CZ2022389A3 - Způsob úpravy pryžových částic a zařízení pro provedení uvedeného způsobu - Google Patents

Abstract

Předmětem vynálezu je způsob úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky, u kterého se za kontinuálního míchání pryžových částic ve vzduchotěsné tlakové nádobě (1) mezi ně vhání vzduch, ohřátý na 50 až 180 °C za přetlaku vzduchu 5 až 350 kPa, do nějž se uvolňují z pryžových částic kontaminanty zahrnující polycyklické aromatické uhlovodíky, a jimi obohacený vzduch se z tlakové nádoby (1) odsává. Dalším předmětem je zařízení, které obsahuje nádobu se žlabem (2) o průřezu tvaru U, ve kterém je na jeho dně vypouštěcí otvor a uvnitř žlabu (2) míchadlo, a žlab (2) je vzduchotěsně uzavřen odnímatelným víkem (5) tak, že tvoří tlakovou nádobu (1) s přípojem (40) na přívod vzduchu ohřátého na 50 až 180 °C, a s přípojem (41) na odvod odsávaného kontaminovaného vzduchu.

Description

Způsob úpravy pryžových částic a zařízení pro provedení uvedeného způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky a zařízení pro úpravu těchto pryžových částic, nejčastěji pryžového granulátu neboli pryžové drti, pocházejících z recyklace vulkanizovaných pryží, konkrétněji z recyklace ojetých pneumatik vozidel s cílem zlepšit jejich vlastnosti, zejména snížit obsah škodlivých látek uvolňujících se do okolního životního prostředí, případně omezit nepříjemný zápach.

Dosavadní stav techniky

Pryžový granulát získaný drcením pryžového odpadu se používá jako zásyp do umělých trávníků pro sportovní účely a pro sportovní povrchy jako jsou běžecké dráhy, tenisové kurty nebo dětská hřiště. Synonymem pro pryžový je guma/gumový.

Nejčastějším zdrojem pryžové drti jsou recyklované pneumatiky, většinou jde o recyklovaný styren-butadienový kaučuk - SBR. Nebezpečnými látkami v pryži v pneumatikách jsou především těkavé složky, zejména nitrosaminy a xyleny, dále benzothiazoly, sekundární aminy, těžké kovy, zejména zinek, a polycyklické aromatické uhlovodíky.

Polycyklické aromatické uhlovodíky - PAU jsou skupinou aromatických sloučenin obsahujících dva nebo více kondenzovaných benzenoidních kruhů v lineární, hranaté nebo klastrové struktuře.

PAU pocházejí z vysoce aromatického oleje, který se používá jako přísada při výrobě pneumatik. Spotřeba aromatických olejů při výrobě pneumatiky závisí na její velikosti. Například v rozměru pneumatiky 195/65R15, což je typická pneumatika pro osobní automobily, je obsah vysoce aromatického oleje 200 až 600 g na pneumatiku. V důsledku toho se obsah PAU v této pneumatice pohybuje mezi 0,1 g až 0,3 g.

Tyto organické sloučeniny jsou většinou bezbarvé, bílé nebo světle žluté pevné látky. Jedná se o všudypřítomnou skupinu několika chemicky příbuzných sloučenin, perzistentních vůči životnímu prostředí s různými strukturami a různou toxicitou. Mají toxické účinky a působí na organismy prostřednictvím různých mechanismů. Za mechanismus toxicity se považuje interference s funkcí buněčných membrán a také s enzymatickými systémy, které jsou s membránou spojeny. Bylo prokázáno, že PAU mohou mít karcinogenní a mutagenní účinky a jsou silnými imunosupresory.

Sportoviště vybavená umělým trávníkem se zásypem z granulátu z recyklovaných pneumatik mohou uvolňovat nebezpečné látky do vzduchu, kontaminovat půdu a podzemní vody rozpustnými kontaminanty vyplavenými deštěm a představovat zdravotní rizika pro obyvatele a uživatele v důsledku vdechování těkavých látek.

Například, pokud je okolní teplota 25 °C a granulát na sportovišti nebo hřišti je vystaven přímému slunečnímu záření, mohou pryžové granuláty dosahovat střední teploty okolo 60 °C, při které dochází k soustavnému uvolňování PAU. Vzhledem k vysoké kontaminaci, ke které v tomto stavu dochází, vydala komise EU ze dne 20. července 2021 závazné nařízení č. 2021/1199, a to změnou přílohy XVII nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1907/2006, týkající se polycyklických aromatických uhlovodíků v granulích nebo mulčích používaných jako výplňový materiál na hřištích se syntetickým trávníkem nebo ve volné formě na hřištích nebo sportovištích, které zakazuje uvádět na trh granule nebo mulče pro použití jako výplňový materiál na hřištích s umělým trávníkem nebo ve volné formě na hřištích nebo

- 1 CZ 2022 - 389 A3 sportovištích s obsahem větším než 20 mg/ kg, tj. 0,002 % hmotn. součtu všech níže uvedených PAU:

- benzo[a]pyren (BaP); CAS č. 50-32-8

- benzo[e]pyren (BeP); CAS č. 192-97-2

- benzo[a]anthracen (BaA); CAS č. 56-55-3

- chrysen (CHR); CAS č.218-01-9

- benzo[b]fluoranthen (BbFA); CAS č. 205-99-2

- benzo[j]fluoranthen (BjFA); CAS č. 205-82-3

- benzo[k]fluoranthen (BkFA); CAS č. 207-08-9

- dibenzo[a,h]anthracen (DBAhA); CAS č. 53-70-3

Dosud známé řešení pro snížení PAU v pryžovém granulátu je založené na chemickém louhování neboli extrakci sloučenin PAU z granulátu z recyklovaných pneumatik do nepolárního rozpouštědla při středně až vysokorychlostním míchání pryžových granulí v tomto médiu prostřednictvím planetové míchačky naplněné nepolárním rozpouštědlem tak, že jsou všechny pryžové granule v nepolárním rozpouštědle zcela ponořeny. Poměr objemu nepolárního rozpouštědla k objemu granulátu je 2:1. Problém spočívá v tom, že nepolární rozpouštědla se musí často vyměňovat, jsou většinou sama o sobě toxická, nebezpečná pro životní prostředí s nákladnou likvidací, těžko se recyklují, proces je velmi nákladný a nemůže tak splňovat ekonomické požadavky, takže neposkytuje životaschopné komerční řešení.

Další nevýhodou konvenční extrakce PAU nepolárním rozpouštědlem je nedostatečná extrakce těkavých organických látek - VOC a přetrvávající nepříjemný zápach pneumatik, takže ošetřené pryžové drtě nejsou vhodné pro konečné aplikace, konkrétně pro použití ve výplních sportovních trávníků a hřišť, protože se stále uvolňují škodlivé VOC a nepříjemné pachy při vystavení přímému slunečnímu záření.

Horizontální páskové míchadlo, jinak také nazývané pásková míchačka, či páskový mísič, z angl. ribbon blender nebo ribbon mixer, se ve stavu techniky používá k míchání suchých směsí, například krmiv, v otevřených U - nádobách za atmosférického tlaku. Někdy se tyto směsi sprchují kapalnými aditivy, která směsi vylepšují např. vitaminy. Míchačka má velmi přesně nastavenou vzdálenost mezi vnější spirálou míchadla a stěnou nádoby. Někdy jsou nádoby překryty víkem, kde víko slouží k tomu, aby se zvířený prach nešířil mimo nádobu. Takové víko může pak být opatřeno otvorem pro přidávání suchých nebo kapalných složek.

