Zrównowaona technologia materiałowa*

Transkrypt

1 AMME 23 12th Zrównowaona technologia materiałowa* R. Nowosielski, M. Spilka Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównowaonych Technologii Proekologicznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18a, 44-1 Gliwice, Polska W artykule przedstawiono propozycj modelu technologii zrównowaonej i procedury jego osigania jako prostego narzdzia urzeczywistniania zrównowaonego rozwoju. Podjto prób zastosowania modelu zrównowaonej technologii do modernizacji technologii galwanicznej obróbki metali, ze wzgldu na wysoce negatywny wpływ na rodowisko naturalne odpadów galwanicznych. Przedstawiono moliwoci rozwiza technologicznych powodujcych nisze zuycie materiałów, energii oraz zmniejszenie kosztów i iloci powstajcych odpadów, a przez to uzyskanie okrelonych efektów ekonomicznych, ekologicznych i społecznych w porównaniu do efektów uzyskiwanych w przypadku stosowania technologii konwencjonalnych. 1. WSTP Naczeln zasad, która powinna wytycza kierunki szybkiego rozwoju gospodarczego i wzrostu jakoci ycia a równoczenie zapewnia popraw stanu rodowiska przyrodniczego jest koncepcja zrównowaonego rozwoju [1,2]. Pomimo, i wydaje si, e dzisiaj jest powszechnie znan, zrozumiał i akceptowan zasad, w szczegółach jej wystpuje wiele niejasnoci, co sprawia, e wdraanie koncepcji nie jest realizowane w oczekiwanym stopniu. Aby moliwe było uzyskanie okrelonych efektów w wyniku realizacji jej zasad w skali globalnej, konieczne s lokalne działania w odniesieniu do małych obszarów. Przykładem moe by analiza technologii, która koncentruje si na zagadnieniach oszczdnoci zasobów, energii i minimalizacji odpadów, co bezporednio skutkuje zmniejszeniem kosztów wytwarzania i wzrostem jakoci. Stanowi to poniekd istot technologii zrównowaonej, której okrelenie i zastosowanie moe prowadzi do realizacji koncepcji zrównowaonego rozwoju. Konieczne jest zatem opracowanie modelu technologii zrównowaonej (rys.1) i procedury jej osigania (rys.2) jako łatwiejszego, uproszczonego narzdzia urzeczywistniania zrównowaonego rozwoju. Stosowanie modelu zrównowaonej technologii mona zilustrowa na przykładzie zastosowania tego modelu do modernizacji technologii materiałowej - galwanicznej obróbki metali. Procesy nakładania powłok galwanicznych * Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS Nr PL-13/3-4 kierowanego przez Prof. L.A. Dobrzaskiego.

