ANALIZA GAZÓW WYDZIELAJ CYCH SI Z MIESZANEK BENTONIT NO NIK W GLA STOSOWANYCH W ODLEWNICTWIE W ZAKRESIE TEMPERATURY ºC

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 ARTUR BOBROWSKI, MARIUSZ HOLTZER ** ANALIZA GAZÓW WYDZIELAJ CYCH SI Z MIESZANEK BENTONIT NO NIK W GLA STOSOWANYCH W ODLEWNICTWIE W ZAKRESIE TEMPERATURY ºC W artykule porównano pod wzgl dem wydzielalno ci gazów dwie firmowe mieszanki bentonit no nik w gla b yszcz cego, stosowane jako dodatek do mas z bentonitem, o nazwie handlowej no nika w gla kormix 75k i ecosil. Pomiary wykonano za pomoc termoanalizatora Mettler- -Toledo 851 e po czonego on-line z kwadrupolowym spektrometrem masowym (QMS) Thermostar Balzers. Okre lono emisj nast puj cych gazów: CO 2, SO 2, BTEX. Badania prowadzono w zakresie temperatury o C. Mniej CO 2 i SO 2 wydziela si z mieszanki zawieraj cej kormix 75k, natomiast pod wzgl dem wydzielalno ci BTEX bardziej korzystna okazuje si mieszanka z ecosilem. S owa kluczowe: masy z bentonitem, ochrona rodowiska, emisja gazów, BTEX 1. WPROWADZENIE Pe na charakterystyka dodatków stosowanych do mas formierskich z bentonitem wymaga obecnie uwzgl dnienia ich szkodliwo ci dla otoczenia. Oddzia ywanie wysokiej temperatury na poszczególne sk adniki masy wywo uje emisj gazów. Cz z nich uchodzi z formy, a cz osadza si na ziarnach osnowy masy. ród em niejednokrotnie toksycznych gazów s sk adniki mas i pow ok ochronnych, ale przede wszystkim organiczne sk adniki i dodatki do mas oraz organiczne materia y wi co-stabilizuj ce. Sk ad wydzielaj cych si gazów zale y od sk adu masy i/lub pow oki. Oprócz takich substancji, jak para wodna, CO, CO 2 mog si wydziela mi dzy innymi: NH 3, HCN, SO 2, H 2 S, PH 3, fenol, formaldehyd, benzen, toluen, etylobenzen, ksyleny, izocyjaniany, wielopier cieniowe w glowodory aromatyczne (WWA) oraz dioksyny [6, 9]. Szkodliwo mas formierskich z bentonitem jest od wielu lat przedmiotem licznych bada [1, 2, 5, 7 10]. Wyniki tych bada wskazuj, e g ównym po- Dr in. ** Wydzia Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Prof. dr hab. Praca zosta a wykonana w ramach pracy w asnej Wydzia u Odlewnictwa AGH.

2 12 A. Bobrowski, M. Holtzer wodem szkodliwo ci tych mas jest wprowadzenie do nich dodatku no ników w gla [3, 5, 9]. Obecnie prowadzone s badania nad opracowaniem takich no- ników w gla b yszcz cego, które stwarza yby jak najmniejsze zagro enie dla rodowiska. 2. METODA POMIARU I STOSOWANA APARATURA Badania stosowanych w odlewnictwie mieszanek bentonit no nik w gla pod wzgl dem ich oddzia ywania na rodowisko (emisja gazów podczas oddzia- ywania wysokiej temperatury) wykonano metod termograwimetryczn w po czeniu ze spektrometri masow. Metoda ta pozwala okre li warunki, w których wydzielaj si wybrane zwi zki chemiczne (zakres temperaturowy oraz pomiar ilo ciowy). Wydzielalno gazów (EGA Evolved Gas Analysis) badano za pomoc termoanalizatora Mettler-Toledo 851 e po czonego on-line z kwadrupolowym spektrometrem masowym (QMS) Thermostar Balzers. Próbk o masie 150 mg umieszczono w korundowym tyglu o pojemno ci 150 l zamkni tym pokrywk z otworem ( = 1 mm) i poddano analizie termicznej w zakresie temperatury C z szybko ci ogrzewania wynosz c 10 C/min w atmosferze argonu (99,999%) przy przep ywie 80 ml/min. Dok adno termoanalizatora wynosi a 1 g. Wydzielane gazy analizowano w trybie kana owym, rejestruj c odpowiednie zestawy linii masowych odpowiadaj cych emisji: H 2 O, CO 2, SO 2, benzenu (B), toluenu (T), etylobenzenu (E) i ksylenów (X). Ilo ciowa interpretacja zarejestrowanych widm masowych by a mo liwa dzi ki odpowiedniej kalibracji przeprowadzonej dla czystych substancji oraz ich mieszanin. Oszacowany b d systematyczny metody nie przekracza 20%. Przeprowadzone analizy nie wykluczaj mo liwo ci emisji innych, niepodlegaj cych analizie produktów gazowych. Do bada wykorzystano mieszank bentonit no nik w gla kormix 75k firmy Z biec oraz mieszank bentonit no nik w gla ecosil firmy Süd-Chemie. 3. ANALIZA I INTERPRETACJA WYNIKÓW BADA Zakres wydzielania si ditlenku w gla z badanych mieszanek przedstawiono na rys. 1 i 2. Emisja tego gazu z obu mieszanek przebiega w dwóch etapach. Pierwszy z nich rozpoczyna si z temperaturze oko o 250ºC w przypadku mieszanki bentonit kormix 75k oraz oko o 350ºC w przypadku mieszanki bentonit ecosil. Drugi etap wydzielania si CO 2 z obu mieszanek rozpoczyna si w temperaturze oko o 700ºC. Nie ma znacz cych ró nic pod wzgl dem inten-