Podstata vynálezu

Výše uvedené problémy stavu techniky řeší způsob úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky, při kterém se za intenzivního míchání pryžových částic ve vzduchotěsné tlakové nádobě mezi tyto částice vhání vzduch ohřátý na teplotu 50 až 180 °C za přetlaku vzduchu 5 až 350 kPa. Do vzduchu se uvolňují z pryžových částic kontaminanty zahrnující polycyklické aromatické uhlovodíky a jimi obohacený vzduch se z tlakové nádoby odsává. Horký vzduch může být vháněn například rychlostí 1 až 60 m³/min. Promíchávání se provádí nejlépe páskovým míchadlem na hřídeli za kontinuálního otáčení hřídele, nejlépe rychlostí 10 až 240 otáček za minutu. Doba zpracování se může pohybovat například od 1 do 10 hodin, obvykle 4 hodiny dle výsledné koncentrace PAU.

Během uvedeného způsobu zpracování dochází k podstatnému snížení koncentrace PAU, VOC v pryžovém granulátu ekologicky šetrným způsobem, který je po té možné použít jako recyklovaný materiál pro sekundární využití například do dětských/sportovních hřišť.

Ve výhodném provedení se na pryžové částice dále působí UV zářením. Účelem ozařování UV zářením je fotochemickým procesem rozrušit chemické zasíťování původně vulkanizované

- 2 CZ 2022 - 389 A3 pryže pneumatiky rozdrcené na částice, například granule, a to působením vysoce energetického ultrafialového záření, tj. UV záření, nejlépe s vlnovými délkami 100 až 400 nm. Zdrojem UV záření, může být jakákoli nízkotlaká, střednětlaká nebo vysokotlaká rtuťová výbojka nebo amalgamová UV lampa nebo UV-LED lampa s vlnovou délkou spektra 100 až 400 nm pokrývající tři pásma UVA, UVB a UVC, buď jednotlivé monochromatické nebo polychromatické vlnové délky.

Tato foto-dekompozice přispívá k rozbití vazeb zejména na povrchu pryžové částice a k uvolnění kontaminantů, např. PAU, VOC apod. z pryžového granulátu a případně i k jejich rozložení na komponenty. Během jedné fáze se působí po dobu 5 až 40 minut, výhodněji 15 až 25 min UV zářením.

K dalšímu snížení koncentrací PAU a VOC a zlepšení vlastností dojde, pokud se pryžové částice skrápějí chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic. Při tomto kroku se skrápěné pryžové částice zvlhčí chemickým činidlem a při tom dochází k narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic. Skrápěním je myšleno krátkodobé sprchování, nikoliv však úplné ponoření granulí do kapalného média nebo jejich kompletní zalití. Množství skrápěného činidla během jedné fáze skrápění je výhodně použito 20 až 200 mililitrů na 1 kg pryžových částic.

Chemickým činidlem pro narušení síťových chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic může být například čistý pyridin nebo jeho vodný roztok o koncentraci rovné nebo vyšší než 1 % hmotn. pyridinu v roztoku, nejčastěji 40 až 80 % hmotn. pyridinu v roztoku, kde 1 kg pryžových částic se během jedné fáze skrápí například množstvím 20 až 200 ml chemického činidla.

Alternativně lze místo pyridinu použít jiná chemická činidla s účinkem narušení síťových chemických vazeb, například chloroform CHCE, 1,4dioxan C4H8O2; vodný roztok tetrahydrofuranu C4H8O jako ekologické činidlo; nebo některé vhodné oxidanty, jako např. roztok peroxidu vodíku H2O2, případně některé vhodné tekuté katalyzátory, jako je například vodní emulze rutilového oxidu titaničitého TiO2.

Výhodný je takový postup, kdy se nejprve v první fázi provádí současné vhánění horkého vzduchu do pryžových částic v tlakové nádobě a odsávání kontaminovaného vzduchu, v odsávání se pokračuje po určitou dobu pokračuje a pak se odsávání zastaví a dále proběhne alespoň jedna druhá fáze, při které se pryžové částice krátce skropí chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic a současně se začne na ně působit UV zářením, po ukončení skrápění se dále pokračuje v působení UV záření, během něhož se v časovém odstupu od ukončení skrápění současně začne spolupůsobit i vháněním horkého vzduchu a odsáváním kontaminovaného vzduchu, po určité době se UV zářením vypne, po té se pokračuje pouze ve vhánění horkého vzduchu a odsávání, po další době se vypne vhánění horkého vzduchu a pouze se odsává kontaminovaný vzduch a na konci druhé fáze se odsávání zastaví, přičemž intenzivní míchání pryžových částic se provádí po celou dobu během všech fází.

Například v každé fázi vhánění horkého vzduchu může trvat po 20 až 80 min, odsávání kontaminovaného vzduchu 20 až 85 min, a skrápění, které se neprovede v první fází ale jen na začátku jedné nebo několika druhých fázích, v každé z nich může trvat 0,1 až 5 min a působení UV zářením trvá 5 až 40 min.

Nejvýhodněji se druhá fáze opakuje alespoň třikrát a v poslední z nich se po ukončení vhánění horkého vzduchu zároveň vpustí do tlakové nádoby okolní vzduch.

Stanovení nejvhodnější doby pro každou fázi, jejich počet a délku každé operace, či překryv operací lze upravit pro konkrétní parametry gumových částic běžným zkoušením a porovnáním

- 3 CZ 2022 - 389 A3 výsledných parametrů upravených pryžových částic, ale výhodněji a efektivněji lze tyto nejvhodnější vstupní parametry odhadnout s využitím matematického modelování.

Pro výše uvedené způsoby se nejlépe použije tlaková nádoba s přívodem ohřátého vzduchu, odvodem kontaminovaného vzduchu a se žlabem o průřezu tvaru U, na který těsně přiléhá odnímatelné víko; a uvnitř žlabu se na hřídeli otáčí páskové míchadlo, které promíchává pryžové částice se vzduchem.

Z ekologického hlediska je dále vhodné kontaminovaný vzduch vyčistit filtrací vzduchu, například známými konvenčními metodami. Vyčištěný vzduch je pak možné vrátit do okolního ovzduší.

Všechny výše uvedené způsoby jsou ve srovnání s metodou známou ze stavu techniky ekonomicky efektivní a ekologicky šetrné, náklady na zařízení i následné zpracování odpadních látek je cenově přijatelné. S využitím všech výše uvedených výhodných provedení lze snížit obsah či degradovat polycyklické aromatické uhlovodíky v částicích recyklované pryže, a to až na výslednou koncentraci pod 12 PAU mg na 1 kg pryžových částic, přičemž nevznikají nebezpečné sekundární látky během tohoto procesu zpracování. Zejména je snižování koncentraci zaměřeno na osm sledovaných PAU, kterými jsou benzo[a]pyren, benzo[e]pyren, benzo[a]anthracen, chrysen, benzo[b]fluoranthen, benzo[j]fluoranthen, benzo[k]fluoranthen a dibenzo[a,h]anthracen.

Chráněným způsobem zpracování současně dochází i ke snížení koncentrace VOC.

Výsledkem toho, že není nutné použití nepolárních rozpouštědel, jsou upravené a škodlivin zbavené pryžové částice, které s výrazným rozdílem nezapáchají tolik jako částice získané po úpravách nepolárními rozpouštědly, jak je známo ve stavu techniky.

Působením současně tlaku, tepla a UV záření a/nebo chemického činidla pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic, například skrápěním roztokem pyridinu, dochází k modifikaci jejich povrchu a tím ke zvýšení smáčivosti povrchu pryžových částic, což lze výhodně využít pro různé aplikace pryžových částic jako druhotné suroviny. Například, granulát takto připravený je kompatibilní s širokou škálou anorganických cementových směsí a pryžové částice lze využít jako plnivo pro zlepšení fyzikálních vlastností výrobků z těchto směsí.