2 686 R. Nowosielski, M. Spilka stanowi powane niebezpieczestwo zanieczyszczenia rodowiska, powodujc powstawanie znacznych iloci zanieczyszcze lotnych, ciekłych i stałych, które s odprowadzane do atmosfery, wód i ziemi [3-1]. Odpowiednia racjonalna modernizacja takiego procesu moe prowadzi do czystej, efektywnej i przyjaznej rodowisku technologii galwanicznej obróbki metali, które do tej pory uwaane były za technologie szczególnie nieprzyjazne rodowiskowo. 2. MODEL I PROCEDURA ZRÓWNOWAONEJ TECHNOLOGII W literaturze i w praktyce funkcjonuje wiele poj, obejmujcych zagadnienia zwizane m.in. z ochron i zarzdzaniem rodowiskiem, czystszym wytwarzaniem, a stosowanie których powinno prowadzi do realizacji koncepcji zrównowaonego rozwoju. Po dokładnej analizie [11] mona stwierdzi, i pojcia te zawieraj szereg elementów wspólnych, jak równie pod rónymi nazwami kryj si zagadnienia dotyczce tych samych obszarów problemowych lub obszary te w duym stopniu pokrywaj si. Z tego wzgldu granice pomidzy tymi pojciami nie s ostre, a stosowanie ich w praktyce jest skomplikowane, co prowadzi do tego, e osiganie zrównowaonego rozwoju nie jest realizowane w oczekiwanym stopniu. Dlatego istnieje konieczno uproszczenia istniejcych narzdzi realizacji zrównowaonego rozwoju i zastosowania ich do opracowania procedur zmierzajcych do wypracowania technologii zrównowaonej. Jako ycia Marketing M odpadów Integracja operacji M Masa wejciowa (zuycie odnawialnych zasobów i energii) = Jako rodowiska Zrównowaona konsumpcja Masa produktu (o wysokiej jakoci) Zarzdzanie cyklem ycia produktu otoczenie wewntrzne technologii otoczenie zewntrzne technologii ZRÓWNOWAONY ROZWÓJ Rys.1. Model technologii zrównowaonej Ze wzgldu na wieloczynnikow i złoon problematyk zrównowaonego rozwoju w obszarze problemów technologicznych istnieje moliwo analizowania technologii w dwóch obszarach: zewntrznym i wewntrznym. Przyjcie takiego schematu umoliwi podział czynników na wewntrzne i zewntrzne, co ułatwi analiz i projektowanie technologii zrównowaonej oraz koncentracj na rónych grupach problemów, w tym inynierskich.

3 Zrównowaona technologia materiałowa 687 Definicja zrównowaonej technologii jak dotychczas nie została w literaturze sprecyzowana dlatego podjto prób sformułowania ogólnego jej pojcia. Technologia zrównowaona jest technologi prowadzc do wytwarzania produktów w sposób ostronie wykorzystujcy zasoby, minimalizujcym uszkodzenia rodowiska i zapewniajcym dostp do zasobów przyszłym pokoleniom. Okrelenie problemu Identyfikacja i oszacowanie zagroe - bilans masowy i energetyczny; - identyfikacja strumieni odpadów (jakociowa i ilociowa); - okrelenie przyczyn powstawania zagroe; - sformułowanie kryteriów oceny rozwiza. Zbieranie moliwych rozwiza Tworzenie wariantów rozwiza - wstpna selekcja wariantów rozwiza; - analiza ekologiczna i ekonomiczna wariantów rozwiza. Ocena alternatywnych rozwiza i wdroenie Wdraanie najlepszych rozwiza - wybór najlepszych wariantów z ekologicznego, ekonomicznego i społecznego punktu widzenia; - ocena funkcjonowania wdroonego rozwizania i porównanie z załoonymi kryteriami. Rys.2. Procedura postpowania przy poszukiwaniu i zastosowaniu zrównowaonej technologii Pod pojciem zrównowaonej technologii powinno rozumie si technologi, która racjonalnie wykorzystuje ródła energii, korzystajc w moliwie najwikszym stopniu ze ródeł energii odnawialnej; angauje moliwie najmniej zasobów na jednostk produktu, zwłaszcza w odniesieniu do zasobów nieodnawialnych; wykorzystuje w jak najwikszym stopniu zasoby odnawialne; eliminuje stosowanie toksycznych substancji chemicznych, które powoduj niebezpieczestwo dla zdrowia ludzkiego i rodowiska; dotyczy uzasadnionych produktów, które s długowieczne i dobrze zaspokajaj potrzeby, a po zakoczeniu ycia ulegaj biodegradacji lub s łatwo recyrkulowane; eliminuje (ogranicza) powstawanie odpadów; odznacza si wysok rentownoci i ekologicznoci; jest bezpieczna dla pracowników i okolicznej ludnoci.

