente 30 millió gallon termelésére tervezték. 2018-ban a vállalatot értékesítették egy német biohajtóanyag gyártó cégnek, aki az üzem átalakítása után biogázt fog előállítani várhatóan 2020-tól[Eller, 2018].

A PetroSun egy kétlépéses folyamatot használ etanol (vagy biodízel) és hidrogén előállítására.

Az eljárás során a szerves anyag égetése alacsony oxigéntartalom mellett történik, szén-dioxid, hidrogén és szén előállításához. A CO2 az algák tápanyagaként szolgál bioüzemanyag előállítására, a hidrogént égetik villamos energiává, és a faszenet műtrágyaként használják. A PetroSun 2008-ban egy 30 millió gallon demonstrációs üzemet épített fel. Az üzemet úgy tervezték, hogy nagy méretben is tesztelje a vállalat technológiáját, és bizonyítsa a karbonnegatív folyamat megvalósíthatóságát. Azonban a beruházás a pénzügyi válság idején történt, amely túlterhelte a vállalatot. Eredményeként az algával kapcsolatos kutatásokat és beruházást leállították [Biofuels 3].

Mezőgazdasági melléktermékekre alapozott etanol üzem Olaszországban, Crescentinoban 2013-ban kezdte meg a működését, alapanyagként évi 270 ezer tonna mezőgazdasági mellékterméket és energianádat használt fel, amelyből 75 millió liter etanol került előállításra.

Azonban a Beta Renewables üzemét az anyavállalat átszervezésére hivatkozva leállították 2017-ben (Biofuels, 2017; Wothington, 2018).

Technológiai problémák következtében bezárt üzemek Abengoa értékesítette a 25 millió gallon kapacitású Kansas-ben található létesítményét 48,5 millió dollárért. Nyilatkozatukban a termelés leállításának fő okaként technológiai problémát jelöltek meg. Ugyanakkor a drága alapanyag is gondot okozott, amely a termelési költség 40%át tette ki [Lane, 2016; Voorhis, 2016].

A Range Fuels, az első olyan cégek egyike, amely olcsó alapanyagból, mint például a faforgács kívánt etanolt előállítani elgázosítás útján. Az üzem szintén bezárta kapuit, és kénytelen volt eladni eszközeit, mivel a technológia túl drágának bizonyult. Az eljárás még 2006-ban kapott nagy figyelmet politikai hatásra. Az üzemet úgy tervezték, hogy évente 20 millió gallon üzemanyagot termeljen, majd 100 millió gallon kapacitást érjen el, de 2011-ben leállították. Fő problémaként a gázosítási folyamat során fellépő kátrányképződést nevezték meg [Bullis, 2011] .

A KiOR 2010-ben mutatta be a biomassza katalitikus pirolizáló demonstrációs egységét, ami a pilot üzem 400-szoros méretében valósult meg. Miután 2011-ben igazolta a technikai 172

megvalósíthatóságot a KiOR átállt a kereskedelmi termelésre. Azonban 2013 nyarán bebizonyosodott, hogy az üzem nem érte el a tervezett gyártási mennyiséget, így 2014 januárjában a KiOR leállította termelő létesítményét, majd csődöt jelentett [Bomgardner, 2014].

Következtetés Kezdetben a biohajtóanyagok főként élelmiszernövényből kerültek előállításra a 2003/30/EK direktívának megfelelően. Hat év elteltével a 2009/28/EK irányelv előírásai enyhe fenntarthatósági korlátozásokat vezettek be, és csak a tíz év elteltével a 2015/1513 irányelv (ILUC) segítségével került hatékonyan szigorításra a korábbi szabályozás. A RED II tervezett bevezetésével azonban a korábban kialakult konvencionális biohajtóanyag iparág kiegészül a fejlett hajtóanyagokat, hulladékból előállított hajtóanyagokat, valamint elektromos energiát előállító iparágak felé. Ez az élelmiszerkonfliktust ugyan kevésbé veszélyezteti lignocellulóz melléktermékekre alapozott biohajtóanyag előállítás azonban rendkívül magas befektetési kockázattal jár a még kiforratlan technológia következtében. A széles alapanyagválaszték sokirányú fejlesztést von maga után, amely nehezen elérhető gazdaságos üzemet és a kiforrott technológia elmaradását eredményezi.