Nejvhodněji jsou pryžové částice takto zpracovávány ve formě pryžového granulátu, který se připraví drcením nebo jiným způsobem rozmělnění odpadních pneumatik určených k recyklaci, a to nejčastěji vyrobených z vulkanizovaného kaučuku. Pryžové částice však mohou mít i tvar prášku, pelet, mulče atd. Výše uvedenými způsoby zpracování dochází k částečné devulkanizaci narušením povrchových vazeb v pryžových částicích, což může být výhodné pro další zpracování či vlastnosti, například to vede ke zvýšení tvárnosti pryžových částic, prodlužení jejich životnosti, umožnění dezodorizace aromaty, například s vůní borovice, kvetoucí louka, květinové vůně apod., což je vhodné například pro využití pryžových částic jako štěpky nebo mulče k pokrytí půdy, nebo procesů zušlechťování a snižování ekotoxicity a škodlivosti vůči životnímu prostředí, vodě, půdě, nebo k úprav pro využití jako hydroponické médium.

Dalším předmětem dle vynálezu je zařízení k provádění úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky, které obsahuje nádobu se žlabem o průřezu tvaru U, ve kterém je na jeho dně vypouštěcí otvor a uvnitř žlabu míchadlo pro míchání pryžových částic, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že žlab je vzduchotěsně uzavřen odnímatelným víkem pro udržení přetlaku vzduchu 5 až 350 kPa tak, že tvoří tlakovou nádobu s přípojem na přívod vzduchu ohřátého na 50 až 180 °C, a s přípojem na odvod odsávaného kontaminovaného vzduchu.

- 4 CZ 2022 - 389 A3

Tlaková nádoba, která může mít vnitřní objem například 0,5 až 20 m³, může být vybavena pozorovacím okénkem, například skleněným. Vypouštěcí otvor může být opatřen ventilem s vlastním pohonem, a na spodní straně tlakové nádoby může být k vypouštěcímu otvoru připojen vypouštěcí dopravník.

Víko a všechny vstupní otvory/připojené komponenty k tlakové nádobě jsou zajištěny vzduchotěsně tak, aby se umožnilo během celého provádění výše uvedeného způsobu úpravy pryžových částic udržet požadovaný přetlak vzduchu tak, aby kontaminovaný vzduch z takové nádoby neunikal jinými místy než odvodem odsávaného vzduchu do filtračního zařízení. Víko má s výhodou plochý tvar.

Přípoj na přívod ohřátého vzduchu je s výhodou umístěn na jednom konci víka, a přípoj na odvod odsávaného kontaminovaného vzduchu je s výhodou umístěn na opačném konci víka.

Míchadlem je s výhodou otočné páskové míchadlo na hřídeli, která vystupuje vzduchově utěsněným průchodem z tlakové nádoby pro udržení přetlaku vzduchu 5 až 350 kPa, a která je dále vně tlakové nádoby napojena na pohon míchadla. Toto míchadlo páskového typu je vytvořeno z vnitřních a vnějších dvojitých spirálových pásků ve známém uspořádání, je na vodorovně umístěné hřídeli napojené na pohon vně tlakové nádoby, například na elektromotor. Průchod hřídele do tlakové nádoby musí zajistit bezpečně utěsněné otáčení hřídele v tlakové nádobě tak, aby nedocházelo k únikům natlakovaného horkého vzduchu.

Zařízení je dále s výhodou opatřeno alespoň jedním UV zářičem pro ozařování pryžových částic uvnitř tlakové nádoby. UV zářič nebo jeho část je s výhodou implementován do víka tak, aby UV záření směřovalo z jednotlivých UV lamp na povrch pryžových částic, případně do masy pryžových částic v tlakové nádobě v co největším možném rozsahu. Tím, že jsou pryžové částice v pohybu a vynášeny míchadlem na horní povrch masy těchto částic se zajistí postupné ozařování jednotlivých pryžových částic.

V nejvýhodnějším uspořádání zařízení dále zahrnuje i skrápěcí zařízení pro skrápění pryžových částic v tlakové nádobě chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic. Alespoň část skrápěcího zařízení je umístěna s výhodou ve víku tak, aby mohl být postřikován maximální povrch pryžových částic, k čemuž opět pomáhá pohyb částic a jejich střídavé vynášení na povrch masy těchto částic v tlakové nádobě.

Toto skrápěcí zařízení může zahrnovat ve víku tlakové nádoby umístěné skrápěcí trysky pro rozprašování chemického činidla pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic. Uvedené trysky nejlépe zajistí velice jemné až téměř atomizované rozprašování chemického činidla.

Skrápěcí trysky jsou nejlépe uzpůsobené tak, že vytváří kuželový tvar postřiku s vrcholovým úhlem 65° až 120°, a jsou v takovém počtu a rozmístěné a orientované tak, aby vytvářely maximální souvislou postřikovanou plochu pryžových částic vynášených míchadlem na horní povrch masy pryžových částic v tlakové nádobě. Cílem tohoto uspořádání je zajistit co nejstejnoměrnější smáčení pryžových částic. Počet skrápěcích trysek a úhel postřiku je definován podle podélného průřezu tlakové nádoby, takže počet skrápěcích trysek systémů, může být například od 1 do 40. Skrápěcí kapalina by měla být stříkána do středu masy pryžových částic, nebo při použití více skrápěcích trysek, je vhodné, aby byl stejný počet na levé i pravé straně, aby byly pro optimální výsledky rozmístěny ve stejné vzdálenosti na víku. Počet skrápěcích trysek se pro jejich rovnoměrné rozmístění stanoví dle vzorce (I):

P = D \2 (I) kde P je kolmá rozteč skrápěcích trysek a D je průměr rozstřikového kužele v ose páskového míchadla, viz obr. 7.

- 5 CZ 2022 - 389 A3

Výše uvedená zařízení jsou s výhodou dále opatřena odvodem odsávaného vzduchu, na něj napojeným zařízením pro odsávání kontaminovaného vzduchu a filtračním zařízení pro filtraci kontaminovaného vzduchu. Filtrační zařízení může obsahovat výfukový ventil. Součástí zařízení pro odsávání kontaminovaného vzduchu může být elektrický ventilátor, například s výkonem 0,7 až 40kW. Může být použito jakéhokoliv konvenčního zařízení pro filtraci vzduchu, například konvenční filtr kazetového typu s filtračním médiem, a ještě výhodněji se samočisticím mechanismem, například prostřednictvím aktivního uhlí; nebo alternativně konvenční mokrá filtrace, například vertikálně v protiproudém uspořádání.

Dále mohou tato zařízení zahrnovat i přívod ohřátého vzduchu a na něj napojený ohřívač vzduchu a zařízení pro vhánění vzduchu do tlakové nádoby s přetlakem vzduchu 5 až 350 kPa, jako například dmychadlo, kompresor nebo pro nižší přetlaky může posloužit i přívodní ventilátor. Zařízení pro ohřev vzduchu může dále obsahovat vstupní trubici a výstupní trubici s výfukovým ventilem.

Víko výhodně obsahuje alespoň jeden vzduchotěsně uzavíratelný plnicí otvor pro přetlak vzduchu 5 až 350 kPa pro vsypání pryžových částic. Víko se v tomto případě s výhodou odnímá jen pro čistění zařízení a provedení údržby. Plnicí otvor může být ovládán ventilem s vlastním pohonem. Na plnicí otvor může být připojena odnímatelná nakládací dopravníková trubka.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde na:

obr. 1 je pohled na zařízení k provádění úpravy pryžových částic dle prvního příkladného provedení;

obr. 2 je náčrt míchací části páskového míchadla;

obr. 3 je náčrt víka tlakové nádoby s UV zářiči a součástí elektrického pohonu míchadla se hřídelem dle druhého příkladného provedení;

obr. 4 je náčrt víka tlakové nádoby s UV zářiči, opatřené tryskami pro rozprašování chemického činidla, a foukání vzduchu přes ventilační trysky dle třetího příkladného provedení;

obr. 5 je náčrt zařízení dle třetího příkladného provedení s naznačeným skrápěcím zařízením a odtahováním kontaminovaného vzduchu do filtračního zařízení;

obr. 6 je pohled na zařízení dle třetího příkladného provedení s naznačeným skrápěcím zařízením;

obr. 7 je náčrt kuželového tvaru postřiku z trysek a mu odpovídající pokrytí souvislé postřikované plochy;

obr. 8 je pohled na zařízení dle vynálezu s naznačenými součástmi UV zářiče druhého a třetího příkladného provedení;

obr. 9 je graf výsledného obsahu Σ8 PAU ve zpracovaných pryžových granulích v závislosti na době zpracování u vzorků s různým počátečním obsahem PAU;

obr. 10 je schéma příkladného průběhu procesu zpracování dávky pryžových částic;

obr. 11 je schéma příkladného časového průběhu procesu zpracování dávky pryžových částic;

- 6 CZ 2022 - 389 A3 obr. 12 je graf výsledného obsahu Σ8 PAU v pryžových částicích zpracovaných dle třetího příkladného provedení.