4 688 R. Nowosielski, M. Spilka 3. NAJLEPSZE DOSTPNE ROZWIZANIA TECHNOLOGICZNE W PROCESIE GALWANICZNEJ OBRÓBKI METALI Typowy proces nakładania powłok galwanicznych - w duym uproszczeniu - składa si z trzech podstawowych powtarzajcych si sekwencyjnie operacji i czynnoci, takich jak: przygotowanie powierzchni detali, właciwa obróbka elektrochemiczna, operacja płukania. Z procesem takim zwizanych jest co najmniej kilka strumieni odpadów, które naleałaby zlikwidowa lub chociaby ograniczy (rys.3). W niniejszym opracowaniu analizie poddano proces elektrolitycznego nakładania powłok chromowych. Parowanie i aerozolowanie elektrolitu Energia Chemikalia Woda Detale Operacja przygotowania powierzchni Kpiel elektrolityczna Operacja płukania Detale po obróbce cieki z tłuszczem zuyty elektrolit cieki = woda + elektrolit Rys.3. Uogólniony proces obróbki galwanicznej metali Najlepsze dostpne rozwizania technologiczne korzystne zarówno pod wzgldem ekologicznym, jak i ekonomicznym dla wyej przedstawionych operacji s nastpujce: I. Operacja przygotowania powierzchni wyeliminowanie procesu odtłuszczania, odtłuszczanie przy uyciu orodków wodnych, odtłuszczanie przy uyciu wglowodorów, zmniejszenie zanieczyszczenia kpieli trawicej, odzysk kpieli trawicej, trawienie bezciekowe; II. Operacja chromowania zastosowanie kpieli niskosteniowej do chromowania bez obnienia jakoci uzyskiwanych powłok, zastosowanie bezporedniego odzysku elektrolitu, wydłuenie czasu pracy kpieli przez jej cigłe oczyszczanie przy uyciu ywic jonowymiennych, ograniczenie strat zwizanych z aerozolowaniem; III. Operacja płukania - zastosowanie po kadej operacji kaskadowego trójstopniowego systemu płukania odzyskowego, wprowadzenie obiegu zamknitego z kolumnami jonitowymi wypełnionymi ywicami jonowymiennymi. 4. PRZYKŁAD ANALIZY TECHNOLOGII GALWANICZNEJ OBRÓBKI METALI Kade z przedstawionych rozwiza poddano dokładnej analizie ekologicznej i ekonomicznej w oparciu o nastpujce dane: kpiel elektrolityczna roztwór trójtlenku chromu CrO 3, program produkcji obróbka powierzchni detali 92 m 2 /rok, linia produkcyjna czas pracy 2 zmiany 16 godzin/rok, pojemno wanien ~5 l. Po przeprowadzonej analizie najlepszych dostpnych rozwiza technologicznych procesu chromowania wybrano nastpujce warianty, których wprowadzenie przyniesie nie tylko korzyci ekologiczne ale równie i ekonomiczne (rys.4):

5 Zrównowaona technologia materiałowa 689 a) Odpady ciekłe, l/rok Koszt, zł/rok x 1 b) Odpady stałe, kg/rok Odpady ciekłe, l/rok Koszt, zł/rok x 1 c) Odpady stałe, kg/rok Odpady ciekłe, l/rok Koszt, zł/rok x 1 d) Zuycie wody, m 3 /rok e) Ilo odpadów, % Koszt, zł/rok x Koszt, zł/rok x Rys.4. Efekty ekologiczne uzyskane po zmniejszeniu iloci odpadów oraz koszty operacji a) odtłuszczania, b) trawienia, c) chromowania, d) płukania, e) całego procesu w zalenoci od zastosowanego rozwizania Technologia małoodpadow a , odtłuszczanie w orodkach wodnych w miejsce tradycyjnego procesu odtłuszczania, podczas którego stosowany był trójchloroetylen; zastosowanie bezciekowego trawienia (lub jego wyeliminowanie) w kwasie siarkowym, co spowoduje brak lub minimaln ilo odpadów potrawiennych (szlamów, odpadów z pras filtracyjnych) wymagajcych utylizacji i pó niejszego składowania na odpowiednio przygotowanym składowisku odpadów toksycznych, dziki zastosowaniu odpowiednich absorbentów i ograniczeniu parowania i aerozolowania kpieli uzyskano zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery o 14 g/rok, to jest o 9 %; w wyniku zastosowanie płuczek odzyskowych w połczeniu z wyparkami ograniczono straty elektrolitu na skutek wynoszenia o 9 %, co w praktyce eliminuje negatywne oddziaływanie CrO 3 na rodowisko; zastosowanie hermetycznego systemu pomp, rur i kolumn z ywicami jonowymiennymi słucymi oczyszczaniu elektrolitu z zanieczyszczajcego Fe i Cr +3 prowadzi do przedłuenia czasu funkcjonowania kpieli technologicznej; w wyniku zastosowania systemu trójstopniowych płuczek kaskadowych, przeciwprdowych z dodatkowym stopniem płukania płuczk pracujc w obiegu zamknitym z kolumnami jonowymiennymi nastpiło zmniejszenie zuycia wody o 85 %; dziki oszczdnoci wody i odzysku składników traconych na skutek wynoszenia uzyskano zmniejszenie kosztów zwizanych z procesem o ~ 5 % oraz nastpiła redukcja odpadów o ~ 95 %.