3 Analiza gazów wydzielaj cych si 13 sywno ci wydzielania. Równie pod wzgl dem ilo ciowym emisja tego gazu z obu próbek jest na zbli onym poziomie (rys. 3). Rys. 1. Zakres wydzielalno ci CO 2 z mieszanki bentonit kormix 75k Fig. 1. Range of CO 2 emission from bentonite Kormix 75k mixture Rys. 2. Zakres wydzielalno ci CO 2 z mieszanki bentonit ecosil Fig. 2. Range of CO 2 emission from bentonite Ecosil mixture

4 14 A. Bobrowski, M. Holtzer CO2 [g/kg] Kormix 75 Ecosil Rys. 3. Emisja CO 2 z mieszanek bentonit no nik w gla b yszcz cego Fig. 3. Total emission CO 2 from bentonite lustrous carbon carrier mixtures Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono krzywe wydzielania si SO 2 z badanych mieszanek. Mieszanki te ró ni si pod wzgl dem wydzielalno ci SO 2. Emisja tego gazu z mieszanki zawieraj cej kormix 75k rozpoczyna si w ni szej temperaturze (o oko o 100ºC) z wyra nym podzia em na trzy etapy i chwilowym zatrzymaniem wydzielania w zakresie temperatury ºC (rys. 4). W przypadku mieszanki bentonit ecosil wyst puje ci g a emisja SO 2, a intensywno wydzielania jest wi ksza (rys. 5). St d sumaryczna emisja tego gazu z tej mieszanki jest wyra nie wi ksza (rys. 6). Rys. 4. Zakres wydzielalno ci SO 2 z mieszanki bentonit kormix 75k Fig. 4. Range of SO 2 emission from bentonite Kormix 75k mixture

5 Analiza gazów wydzielaj cych si 15 Rys. 5. Zakres wydzielalno ci SO 2 z mieszanki bentonit ecosil Fig. 5. Range of SO 2 emission from bentonite Ecosil mixture SO2 [mg/kg] Kormix 75 Ecosil Rys. 6. Emisja SO 2 z mieszanek bentonit no nik w gla b yszcz cego Fig. 6. Total emission SO 2 from bentonite lustrous carbon carrier mixtures Na rysunkach 7 i 8 zilustrowano krzywe wydzielania si benzenu z badanych mieszanek. Emisja ta rozpoczyna si w temperaturze oko o 300ºC, z tym e w przypadku mieszanki bentonit kormix 75k jest gwa towniejsza. Przebieg wydzielania benzenu z mieszanki bentonit ecosil jest dwuetapowy. Intensywno wydzielania si, jak równie sumaryczna ilo powstaj cego benzenu jest wi ksza dla mieszanki z no nikiem w gla kormix 75 (rys. 9).

6 16 A. Bobrowski, M. Holtzer Rys. 7. Zakres wydzielalno ci benzenu z mieszanki bentonit kormix 75k Fig. 7. Range of benzene emission from bentonite Kormix 75k mixture Rys. 8. Zakres wydzielalno ci benzenu z mieszanki bentonit ecosil Fig. 8. Range of benzene emission from bentonite Ecosil mixture

7 Analiza gazów wydzielaj cych si 17 Benzen [mg/kg] Kormix 75 Ecosil Rys. 9. Emisja benzenu z mieszanek bentonit no nik w gla b yszcz cego Fig. 9. Total emission of benzene from bentonite lustrous carbon carrier mixtures Rys. 10. Zakres wydzielalno ci toluenu, etylobenzenu i ksylenów z mieszanki bentonit kormix 75k Fig. 10. Range of toluene, ethylobenzene and xylenes emission from bentonite Kormix 75k