Příklady uskutečnění vynálezu

V prvním příkladném provedení je použito zařízení k provádění úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky, které obsahuje tlakovou nádobu 1, která udrží přetlak vzduchu minimálně do 350 kPa. Tlaková nádoba 1 je tvořena žlabem 2 o průřezu tvaru U, ve kterém je na jeho dně proveden vypouštěcí otvor. Žlab 2 tlakové nádoby 1 je vzduchotěsně uzavřen odnímatelným plochým víkem 5 s přípojem na přívod 40 ohřátého vzduchu, až odolným minimálně teplotám do 200 °C a přetlaku vzduchu 350 kPa, a s přípojem 41 na odvod odsávaného kontaminovaného vzduchu. Vzduch je vháněn například rychlostí 30 m³/min.

Uvnitř žlabu 2 se na hřídeli 11 otáčí páskové míchadlo 3 a promíchává masu jedné dávky pryžových částic. Hřídel se otáčí například rychlostí 100 otáček za minutu. Páskové míchadlo 3, známé ze stavu techniky, jak je znázorněno na obr. 2, sestává z přesně rozmístěných vnitřních a vnějších dvojitých spirálových pásků, které pohybují pryžovými částicemi v dobře vyváženém axiálním a radiálním proudění a převrací je. Výsledkem je, že vnější pásková spirála unáší částice pryže směrem k vypouštěcímu otvoru a vnitřní pásková spirála, která má opačné stoupání, posouvá částice pryže zpět od vypouštěcího otvoru. Částice pryže se tedy pohybují protiproudým pohybem a přemísťují se jedním směrem po obvodu a opačným směrem středem žlabu 2. Tlaková nádoba 1 má přesně vymezené vůle mezi vnitřním válcovým povrchem žlabu 2 a hranami páskového míchadla 3, přičemž odborníkovi v oboru je známo ze stavu techniky, jaké vůle mezi páskovým míchadlem a nádobou jsou vhodné pro efektivní promíchávání.

Páskové míchadlo 3 je poháněno elektrickým pohonem 8 míchadla, hnacím mechanismem je elektromotor 9 míchadla s převodovkou 10 pro změnu rychlosti otáčení. Uspořádání těchto součástí je ve všech příkladných provedeních stejné jako na obr. 3 u druhého příkladného provedení. Elektromotorem 9 míchadla může být obecný motor, motor s proměnnou frekvencí, vysoce účinný a energeticky úsporný motor, motor odolný proti výbuchu. Výkon elektromotoru 9 míchadla je zvolen podle velikosti páskového míchadla 3, nejčastěji z rozsahu od 0,7 kW do 75 W. Montáž elektromotoru 9 míchadla i převodovky 10 může být různá, například axiální nebo radiální. Výkon elektromotoru 9 míchadla může být přímo přenášen do převodovky 10 přes spojovací zařízení nebo může být přenášen přes převodový řemen a řemenice nebo převodový řetěz a řetězová kola nebo přes hydraulický převodový mechanismus. Měniče rychlosti jsou konvenční převodovky, jako je cykloidní nebo planetová nebo jiná univerzální převodovka.

Výstupní výkon z převodovky 10 je přenášen na rotující hřídel 11 páskového míchadla 3. Jedná se o horizontálně umístěného hřídele 11, který se otáčí vysokou rychlostí, aby byl zajištěn účinný a rychlý pohyb páskového míchadla 3.

Hřídel 11, obdobně jako je znázorněn na obr. 3 ke druhému příkladnému provedení, je uložen na ložiskách, která jsou upevněna v odpovídajících ložiskových domcích 12 na obou koncích hřídele 11. Hřídel 11 vystupuje vzduchově utěsněným průchodem z tlakové nádoby 1 pro udržení přetlaku vzduchu až do 350 kPa a která je dále vně tlakové nádoby 1 napojena na elektromotor 9 míchadla.

Žlab 2 tlakové nádoby 1 je výhodně na své boční straně opatřen skleněným pozorovacím oknem 7, pro vizuální kontrolu vnitřku tlakové nádoby 1 během provozu, jak je tomu například na obr. 1.

Víko 5 zakrývající otvor žlabu 2 je za provozu tlakové nádoby 1 vždy uzavřeno, ale lze jej odejmout pro vyjmutí páskového míchadla 3 za účelem opravy nebo čištění vnitřku tlakové nádoby 1. Je sice možné nasypat dávku pryžových částic do žlabu 2 před uzavřením víka 5, avšak

- 7 CZ 2022 - 389 A3 ve výhodnější alternativě tohoto provedení je víko 5 tlakové nádoby 1 přibližně uprostřed výhodně opatřeno plnicím otvorem 4, a pro efektivní a snadnější řízení dávkování pryžových částic je tento plnicí otvor 4 dále vybaven plnicím ventilem 6. Zde je použito posuvné šoupátko, ale lze místo toho použít například klapku, membránu nebo jakýkoliv jiný typ ventilu, který zefektivní řízení vpouštění pryžových částic.

V alternativě tohoto provedení byly dokonce použity takové plnicí otvory 4 dva, které byly stejnoměrně rozmístěny každý v opačné polovině víka 5.

K plnicímu otvoru 4 lze jako v tomto případě připojit odnímatelně trubku spirálového nakládacího dopravníku. Pohon plnicího ventilu 6 může je elektrický, ale alternativně lze použít ruční nebo pneumatický pohon, přičemž elektrický a pneumatický jsou výhodnější, neboť zajistí přesnější řízení procesu plnění. Lze také alternativně použít jiný nakládací dopravník, který je vhodný pro dopravu volných sypkých a nesypkých pryžových částic od velkých pelet až po mikronizované prášky, například šnekový nakládací dopravník. Před otevřením víka 5 pro účel opravy se nejprve nakládací dopravník od tohoto víka 5 oddělí. Nakládací dopravník může být vybaven automatickým dávkovacím a podávacím systémem a dopravovat pryžové částice ze sila nebo velkoobjemového vaku do tlakové nádoby 1.

Vypouštěcí otvor je umístěn ve středu dna žlabu 2 a je výhodně vybaven vypouštěcím ventilem, zde opět šoupátkem s elektrickým pohonem, ale je zase možné alternativně použít klapku, membránu nebo jakýkoliv typ ventilu, který zrychlí a zefektivní řízení vypouštění pryžových částic a lze připojit k trubce vypouštěcí dopravníku. Pohon ventilu může být opět alternativně ruční nebo pneumatický.

Vypouštěcí dopravník může být jakéhokoliv typu buď spirálový nebo šnekový nebo jiný, vhodný pro dopravu volných sypkých a nesypkých pryžových částic od velkých pelet až po mikronizované prášky. Na vypouštěcí dopravník může navazovat další dopravník, který přepraví vypouštěné pryžové částice do sila nebo do systému plnění velkoobjemových vaků pro další skladování, například trubkový dopravník.