6 69 R. Nowosielski, M. Spilka Istnieje zatem moliwo spełnienia zasad zrównowaonego rozwoju m.in. poprzez projektowanie i wdraanie nowej generacji technologii zrównowaonych technologii oraz modernizowania istniejcych w kierunku wzorcowej technologii zrównowaonej. Konieczne jest równie opracowania bazy najlepszych dostpnych technologii, technologii zintegrowanych, czystszych i zrównowaonych oraz rozwoju edukacji zmierzajcej do zmiany poziomu wiadomoci (w tym wiadomoci ekologicznej) społeczestwa (w tym inynierów w szczególnoci). LITERATURA 1. R. Nowosielski: Zadania inynierii materiałowej w wietle koncepcji zrównowaonego rozwoju wiata, Mat. Konf. Posiedzenia Zespołu Integrujcego w regionie lskim, Gliwice R. Nowosielski, M. Spilka: Zrównowaona technologia drog do realizacji zrównowaonego rozwoju, Mat. Konf. Naukowej Efektywno Systemów Zarzdzania, Nałczów J. Andziak, E. Błachowicz, M. Kieszkowski, Z. Rogalski, P. Tomassi: Ekologiczne technologie obróbki powierzchniowej i cieplnej metali, Mat. Konf. Ochrona rodowiska w obróbce powierzchniowej metali, Pozna R. Nowosielski, M. Spilka: Ekologiczna optymalizacja operacji płukania w galwanicznej obróbce metali, Mat. Konf. M 3 E 2, Gliwice R. Nowosielski, M. Spilka: Zrównowaona technologia elementem współczesnych metod zarzdzania produkcj, Mat. Konf. AMME 21, Gliwice-Kraków-Zakopane R. Nowosielski, M. Spilka: Minimalizacja odpadów w operacji chromowania elektrolitycznego metali jako czci składowej procesu nakładania powłok chromowych, Mat. Konf. AMME 22, Gliwice-Zakopane B. Szeptycka: Przyjazne rodowisku kpiele do niklowania, Czystsza Produkcja w Polsce 5, E. Błachowicz: Chemiczne przygotowanie powierzchni do malowania w aspekcie Czystszej Produkcji, Czystsza Produkcja w Polsce 6, A. Doniec: Czysta technologia dzi i jutro, Czystsza Produkcja w Polsce, Zeszyt specjalny R. Nowosielski, M. Spilka: Zrównowaona technologia galwanicznej obróbki metali, EcoChemTech 3 Zielona Chemia, Wrocław 23, w druku. 11. R. Nowosielski, M. Spilka: Zmiany w zarzdzaniu produkcj jako rezultat wdraania zrównowaonego rozwoju, Wyd. Inf. Ekonom. UJ, Kraków 21.