Köszönetnyilvánítás A tanulmány/kutató munka a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 jelű projekt részeként a Szechenyi2020 program keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

Hivatkozások Abrahamson H. (2016): Biobränsleanläggning läggs ner. NyTeknik. https://www.nyteknik.se/energi/biobransleanlaggning-laggs-ner-6542293 Agra, (2017): Slovakia - Cellulosic ethanol production to start next year. https://www.agranet.com/agra/world-ethanol-and-biofuels-report/analysis/company/slovakia---cellulosicethanol-production-to-start-next-year--1.htm Bauer L. (2018): 10 Years After: Advanced Biofuels’ Status, Opportunities and Challenges. https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2018/02/05/10-years-after-advanced-biofuels-statusopportunities-and-challenges/ Biofuels (2017): World’s 'first' commercial second-generation bioethanol facility 'shuts down' https://biofuels-news.com/display_news/13070/worlds_first_commercial_secondgeneration _bioethanol_facility_shuts_down/1/ Biofuels 2 (2017): Advanced biofuels plant to be built in Slovakia. https://biofuelsnews.com/display_news/12889/advanced_biofuels_plant_to_be_built_in_slovakia/ Biofuels 3: PetroSun BioFuels, United States. http://biofuel.org.uk/PetroSun.html BP Statistical Review of World Energy June (2017) https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-worldenergy.html Blomberg M. (2014): Large-Scale Biomass Gasification Plant Integrated To A Coal-Fired Boiler. BioGaC Project, Study Visit at Vaasa.

173

http://biofuelregion.se/wp-content/uploads/Mauri-Blomberg-Vaskilouden-Voima-Oy.pdf Bomgardner M. M. (2014): KiOR Files For Bankruptcy. https://cen.acs.org/articles/92/web/2014/11/KiOR-Files-Bankruptcy.html Bullis K. (2011): The Death of Range Fuels Shouldn't Doom All Biofuels. MIT Technology Review. https://www.technologyreview.com/s/426365/the-death-of-range-fuels-shouldnt-doom-allbiofuels/ BTG-BTL: Our Technology. https://www.btg-btl.com/en/technology#why EBTP European Biofuels Technology Platform (2016): Borregaard – commercial plant in Sarpsborg, Norway. http://www.etipbioenergy.eu/images/Factsheet_Borregaard_final.pdf Eller D. (2018): DuPont sells Iowa ethanol plant to German company; it will soon make renewable natural gas. Des Moines. https://eu.desmoinesregister.com/story/money/agriculture/2018/11/08/dupont-cellulosicethanol-plant-nevada-sold-german-company-verbio-north-america-claus-sauter/1938321002/ Göteborg Energi (2018): Anläggningen GoBiGas https://www.goteborgenergi.se/om-oss/vad-vi-gor/forskning-utveckling/gobigas GreenAir (2010): Solena jet biofuel project with British Airways on track, says CEO, as the airline seeks further supplies for engine testing. https://www.greenaironline.com/news.php?viewStory=893 GreenAir (2018): British Airways waste-to-fuels project with Velocys secures £4.9m funding including a UK government grant. https://www.greenaironline.com/news.php?viewStory=2497 Lane J. (2016): Abengoa’s Hugoton cellulosic ethanol project goes on the Block. http://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2016/07/18/abengoas-hugoton-cellulosic-ethanolproject-goes-on-the-block/ Neményi M. (2009): Megújuló energiaforrások kutatási-fejlesztési tevékenysége a karon. http://www.mtk.nyme.hu/fileadmin/user_upload/szti/biomotion/biofuels_in_hungary.pdf Ngueyen Q.; Bowyer J.; Howe J.; Bratkovich S.; Groot H.; Pepke E.; Fernholz K. (2017): Global production of second generation biofuels: Trends and influences. p. 16.