Plnicí otvor 4 a vypouštěcí otvor jsou vzduchotěsně utěsněny, například odpovídající plnicí ventil 6 nebo vypouštěcí ventil na ně musí těsně přiléhat tak, aby kontaminovaný vzduch zbytečně neunikal z tlakové nádoby 1 do okolního ovzduší.

Vedle tlakové nádoby 1 je instalován systém foukání horkého vzduchu 13, který, jak je znázorněno na obr. 1, zahrnuje k přípoji 40 na přívod ohřátého vzduchu připojený tento přívod ohřátého vzduchu v podobě vstupní vzduchové trubice 14 dále napojené na ohřívač 16 vzduchu, a ten na elektrické dmychadlo 15 pro vhánění vzduchu do tlakové nádoby 1 s přetlakem 5 až 350 kPa. Ohřívač 16 vzduchu může být například elektrický nebo plynový. Ohřívač 16 vzduchu může mít přednastavenou teplotu vzduchu nebo proměnnou teplotu. Výhodně byl použit elektrický ohřívač vzduchu 16 s nastavitelnou teplotou ohřevu od 50 °C do 180 °C.

Vstupní horký vzduch může být přiváděn přes jeden přívod ohřátého vzduchu, jak je znázorněno na obr. 1, nebo to může to být přes více takových přívodů, aby se dosáhlo požadovaného stupně vypírání pryžových částic.

Vstupní proud horkého vzduchu prochází přes povrch pryžových částic a vzduch obohacený o kontaminanty je odváděn odvodem odsávaného vzduchu v podobě výstupní vzduchové trubice 18 připojené přes přípoj 41 na odvod odsávaného kontaminovaného vzduchu umístěný na opačném konci víka 5 než je umístěn přípoj 40 na přívod horkého vzduchu, jako je znázorněno na obr. 1 a 3, do zařízení pro odsávání kontaminovaného vzduchu a případně napojené na filtrační zařízení 20, přičemž odtahový ventilátor 21 může být implementován přímo do filtračního zařízení 20 a zajistit funkci odsávání.

- 8 CZ 2022 - 389 A3

Výstupní vzduchová trubice 18 je vybavena výfukovým ventilem 19, jak je znázorněno na obr. 5, kterým je posuvné šoupátko, ale alternativně lze použít škrticí klapku nebo jakýkoli typ ventilů, který zajistí rychlé řízení průtoku odváděného vzduchu a současně umožní upravovat přetlak vzduchu uvnitř tlakové nádoby 1 a jeho turbulentní proudění pro optimalizaci procesu praní. Pohon výfukového ventilu 19 je elektrický, alternativně může být ruční nebo pneumatický.

Kontaminovaný vzduch je potřeba před vypuštěním do ovzduší vyčistit. Výhodnější než kontaminovaný vzduch skladovat a čistit v separátním zařízení je napojit výstupní vzduchovou trubici 18 přímo v místě na filtrační zařízení 20, jak bylo provedeno v tomto příkladném provedení.

Filtrační zařízení 20 může být založeno na principu jakékoliv konvenční průmyslové filtrace kontaminovaných odsávaných vzduchů ze zpracování materiálů. Může to být filtrační systém pro sběr prachu a částic hmoty s mokrými nebo suchými filtry.

Například, jak je znázorněno na obr. 7, se filtrace provádí sběrem částic materiálu prostřednictvím vhodného separačního filtru kazetového typu. V tomto provedení filtrační zařízení 20 sestává z uzavřené filtrační komory 26 s otvíratelným krytem pro přístup k filtrační kazetě, stojící na základně 25, z odtahového ventilátoru 21 zrychlujícího odtok vzduchu, filtrační kazety, motoru ventilátoru 22, trubkové komory na aktivní uhlí 23, aktivního uhlí 23 a výfuku 24 vyčištěného vzduchu.

Filtrační kazety mohou sbírat částice z odsávaného vzduchu prostřednictvím filtračního média. Filtračním médiem může být textil, celulóza, anorganická vlákna, polymerní vlákna, jako jsou polyester nebo nylon nebo rayon anebo nanovlákna. Filtrační kazety mohou být s mechanismem samočištění nebo bez něj, nebo filtrační média mohou být samočinně se vyměňující nebo ručně vyměnitelná.

Válcová komora je naplněna částicemi aktivního uhlí 23 s cílem absorbovat všechny zbylé kontaminanty uniklé z filtračního média, např. VOC, než se filtrovaný vzduch vypustí do okolního prostředí. Použití aktivního uhlí 23 je volitelné a filtrační zařízení 20 jím může, ale nemusí být vybaveno.

Alternativně může být použita například konvenční mokrá filtrace, která využívá rozpustnosti nečistot v kapalině a/nebo jejich chemické reakce s kapalinou. Filtrace se provádí pomocí vertikální sestavy v protiproudém uspořádání s kontaminovaným plynem proudícím nahoru a, sprchovaným recirkulující kapalinou rozstřikující se dolů do obalového média sběrného dna. Plynné nečistoty jsou absorbovány kapalinou v důsledku úrovně rozpustnosti nebo chemickou reakcí chemické reakce. Takový filtrační systém pak zahrnuje uzavřenou filtrační komoru, zásobník kapaliny, náplň filtračního média, rozprašovací trysky, eliminátor vlhkosti, motor evakuačního odsávacího ventilátoru, výfuk vyčištěného vzduchu a sklopný odnímatelný kryt přístup k filtračnímu médiu.

Vytvořený horký vzduch je pod tlakem vháněn do tlakové nádoby 1 prostřednictvím vzduchové trubice 14 a je tak vháněn do masy pryžových částic, přičemž páskové míchadlo 3 se otáčí a pohybuje pryžovými částicemi v kontinuálním proudu stlačeného horkého vzduchu, který způsobuje malé, ale kontinuální tření na povrchu pryžových částic, čímž jsou z nich do vzduchu uvolněny kontaminanty, například PAU a VOC. Kontaminovaný vzduch se pak odvádí a výhodně v místě čistí na konvenční filtrací.

Pryžové částice získané drcením odpadních pneumatik na gumový granulát, které obsahovaly polycyklické aromatické uhlovodíky a VOC, byly v zařízení dle tohoto prvního příkladného provedení intenzivně promíchávány se vzduchem ohřátým na teplotu 50 °C za přetlaku vzduchu 350 kPa v jedné dávce obsahující 100 ppm PAU a při teplotě 180 °C a za přetlaku vzduchu 5 kPa v jiné dávce obsahující 45 ppm PAU za stejných podmínek.

- 9 CZ 2022 - 389 A3

Vzduch vháněný do tlakové nádoby 1 se obohacoval o uvedené kontaminanty uvolněné z pryžových částic a odsával se dále z tlakové nádoby 1 po čtyři hodiny a v obou případech došlo k výraznému snížení PAU. Zároveň v obou případech se snížila i koncentrace VOC.

Ve druhém příkladném provedení byla oproti prvnímu příkladnému provedení přidána úprava pryžových částic působením UV záření, zařízení z prvního příkladného provedení bylo tedy navíc opatřeno UV zářičem 33 pro ozařování pryžových částic uvnitř tlakové nádoby 1, připevněným k víku 5 tlakové nádoby 1, viz obr. 8, který zahrnuje zdroj 34 UV záření, pouzdro 35 zdroje UV záření a chladicího okruhu, pružné těsnění a tlumiče vibrací, upevňovací svorky pouzdra, napájecí kabely 36, flexibilní chladicí trubice 37, napájecí a řídicí jednotky 38 a chladicí systém 39 UV zářiče 33.