8 18 A. Bobrowski, M. Holtzer Rys. 11. Zakres wydzielalno ci toluenu, etylobenzenu i ksylenów z mieszanki bentonit ecosil Fig. 11. Range of toluene, ethylobenzene and xylenes emission from bentonite Ecosil Przebieg krzywych wydzielania toluenu, etylobenzenu i ksylenów (rys. 10 i 11) wskazuje, e z mieszanki zawieraj cej no nik w gla kormix 75k emisja tych gazów nast puje w ni szej temperaturze ni z mieszanki z no nikiem ecosil i przebiega z wi ksz intensywno ci, co powoduje wi ksze wydzielanie tych substancji w uj ciu ilo ciowym (rys. 12). Toluen Etylobenzen Ksyleny Kormix 75 Ecosil Rys. 12. Emisja BTEX z mieszanek bentonitowo-w glowych Fig. 12. Total emission of BTEX from bentonite-lustrous carbon carrier mixtures

9 Analiza gazów wydzielaj cych si WNIOSKI Z uzyskanych wyników pomiaru wydzielalno ci gazów z mieszanek bentonit no nik w gla wynikaj nast puj ce wnioski: 1. Mniej CO 2 i SO 2 wydziela si z mieszanki zawieraj cej kormix 75k, natomiast pod wzgl dem wydzielalno ci BTEX korzystniejsza jest mieszanka z ecosilem. 2. Emisja BTEX z mieszanki bentonit kormix 75k zachodzi w temperaturze ni szej o oko o ºC ni z mieszanki z no nikiem w gla ecosil. 3. Charakter krzywych wydzielania oraz znaczne ró nice w sumarycznej ilo- ci poszczególnych gazów mog wiadczy o zastosowaniu ró nych dodatków w glotwórczych przez producentów mieszanek. LITERATURA [1] Bobrowski A., Charakterystyka py ów z suchego odpylania stacji przerobu mas z bentonitem w aspekcie ich u ytkowego wykorzystania, rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska, Wydzia Odlewnictwa [2] Holtzer M., Lewandowski J. L., Bilska M., Grabowska B., Charakterystyka mas formierskich i rdzeniowych stosowanych w odlewniach eliwa w aspekcie wymywalno ci z nich szkodliwych substancji, Przegl d Odlewnictwa, 2004, 6, s [3] Holtzer M., Czy mo na wyeliminowa py w glowy z mas klasycznych, Przegl d Odlewnictwa, 2005, 12, s [4] Lewandowski J. L., Klassifikation der Form und Kernsande in Hinsicht auf die Toxizität, Przegl d Odlewnictwa, 1994, 4, s [5] Lewandowski J. L., No niki w gla b yszcz cego, Przegl d Odlewnictwa, 2000, 10, s [6] Lewandowski J. L., Tworzywa na formy odlewnicze, Kraków, Akapit [7] Lewandowski J. L., Wp yw py u w gla kamiennego na toksyczno masy klasycznej, Przegl d Odlewnictwa, 1998, 10, s [8] Lewandowski J. L., Solarski W., Zawada J., Air pollution by gases emitted from foundry moulds during their filling, Acta Mettalurgica Slovaca, 1997, 3, s [9] Lewandowski J. L., Solarski W., Zawada J., Znaczenie py u w gla kamiennego w wilgotnej masie klasycznej dla szkodliwo ci dla otoczenia, Przegl d Odlewnictwa, 1999, 10, s [10] Solarski W., Zawada J., Lewandowski J. L., Znaczenie wielopier cieniowych w glowodorów aromatycznych dla oceny toksyczno ci mas formierskich, Przegl d Odlewnictwa, 1997, 7 8, s Praca wp yn a do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. in. Micha Szweycer

10 20 A. Bobrowski, M. Holtzer ANALYSIS OF GASES EMITTED FROM BENTONITE CARBON CARRIER MIXTURES, USED IN METAL CASTING AT THE RANGE OF o C S u m m a r y Comparison of two bentonite lustrous carbon carrier mixtures, used in metal casting as a trade name Kormix 75 and Ecosil, in emission of gases were made. Researches performed using thermobalance Mettley-Toledo 851 e connected one line with quadropole mass spectrograph (QMS). Emissions of CO 2, SO 2 and BTEX were determined. The temperature range was o C. Emissions of CO 2 and SO 2 were lower from Kormix 75 but Ecosil was more favourable in the respect of BTEX emission.