OECD/FAO (2016), “OECD-FAO Agricultural Outlook”, OECD Agriculture statistics (database), http://dx.doi.org/10.1787/agr-outl-data-en Pakulniewicz A. (2015): Fortum bio-oil plant delayed. http://english.eurobuildcee.com/?page=news&id=16487 Sikanen L. (2016): First Commercial Pyrolysis Oil Plant in Finland – Technology, Value Network and Socio-Economic Effects. https://www.cif-ifc.org/wp-content/uploads/2016/10/First-Commercial-Pyrolysis-Oil-Plant-_DEMO-2016_-Sikanen.pdf Spiertz J..H. J.; Ewert F. (2009): Crop production and resource use to meet the growing demand for food, feed and fuel: opportunities and constraints. NJAS - Wageningen Journal of Life Sciences 56 (4), pp. 281–300.

Tallinn B. C. (2016): Fortum adjourns Estonia bio-oil plant project due to low oil prices. http://www.baltic-course.com/eng/energy/?doc=117585 USDA (2017): EU Biofuels Annual 2017. Gain Report. https://gain.fas.usda.gov/Recent%20GAIN%20Publications/Biofuels%20Annual_The%20Hag 174

ue_EU-28_6-19-2017.pdf Verbio: Biomethane from Straw. https://www.verbio.de/en/products/verbiogas/biomethane-from-straw/ Voegele E. (2012): Neste Oil, Stora Enso shelve plans for renewable diesel plant. Biomass Magazine. http://biomassmagazine.com/articles/7962/neste-oil-stora-enso-shelve-plans-for-renewablediesel-plant Voorhis D. (2016): Hugoton cellulosic ethanol plant sold out of bankruptcy. The Wichita Eagle. https://www.kansas.com/news/business/article119902263.html WBA World Bioenergy Association (2017): Global Bioenergy Statistics 2017. http://worldbioenergy.org/uploads/WBA%20GBS%202017_hq.pdf Wothington D. (2018): CropEnergies to ‘pause’ production at UK bioethanol plant https://biofuelsnews.com/display_news/14059/cropenergies_to_pause_production_at_uk_bioethanol_plant/ Yamamoto M. (2018): St1 Cellunolix® process – Lignocellulosic bioethanol production and value chain upgrading. Bio4Fuels Days, October 1 12th 2018, Oslo.

175

IX/6. Az erdei köztes művelés szerepe a növekvő faanyag igény kielégítésében Vityi Andrea1 – Kovács Klaudia 1 1

Soproni Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézet E-mail: vityi.andrea@uni-sopron.hu

Absztrakt A faanyag iránti növekvő igény kielégítése miatt egyre nagyobb nyomás nehezedik az erdőgazdálkodásra. Az erdőből és faültetvényekből származó dendromassza kihozatal mennyiségi és minőségi paramétereinek javításában az agroerdészeti gyakorlatok alkalmazásának is szerepe lehet a jövőben. Az erdei köztes termesztés hagyományos gyakorlat a Kárpát medencében. Hazai tapasztalatok és vizsgálati eredmények e gyakorlat pozitív hatását igazolják a talaj-mikroklímára, valamint a faegyedek növekedési paramétereire, mely jelentősen befolyásolhatja az erdőfelújítások sikerességét.