Pouzdro 35 zdroje UV záření a chladicího okruhu je box s otevřenou spodní stěnou, který je svorkami připevněný k víku 5 tlakové nádoby 1, přičemž ve víku 5 je proveden otvor stejných rozměrů jako má otevřená stěna boxu tak, aby všechno zdrojem 34 emitované UV záření dopadalo přímo do masy pryžových částic v tlakové nádobě 1. Uvedený otvor může být opatřen ochranným sklem. Pouzdro 35 zdroje UV záření a chladicího okruhu bylo vyrobeno z hliníku. Na pouzdře 35 je instalován chladič s flexibilní chladicí trubicí 37, kterou protéká chladicí kapalina, a v pouzdře 35 je provedena zásuvka pro zdroj 34 UV záření, aby jej bylo možno vyjímat pro opravy. Mezi pouzdrem 35 zdroje UV záření a chladicího okruhu a víkem 5 je umístěno elastické těsnění, které absorbuje vibrace.

Zdrojem 34 UV záření byla střednětlaká rtuťová výbojka dotovaná železem v rozmezí vlnových délek světla 200 nm až 600 nm se specifickým elektrickým výkonem 120 až 250 W/cm a specifickým radiačním tokem UVC 15 až 40 W/cm a výkon 1 až 60 kW v délce výbojky od 100 do 2000 mm s průměrem trubice od 15 do 45 mm. Pro účely vynálezu je zejména účinné UV záření o vlnových délkách z rozmezí 100 až 400 nm.

Alternativně může být použita i nízko, středně či vysokotlaká výbojka dotovaná železem nebo galiem amalgamová, UV lampa nebo UV-LED lampa s vlnovou délkou spektra 100 až 400 nm pokrývající tři pásma UVA, UVB a UVC, buď jednotlivě monochromatické nebo polychromatické vlnové délky. Pokud je požadována specifická monochromatická vlnová délka, lze výhodně použít UVC-LED lampu.

Napájecí a řídicí jednotka 38 pro řízení a napájení UV lamp a chlazení se skládá z elektronických předřadníků pro napájení od 1 do 40 zdrojů 34 UV záření, UV monitorovacího systému využívajícího odpovídajících čidel a systémového řídicího počítače.

Pro chladicí systém 39 UV zářiče 33 je využito transformátorového oleje jako chladicí kapaliny a recirkulace kapaliny přes tepelný výměník kapalina-vzduch, aby se odvedené teplo z chladicího okruhu rozptýlilo do okolního prostředí, nebo lze využít recirkulačního kompresorového systému s chladicí kapacitou výměníku od 0,1 do 30 kW.

Ve třetím příkladném provedení byla navíc oproti druhému příkladnému provedení provedena úprava pryžových částic skrápěním vodným roztokem pyridinu pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic, kdy tento vodný roztok obsahoval například 75 % hmotn. pyridinu a v jedné fázi skrápění bylo použito 60 ml tohoto chemického činidla na 1 kg pryžových částic. Zařízení dle třetího příkladného provedení proto navíc oproti druhému příkladnému provedení zahrnuje skrápěcí zařízení 27 pro skrápění pryžových částic v tlakové nádobě 1 skrápěcí kapalinou, tj. chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic. Skrápěcí zařízení 27 je částečně implementované do víka 5 tlakové nádoby 1, tak, že ve víku 5 je instalováno šest skrápěcích trysek 28 rozmístěných v matici 2x3 pro rozprašování roztoku pyridinu, s kuželovým tvarem postřiku s vrcholovým úhlem 80°, a orientovaných do masy pryžových granulí v tlakové nádobě 1 tak, že vytvářejí souvislou postřikovanou plochu pryžových částic vynášených míchadlem na horní povrch masy pryžových

- 10 CZ 2022 - 389 A3 částic v tlakové nádobě 1. Obr. 7 naznačuje parametry pro výpočty a rozmístění skrápěcích trysek. Jak je znázorněno na obr. 5, skrápěcí zařízení 27 zahrnuje dva nezávislé stříkacích systémy, kde každý z nich má svoji nádrž 31 na skrápěcí kapalinu, vyrobenou z epoxidových kompozitů, ale může být i z vysoko hustotního polyethylenu nebo kovová, např. je nerezové oceli, například s objemem 5 do 2000 litrů, který se vybere dle objemu tlakové nádoby 1. V každé nádrži 31 na skrápěcí kapalinu je nainstalováno elektrické míchadlo 32 skrápěcí kapaliny. K dodávání skrápěcí kapaliny z nádrží 31 na skrápěcí kapalinu řízenou rychlostí do skrápěcích trysek 28 je využito dávkovacích čerpadel 30. Přenos skrápěcí kapaliny do skrápěcích trysek 28 je proveden prostřednictvím odpovídajícího počtu ohebných polymerních trubek 29. Skrápěcí trysky 28 mohou být s axiálním rozprašováním, tangenciálním vířením, spirálním kuželovým vířením nebo podobné, které zajistí postřik jemně rozprašovanou skrápěcí kapalinou v kuželovém tvaru postřiku s vrcholovým úhlem 65 až 120 stupňů tak, aby všechny ošetřované částice byly smáčeny přibližně stejně a co nejvíce rovnoměrně.

Výhodně v tomto třetím příkladném provedení přívod ohřátého vzduchu zahrnuje vstupní vzduchovou trubici 14 připojenou k ventilační trysce 17, jak je znázorněno na obr. 4. Horký vzduch je přes ventilační trysku 17 rovnoměrně a efektivně distribuován na povrch pryžových částic, čímž se zvýší účinnost praní horkým vzduchem.

Vhodnou dobu pro jednotlivé fáze a dobu jejich zpracování lze ověřit experimentálně pro konkrétní případy, ale nejekonomičtějším nejrychlejším způsobem s cílem předurčit funkčnost a navrhnout nejvhodnější délku, časování a řazení jednotlivých kroků pro úpravu pryžových částic v zařízení, dle třetího příkladného provedení, je využití matematického modelování uvedeného níže. Například pro odhad schopnosti snížit obsah PAU kontaminantů v pryžových částicích z recyklovaných pneumatik lze použít za níže uvedených předpokladů následující simulaci:

Předpoklady:

- Částice jsou uvažovány kulovité, o velikosti 3 mm v průměru, tedy mnohem větší, než jaké se běžně používají na zásyp trávníků sportovních hřišť (1 až 1,3 mm).

- Protože se směs pryžových částic dobře promíchá, lze použít k modelování pouze jednu částici, která pro zpracovací kapacitu stroje představuje celou hmotu pryžové drti naložené do páskového míchadla 3.

- Horký vzduch nemá z hlediska chemických reakcí žádný strukturální vliv na pryžové částice.

- Na základě cílového celkového obsahu výše uvedených osmi druhů polycyklických aromatických uhlovodíků Σ8 PAU (což je v tomto příkladu Cb = 12 ppm neboli 12 mg PAU na jeden kg hmoty pryžových částic, tedy podstatně méně než limitní hodnota 20 mg/kg, která nesmí být překračována dle legislativy EU, určí matematické modelování dobu zpracování, která je zásadní pro stanovení zpracovací kapacity zařízení dle vynálezu.

- Počáteční obsah PAU v nezpracovaných granulích z recyklovaných pneumatik v tomto příkladu zjištěný měřením je 44,07 mg/kg, ale pro účely modelování byl uvažován obsah PAU 45 mg/kg, tj. 45 ppm.

Modelování a simulace:

Pomocí aplikace teorie dynamiky kapalin a principů přenosu tepla a hmoty se individuálně vypočítávají fyzikálně-chemické vlastnosti pryžových částic z recyklovaných pneumatik a parametry pro výpočet a jejich popisy jsou shrnuty následovně:

- 11 CZ 2022 - 389 A3

- ppm_init je počáteční koncentrace PAU v granulích pryžové drtě,

- Cm_01 je počáteční koncentrace PAU v granulích pryžové drti, vztaženo na litr, 3 - Cm_0 je počáteční koncentrace PAU v granulích pryžové drti, vztaženo na m³, 4 - a je koeficient, který se používá při výpočtu koeficientu difúze PAU v kaučuku, 5 - b je další koeficient, používaný při výpočtu koeficientu difúze PAU v kaučuku, 6 - T_air je vstupní teplota použitého horkého vzduchu,

- D_PAU je difúzní koeficient PAU v pryži,

- k je koeficient tepelné vodivosti pryže,

- CP je tepelná kapacita pryže,

- μ je viskozita vzduchu při teplotě T=130 °C,

- P_air je hustota vzduchu při T=130°C,

- PA je vstupní tlak vzduchu,

- D_PAU_in_air je difúzní koeficient PAU ve vzduchu,

- Sc je Schmidtovo číslo,

- U_air je rychlost vstupního vzduchu,

- D_Pe je střední průměr granulí pryže,

- Re je Reynoldsovo bezrozměrné číslo,

- Sh je Sherwoodovo bezrozměrné číslo,

- kg je koeficient přenosu hmoty PAU ve vzduchu,

- Cb je cílová koncentrace PAU v granulích.

Vzorce pro výpočet parametrů a jejich výsledné hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce 1:

Tabulka 1

č.	parametr	vzorec	hodnota	jednotka
1	ppm_init	konst.	45	mg/kg
2	Cm_01	ppm_init χ 0,94 / (1000 x 200)	2,115x10-4	mol/litr
3	Cm_0	Cm_01 χ 1000	0,2115	mol/m3
4	a	konst.	2,245 10 14	—
5	b	konst.	0,01906	—
6	T_air	abs(-273,15) + 130 [°C]	403,15	K
7	D_PAU	a x e(b xT_air)	4,8792x10-	m2/s
8	k	konst.	0,225	W/(m.K)
9	Cp	konst.	1940	J/(kg.K)
10	μ	-8.38278 10' + 8.35717342 10 8 x T_air1- 7.69429583 10 11 x T air2+ 4.6437266 10 14 χ T_air3-1.06585607x10’17 x T_air4	2,3109x10-5	kg/(m.s)
11	p_air	PA x 0.02897 / (R_const x T_air)	0,86427	kg.mol/m6
12	Pa	konst.	105	Pa
13	D_PAU_in_air	konst.	7x10-6	m2/s
14	Sc	μ / (p_air x D_PAU_in_air)	3,8198	—
15	U_air	konst.	1	m/s
16	D_Pe	konst.	0,003	m
17	Re	p_air x U_air x D_Pe	112,2	—
18	Sh	2 + 0.552 x Re0.5 x Sc0233	4,2179	—

- 12 CZ 2022 - 389 A3

19	kg	Sh x D_PAH_in_air / D_Pe	9,8419	m/s
20	Cb	konst.	12	mg/kg

M3 Modelování přenosu hmoty:

Rovnice hmotnostní bilance pro každý zpracovávaný druh PAUi je zapsána takto:

dCi / dt = V(DiPC)(2) kde Ci je koncentrace a Di je difuzní koeficient jednotlivých PAUi uvnitř granulí.

Co (r, θ,ΐ=0) = (45 až 100) [mg/kg](3) kde Co(r,θ,t=0) je počáteční (v čase t=0) koncentrace všech Σ8 PAU v granulích.

Hraniční podmínka na povrchu granulí je stanovena takto:

Di.( dCi(Κ=0,0015,θ,ΐ) / dt) = kg.( Ci(Κ=0,0015,θ,ΐ) - Cb = 0 )(4)

Z rovnice (3) vyplývá, že difundující PAU z granulí jsou vynášeny horkým vzduchem na povrch granulí.

M4 Modelování přenosu tepla:

Rovnice přenosu tepla pro kaučukové granule je:

pCp ( dT / dt ) = k^T(5) kde ρ je hustota, Cp je tepelná kapacita, k je tepelná vodivost a T je teplota granulí.

Počáteční teplota uvnitř granulí (25 °C) může být definována následovně:

T(r,θ,t=0) = 298,15 [K](6)

A hraniční podmínka je stanovena:

T(r,θ,t=0) = 403,15 [K](7)

S výše uvedenými fyzikálně-chemickými parametry a také parciálními diferenciálními rovnicemi přenosu hmoty a tepla se k získání koncentrace PAU uvnitř granulí používá numerická metoda nazývaná metoda konečných prvků jako funkce času a polohy. Výsledný obsah Σ8 PAU uvnitř granulí v závislosti na době zpracování podle matematického modelu je znázorněn na obr. 9.

Výsledky matematického modelování prokazují funkčnost zařízení pro zpracování i vysokých počátečních obsahů Σ8 PAU. Všechny výše uvedené výpočty byly provedeny za předpokladu vysokého počátečního obsahu Σ8 PAU 100 ppm (100 mg/kg) a průměrného obsahu Σ8 PAU 45 ppm. V obou případech je výsledný obsah PAU v granulích pod limitní hodnotou 20 mg/kg.

Modelování je znázorněno pro zařízení nejkomplexnějšího a nejvýhodnějšího třetího příkladného provedení pro snížení celkového obsahu osmi typů škodlivých PAU ((BaP, BeP, BaA, CHR, BbFA, BjFA, BkFA, DBAhA), označovaných jako Σ8 PAU, tedy kontaminantů v pryžové drti z recyklovaných pneumatik, pod hodnotu 20 mg/kg, aby bylo možno takto ošetřený granulát použít pro zásyp syntetických trávníků na sportovních hřištích v souladu s nařízením Evropské Komise č. 2021/1199.

- 13 CZ 2022 - 389 A3

Velikost granulí, vyráběných mechanickým drcením recyklovaných pneumatik, vhodných pro zásyp umělých trávníků je 1 až 1,3 mm a před procesem redukce obsahu PAU byl v laboratoři změřen obsah Σ8 PAU v granulích z recyklovaných pneumatik pomocí plynové chromatografie s hmotnostně selektivní detekcí GC - MS. Průměrná koncentrace Σ8 PAU v nezpracovaných granulích pneumatik byla 44,07 mg/kg. Pro zpracování granulí s cílem snížení obsahu Σ8 PAU byly nastaveny v tomto příkladném provedení hodnoty parametrů, jak jsou uvedené v tabulce 2:

Tabulka 2

č.	parametr	vzorec	hodnota	jednotka
1	ppm_init	konst.	45	mg/kg
2	Cm_01	ppm_init χ 0,94 / (1000 x 200)	2,115 104	mol/litr
3	Cm_0	Cm_01 χ 1000	0,2115	mol/m3
4	a	konst.	2,25 10 14	—
5	b	konst.	0,01906	—
6	T_air	abs(-273,15) + 110 [°C]	383,15	K
7	D_PAU	a χ e(b xT_air)	3,33χ10-η	m2/s
8	k	konst.	0,225	W/(m.K)
9	Cp	konst.	1940	J/(kg.K)
10	μ	-8.38278x10-7 + 8.35717342χ108 χ T_air1- 7.69429583 10 11 χ T_air2+4.6437266x10-14 χ T_air3-1.06585607χ10-17 χ T_air4	2,23 10 5	kg/(m.s)
11	p_air	PA χ 0.02897 / (R_const χ T_air)	0,86427	kg.mol/m6
12	Pa	konst.	3,5χ105	Pa
13	D_PAU_in_air	konst.	7χ10-6	m2/s
14	Sc	μ / (p_air χ D_PAU_in_air)	0,99951	-
15	U_air	konst.	12	m/s
16	D_Pe	konst.	0,0013	m
17	Re	p_air χ U_air χ D_Pe	2229,1	—
18	Sh	2 + 0.552 χ Re1' χ Sc0233	4,5794	—
19	kg	Sh χ D_PAH_in_air / D_Pe	0,024658	m/s
20	Cb	konst.	12	mg/kg

S výše uvedenými fyzikálně-chemickými parametry se granule v zařízení v tomto příkladném provedení zpracovávají v dávkách procesem, jehož průběh je znázorněn na obr. 10 a 11. Proces sestává ze 4 cyklů ohřevu horkým vzduchem a 3 cyklů sprchování skrápěcí kapalinou roztoku pyridinu a 3 cyklů ozařování UV zářením.