Kulcsszavak: agroerdészet, agrár-erdészet, faanyag, termelésbiztonság, megtérülés Bevezetés A növekvő európai faanyag igények miatt (Jonsson et al, 2018; Eurostat, 2018) egyre sürgetőbbé válik a kérdés, hogy milyen módon lehet biztosítani a dendromassza megfelelő mennyiségét és minőségét. A kérdés hazánkat is érinti, egyes területeken, mint például a fapellet gyártás már évek óta alapanyaghiány tapasztalható. Magyarország erdősültsége jelenleg 20,9 %. (Nébih, 2018), azonban a jelenlegi kormányzati távlati célkitűzések közt szerepel az erdőterület 27%-ra növelése 2050-ig. (FM, 2016) Az erdőterületek növelési lehetősége korlátozott, a klímaváltozás az erdőgazdálkodást is érinti (pl. megkezdődött a természetes erdőállomány-változása), így az erdőfelújítás eredményessége még fontosabb kérdéssé válik. Hazai tapasztalatok és vizsgálatok eredményei szerint az erdei köztes termesztés – mely hagyományos gyakorlatnak számít a Kárpát-medencében -, pozitív hatással lehet az erdőfelújítás sikerességére, és ezzel kibővíthetők a faanyag iránti igény kielégítésének jövőbeni lehetőségei.

Mit jelent az erdei köztes termesztés?

Az erdei köztes termesztés az agroerdészet egy válfaja. Az „agroerdészet” vagy „agrárerdészet” mint fogalom Magyarországon még nem általánosan ismert, annak ellenére, hogy az agráriumban évszázadok óta alkalmazott tevékenység. Az agroerdészeti gyakorlatban egyazon területen ill. termelési rendszerben tudatosan kombinálják a fás vegetációt mezőgazdasági haszonnövény kultúrákkal. Agroerdészeti rendszerek közé sorolhatók (Mosquera Losada et al, 2015; Den Herden et al, 2016) felosztása alapján, a szerzők kiegészítésével):  növényi védősávok (pl. part menti és mezővédő erdősávok, sövények)  fás legelők  legeltetett erdők, faültetvények  haszonnövény termesztéssel kombinált erdők, faültetvények  fasorokkal kombinált köztestermesztéses rendszerek (Dupraz et al, 2005) 176

   

fás ligetek erdőkertek egyéb települési zöld infrastruktúra elemek (pl. köztéri gyümölcsösök, fákkal kombinált konyhakertek) javított ugar

Az agroerdészeti rendszerek némely típusai (pl. mezővédő és hófogó erdősávok, fás legelők) (Vityi et al, 2016/a) (Frank et al, 2012) (Varga et al, 2015) Magyarországon is hagyományosnak számítanak, bár területfoglalásuk az utóbbi években jelentősen csökkent.

Manapság a gazdálkodók részéről újra nő az érdeklődés a hagyományos és a modern agroerdészeti gazdálkodási rendszerek iránt, miközben a Nyugat- és Dél-európai országokban elterjedt modern technológiákkal még csak mostanában kezdenek a hazai szakemberek megismerkedni. (Vityi, 2014/a,b) Az erdei köztes termesztés már az 1820-as évekből származó feljegyzésekben (debreceni közigazgatási iratokban) is szerepel – akkoriban vákáncsosoknak nevezték e területeket -, amelyek a város tulajdonába kerülő felhagyott és lepusztult erdőterületeket voltak, ahol facsemetéket ültettek, közöttük pedig mezőgazdasági növények termesztése folyt. Az életformát, amit a vákáncsosok képviseltek, a 19. században felszámolták, maga a technológia azonban máig megmaradt. (Miklós, 1974) Magyarországi erdei köztestermesztéses rendszerek A hazai erdei köztes termesztéses területek azonosítása és folytatólagos vizsgálata jelen kutatás tárgyát képezik. Cikkünkben két jellemző példát említünk meg.

2015. nyarán a Nyírerdő Zrt. Hajdúhadházi Erdészetének területén agroerdészeti rendszer létesült 0,66 ha területen, melyen kocsányos tölgy csemetéket kombináltak takarmány kukoricával. (1. kép) A vizsgálatok a telepítést követő első években, 2015. és 2017. között folytak. Az erdei köztesművelést több erdőrészletben is alkalmazták a fent említett időszakban az említett kombinációval, a Hajdúhadházi Erdészet területén, amely egy több mint 100 éves technológiát hozott vissza a gyakorlatba. (Vityi et al, 2016/b; Kovács et al, 2017)

1. ábra Kocsányos tölgy-kukorica köztes termesztésű rendszer Hajdúhadházon (Kovács Klaudia)

2. ábra Nyár-kukorica köztes termesztésű rendszer Kapuváron (Bors László)

Nyugat-Magyarországon is találunk példát az erdei köztes művelésre. A Kapuvári Erdészet 10177

12 éve alkalmazza az agroerdészeti köztes művelést. (2. ábra) Az elsőéves nemesnyár állományokat sikeresen párosítják kukoricával az arra alkalmasnak tartott erdősítésekben, amely általában eléri az 5 ha-t évente.

Az erdei köztes termesztés szerepe a fakihozatal mennyiségi és minőségi fejlesztésében Az erdei köztes termesztés alkalmazásával fenntartható és produktív, az erdőtelepítés sikerességét elősegítő gazdálkodást folytathatunk. A fent említett kísérleti rendszerben – és a kontrollként használt csemeteállományban – végzett komplex hozam – és termőhelyvizsgálatok eredményei a következőket mutatták: a. A csemeték a köztestermesztéses rendszerben jobb növekedést produkáltak. A köztes kultúra – Magyarországon jellemzően kukorica-, ha jól választjuk meg a távolságokat, versenyhelyzetet teremt, vagy épp részlegesen árnyékol, így ösztönzi a növekedésre a fiatal faegyedeket (Vityi et al, 2018) b. Az agroerdészeti területen a talaj hő- és vízháztartása jóval kiegyensúlyozottabb volt a kontrolhoz képest. A pozitív hatás különösen erősen érvényesült aszályos időszakokban; az aszálykár okozta veszteség a kontroll területen jelentős volt, míg a köztes erdei termesztés területén nem tapasztaltunk kiveszést. (Vityi et al, 2016/b) c.A megfigyelések szerint a vadkárral tájegységtől függően eltérően kell számolni.

Magyarország keleti részein inkább csak a vaddisznó és az őz okozott kárt, míg a Kisalföldön számolnunk kell a többi nagy vad kártételével is - a kerítés ellenére. A keleti az agroerdészeti rendszerben vadkár gyakorlatilag nem volt tapasztalható. A nyugati területeken a vadkár jelentős része a takarmány kukorica károsítására korlátozódott. (Vityi et al, 2018; Kovács et al, 2017) Az eddigi tapasztalatok és vizsgálati eredmények tehát azt mutatják, hogy az erdei köztes művelés a mesterséges erdőfelújítás hatékonyságát – és ezzel a jövőbeni fakészlet minőségi és mennyiségi paramétereit - javíthatja, csökkentheti az aszálykárt és növelheti a csemeték életben maradási esélyét. Ugyanakkor a szabad terület hasznosításával egyéb célokat is szolgálva (takarmánytermesztés, ökoszisztéma-szolgáltatások) a felújítás erőforráshatékonysággal és gazdasági hozadékkal is párosul.

Köszönetnyilvánítás A publikáció az EFOP 3.6.2-16-2017-00018 „Termeljünk együtt a természettel – az Agrárerdészet, mint kitörési lehetőség” és a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című, EFOP-3.6.2-16-2017-00010 című pályázat támogatásával készült.