Příkladně, první cyklus ohřevu foukáním horkého vzduchu bude trvat 50 minut a odsávání horkého vzduchu v 1. cyklu bude trvat o 5 minut déle. Poté se spustí skrápění roztokem pyridinu na dobu 1 minuty, který přidá 58,8 litrů roztoku pyridinu pro zvlhčení povrchu pryžových granulí. Souběžně s postřikem se spustí první cyklus UV ozařování na dobu 20 minut. Pět minut po zahájení prvního cyklu UV ozařování se spustí druhý cyklus jak horkovzdušného ohřevu, tak odsávání vzduchu, přičemž UV záření bude pokračovat dalších 15 minut do ukončení prvního cyklu ozařování. Tyto cykly se opakují podle diagramů na obr. 10 a obr. 11.

- 14 CZ 2022 - 389 A3

V jednotlivých etapách zpracování dle třetího příkladného provedení byly odebírány vzorky a měřena koncentrace Σ8 PAU, výsledky byly znázorněny graficky na obr. 12.

Alternativně je ve třetím příkladném provedení jako chemické činidlo pro narušení chemických 5 vazeb použit chloroform, 1,4dioxan; 40% vodný roztok tetrahydrofuranu; a 20% vodný roztok peroxidu vodíku.

Průmyslová využitelnost

Upravený granulát lze využít pro umělé trávníky, sportovní/dětská hřiště, jako akusticky tlumicí plnivo do cementu nebo sádry, a po další úpravě i jako hydroponická média, jako štěpku či mulč k pokrytí půdy v krajině či městském prostředí, kde mulč brání víření prachu a nadměrnému odpařování z půdy.

Claims (18)

1. Způsob úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky, vyznačující se tím, že se za kontinuálního míchání pryžových částic ve vzduchotěsné tlakové nádobě (1) mezi ně vhání vzduch, ohřátý na teplotu 50 až 180 °C za přetlaku vzduchu 5 až 350 kPa, do nějž se uvolňují z pryžových částic kontaminanty zahrnující polycyklické aromatické uhlovodíky, a jimi obohacený vzduch se z tlakové nádoby (1) odsává.

2. Způsob úpravy pryžových částic podle nároku 1, vyznačující se tím, že se dále na pryžové částice působí UV zářením.

3. Způsob úpravy pryžových částic podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se dále pryžové částice skrápějí chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic.

4. Způsob úpravy pryžových částic podle nároku 3, vyznačující se tím, že chemickým činidlem pro narušení síťových chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic je pyridin nebo jeho vodný roztok o koncentraci rovné nebo vyšší než 1 % hmotn. pyridinu v roztoku.

5. Způsob úpravy pryžových částic podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že se nejprve v první fázi provádí současné vhánění horkého vzduchu do pryžových částic v tlakové nádobě (1) a odsávání kontaminovaného vzduchu, v odsávání se pokračuje a pak se odsávání zastaví a dále proběhne alespoň jedna druhá fáze, při které se pryžové částice skropí chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic a současně se začne na ně působit UV zářením, po ukončení skrápění se dále pokračuje v působení UV záření, během něhož se v časovém odstupu od ukončení skrápění současně začne spolupůsobit i vháněním horkého vzduchu a odsáváním kontaminovaného vzduchu, následně se UV záření vypne, poté se pokračuje pouze ve vhánění horkého vzduchu a odsávání, potom se vypne vhánění horkého vzduchu a pouze se odsává kontaminovaný vzduch a na konci druhé fáze se odsávání zastaví, přičemž míchání pryžových částic se kontinuálně provádí po celou dobu během všech fází.

6. Způsob úpravy pryžových částic podle nároku 5, vyznačující se tím, že v každé fázi vhánění horkého vzduchu trvá po 30 až 70 min, odsávání kontaminovaného vzduchu trvá 3 až 15 min, dále v každé druhé fázi skrápění trvá 0,5 až 3 min a působení UV zářením trvá 5 až 25 min.

7. Způsob úpravy pryžových částic podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že se druhá fáze opakuje třikrát a v poslední z nich se po ukončení vhánění horkého vzduchu zároveň vpustí do tlakové nádoby (1) okolní vzduch.

8. Způsob úpravy pryžových částic podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je použita tlaková nádoba (1) s přívodem ohřátého vzduchu, odvodem kontaminovaného vzduchu a se žlabem (2) o průřezu tvaru U, na který těsně přiléhá odnímatelné víko (5); a uvnitř žlabu (2) se na hřídeli (11) otáčí páskové míchadlo (3), které promíchává pryžové částice se vzduchem.

9. Způsob úpravy pryžových částic podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se kontaminovaný vzduch dále čistí filtrací.

10. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic obsahujících polycyklické aromatické uhlovodíky, které obsahuje nádobu se žlabem (2) o průřezu tvaru U, ve kterém je na jeho dně vypouštěcí otvor a uvnitř žlabu (2) míchadlo pro míchání pryžových částic, vyznačující se tím, že žlab (2) je vzduchotěsně uzavřen odnímatelným víkem (5) pro udržení přetlaku vzduchu do 350 kPa tak, že tvoří tlakovou nádobu (1) s přípojem (40) na přívod vzduchu ohřátého na 50 až 180 °C, a s přípojem (41) na odvod odsávaného kontaminovaného vzduchu.

- 16 CZ 2022 - 389 A3

11. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle nároku 10, vyznačující se tím, že míchadlem je páskové míchadlo (3) otočné na hřídeli (11), která vystupuje vzduchově utěsněným průchodem z tlakové nádoby (1) pro udržení přetlaku vzduchu do 350 kPa, a která je dále vně tlakové nádoby (1) napojena na pohon míchadla.

12. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že je dále opatřeno alespoň jedním UV zářičem (33) pro ozařování pryžových částic uvnitř tlakové nádoby (1), například připevněným k víku (5).

13. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle kteréhokoliv z nároků 10 až 12, vyznačující se tím, že dále zahrnuje skrápěcí zařízení (27) pro skrápění pryžových částic v tlakové nádobě (1) chemickým činidlem pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic.

14. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle nároku 13, vyznačující se tím, že skrápěcí zařízení (27) zahrnuje ve víku (5) tlakové nádoby (1) umístěné skrápěcí trysky (28) pro rozprašování chemického činidla pro narušení chemických vazeb alespoň na povrchu pryžových částic.

15. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle nároku 14, vyznačující se tím, že skrápěcí trysky (28) jsou uzpůsobené tak, že vytváří kuželový tvar postřiku s vrcholovým úhlem 65° až 120°, a jsou v takovém počtu a rozmístěné a orientované tak, aby vytvářely maximální souvislou postřikovanou plochu pryžových částic vynášených míchadlem na horní povrch masy pryžových částic v tlakové nádobě (1).

16. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle kteréhokoliv z nároků 10 až 15, vyznačující se tím, že dále zahrnuje odvod odsávaného vzduchu, na něj napojené zařízení pro odsávání kontaminovaného vzduchu a filtrační zařízení (20) pro filtraci kontaminovaného vzduchu.

17. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle kteréhokoliv z nároků 10 až 16, vyznačující se tím, že dále zahrnuje přívod ohřátého vzduchu a na něj napojený ohřívač vzduchu (16) a zařízení pro vhánění vzduchu do tlakové nádoby (1) s přetlakem vzduchu 5 až 350 kPa.

18. Zařízení k provádění úpravy pryžových částic podle kteréhokoliv z nároků 10 až 17, vyznačující se tím, že víko (5) obsahuje alespoň jeden vzduchotěsně pro přetlak vzduchu 5 až 350 kPa uzavíratelný plnicí otvor (4) pro vsypání pryžových částic.