Hivatkozások Den Herder M, Gerardo M, Mosquera-Losada R, Palma J, Sidiropoulou A, Santiago Freijanes Jj, Crous –Duran J, Paulo J, Tomé T, Pantera A, Papanastasis V, Mantzanas K, Pachana P, Papadopoulos A, Plieninger T, Burgess Pj (2016): Current Extent And Trends Of Agroforestry In The EU27, Deliverable 1.2: AGFORWARD (613520) Dupraz C, Burgess PJ, Gavaland A, Graves AR, Herzog F, Incoll LD, Jackson N, Keesman K, Lawson G, Lecomte I, Mantzanas K, Mayus M, Palma J, Papanastasis V, Paris P, Pilbeam DJ, Reisner Y, van Noordwijk M, Vincent G, van der Werf W (2005): SAFE (Silvoarable Agroforestry for Europe), Synthesis Report, SAFE Project 178

Eurostat (2018): Wood products - production and trade: Agriculture, forestry and fishery statistics, ISBN 978-92-79-75764-8 Földművelésügyi Minisztérium Erdészeti és Vadgazdálkodási Főosztály (2016):Nemzeti Erdőstratégia 2016-2030., Budapest Frank N, Takács V (2012): Hó- és szélfogó erdősávok minősítése szélsebesség-csökkentő hatásuk alapján (Windbreaks and shelter-belts examination by their effect on decreasing the windspeed), Erdészettudományi Közlemények: 2(1): 151-162.

Jonsson R, Blujdea VNB, Fiorese G, Pilli R, Rinaldi F, Baranzelli C, Camia A (2018): Outlook of the European forest-based sector: forest growth, harvest demand, wood-product markets, and forest carbon dynamics implications, iForest 11: 315-328, doi: 10.3832/ifor2636-011, [online 2018-04-18] Kovács Klaudia; Vityi Andrea (2017): Erdőtelepítés támogatása agroerdészeti rendszerekkel;VI. Kari Tudományos Konferencia Sopron, Soproni Egyetem, 2017.

Miklós Zs. (1974): Az elfeledett vákáncsosok Mosquera-Losada RM., Santiago Freijanes JJ., Pisanelli A., Rois M., Garnett K., Lamersdorf N., Ferreiro N., Balaguer F., Smith J., den Herder M., Pantera A., Morero G., Rigueiro A., Gonzalez P., Fernandez J., Romero R., Burgess PJ. (2015): Extent and Success of Current Policy Measures to Promote Agroforestry across Europe, D8.1, AGFORWARD project Nébih (2018): Erdővagyon, Erdő- és Fagazdálkodás Magyarországon.

Varga A., Vityi A. (2015): Research and Development Protocol for the Wood Pastures in Hungary, WP2. AGFORWARD (613520) Vityi A., Frank N. (2016/a): Shelterbelt as a best practice of improving agricultural production, In: 3rd European Agroforestry Conference, Book of Abstract, European Agroforestry Federation, Montpellier, pp 211-212.

Vityi A., Kovács K. (2018): Improve the efficiency of afforestation by the use of alley cropping system, In: Nuria Ferreiro-Domínguez et al. (ed.): Agroforestry as Sustainable Land Use, 4th European Agroforestry Conference. Nijmegen: European Agroforestry Federation, pp. 457461., ISBN: 978-84-09-02384-4 Vityi A., Kovács K., Dufla F., Bácsmegi L., Nagy I. (2016/b): Improve the efficiency of afforestation by the use of agroforestry practices, In:Marie Gosme et al. (ed.): Book of Abstracts, 3rd European Agroforestry Conference, Montpellier: European Agroforestry Federation, pp. 144 145., ISBN:978-2-87614-717-1 Vityi A., Marosvölgyi B (2014/a): Hagyományos és új agroerdészeti technológiák lehetséges szerepe az Alföld klímaérzékenységének mérséklésében, Alföldi Erdőkért Egyesület 21.

Kutatói Nap, konferenciakötet Vityi A., Marosvölgyi B. (2014/b): Agroerdészet egykor és ma, Agroforum 25. Évf. 10. Sz.

179

180