CZ303798B6 - Zarízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálu - Google Patents

Abstract

Zarízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálu sestávající se z cidla (13) pudního pH metru, napojeného na první analogový vstup (9), který je pripojen na první prevodník (5); z cidla (14) OXY metru, napojeného na druhý analogový vstup (10), který je pripojen na druhý prevodník (6); z cidla (15) vlhkomeru, napojeného na tretí analogový vstup (11), který je pripojen na tretí prevodník (7); cidla (16) teplomeru, napojeného na ctvrtý analogový vstup (12), který je pripojen na ctvrtý prevodník (8). Výstupy prvního prevodníku (5), druhého prevodníku (6), tretího prevodníku (7) a ctvrtého prevodníku (8) jsou pripojeny prímo na vstupy mericího mikropocítace (3). Mericí mikropocítac (3) je propojen osmibitovou sbernicí s komunikacním mikropocítacem (2), na který je pripojen sériový výstup (18) pro pripojení externí pameti (4) nebo PC.

Description

Zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů

Oblast techniky

Vynález se týká zkušebního zařízení pro testování biodegradability papíru a ostatních obalových materiálů s určitým podílem biologicky rozložitelné složky pomocí technologie kompostování. Použitý papír bývá nejčastěji recyklován v papírenském průmyslu a může být dále zpracován k výrobě jiných produktů (např. ve stavebnictví), nebo může být využit k výrobě kompostů, které lze aplikovat na půdu jako zdroj organické hmoty. Podobně mohou být využity i ostatní obaly s cílem zamezení jejich ukládání na skládkách.

Dosavadní stav techniky

Na základě literární rešerše světových vědeckých a odborných publikací představuje papír recyklovatelnou komoditu, kteráje odděleně sbírána např. do kontejnerů. Nezanedbatelné množství papíru se nachází také ve směsném komunálním odpadu, z kterého již není možné jej pro primární recyklaci vytřídit. Dle implementované směrnice rady EU 1999/31/EC o skládkování odpadů, se Česká republika zavázala v souladu s nařízením vlády č. 197/2003 Sb., o Plánu odpadového hospodářství ČR, na snižování množství biologicky rozložitelného odpadu ukládaného na skládky. V tomto nařízení jsou uvedena různá opatření, které by měla směřovat k dosažení cíle, a to zejména snížení maximálního množství biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO) ukládaného na skládky tak, aby podíl této složky činil v roce 2010 nejvýše 75 % hmotnosti, v roce 2013 nejvíce 50 % hmot. a výhledově v roce 2020 nejvýše 35 % hmot. z celkového množství BRKO vzniklého v roce 1995 (stanovené množství BRKO v roce 1995 bylo 1530 tis, tun).

Jednou z možností jak snížit podíl biologicky rozložitelného odpadu je zpracovávat papír vytříděný ze směsného komunálního odpadu anebo obalový papír (karton) pro sekundární recyklaci, tj. např. technologií kompostování pro výrobu substrátů. Tato technologie umožňuje recyklovat i některé další odpady, přetvářet je na organickou hmotu, kterou lze aplikovat na půdu a tím zlepšovat její vlastnosti. Kompostováním vyrobený substrát má významný vliv pro rychlou obnovu úrodnosti půdy. Jeho ekologický význam je především v recyklaci organické hmoty, navrácení živin do půdy, zabránění hnilobných procesů u organických odpadů v přírodním prostředí a na skládkách odpadů.

Dalším důležitým zákonem, kterým je vymezeno odpadové hospodářství je zákon 477/2001 Sb. (Zákon o obalech). Účelem tohoto zákona je chránit životní prostředí předcházením vzniku odpadů z obalů, a to zejména snižováním hmotnosti, objemu a škodlivosti obalů a chemických látek v těchto obalech obsažených v souladu s právem Evropských společenství. Tento zákon stanovuje práva a povinnosti podnikajících právnických a fyzických osob a působnost správních úřadů při nakládání s obaly uváděnými na trh nebo do oběhu, při zpětném odběru a při využití odpadu z obalů. Zároveň stanovuje poplatky, pokuty a ochranná opatření k nápravě. Tento zákon se vztahuje na nakládání se všemi obaly, kteréjsou v České republice uváděny na trh nebo do oběhu. Z výše uvedeného vyplývá, že i podnikající právnické osoby musí přemýšlet, jak bude naloženo s obaly od svého zboží, které uvádějí na trh. Ověření možnosti kompostovatelnosti a následné zpracování papírového obalu touto technologií je jedním z možných řešení nakládání s obaly ve smyslu výše uvedeného zákona.

Z větší části bývá odděleně sebraný papír svážen a zpracováván v papírenském průmyslu. Část separovaného papíru však není možné zpracovat v papírenském průmyslu, protože k tomu není technologicky vhodný, např. z důvodu jeho zašpinění či zamaštění. Tento papír končí na skládkách, neboje pálen ve spalovnách.

-1 CZ 303798 B6

Hodnocení rozpadu papíru a dalších obalových materiálů se provádí pomocí poloprovozní zkoušky aerobního kompostování při definovaných podmínkách. Obalové materiály se smíchají s biologickým odpadem a po dobu 12 týdnů probíhá proces samovolného kompostování. Na konci procesu se stanoví rozpad prosetím vzniklého kompostu a vypočítá se hmotnostní bilance. Vliv zkoušeného vzorku na jakost kompostu je možné sledovat pomocí chemické analýzy a zkoušky ekotoxicity.

Zkouška rozpadu při určených podmínkách kompostování v poloprovozním měřítku představuje normalizovaný proces kompostování. Zkoušený materiál se smíchá v přesném hmotnostním poměru s čerstvým biologickým odpadem a převede se do určeného prostředí kompostování, kde začne samovolný proces kompostování. Přítomná mikrobiální populace zahájí tento proces a dojde ke zvyšování teploty. Kompostovaná hmota se pravidelně obrací, promíchává a provzdušňuje. Aby bylo papír nebo obaly možné kompostovat, je nutné ověřit jejich vhodnost pro kompostování. Celý kompostovací proces je nutné sledovat a výsledný produkt zhodnotit podle mnoha parametrů (např. ČSN EN 14045, ČSN EN 13193, ČSN ISO 3310-2, ČSN EN 13432:2001, ČSN EN ISO 10634:1997, ČSN ISO 10390:1996, ČSN ISO 11465). U mnohých obalových materiálů však není znám jejich výrobce, nebo použité suroviny (obsah použitých příměsí - např. pojidel, plnidel apod.). Z tohoto důvodu je nutné analyzovat průběh kompostovacího procesu, tj. zdaje daný papír či obal vhodný pro zpracování technologií kompostování a jakých parametrů dosahuje výsledný produkt vzniklý z kompostovacího procesu. Tento problém se rovněž týká řady dalších tzv. biologicky rozložitelných obalů vyráběných z jiných materiálů, než je papír (např. nákupní tašky vyráběné z materiálů s přídavkem škrobu, juty apod.).

V laboratorních podmínkách je používáno zařízení uváděné v dokumentu DE 19844315 C (Pátz, Reinhard [DE]; et al.) určené pro měření organických substancí, kdy zařízení pro měření pH, redox potenciálu, teploty a tlaku plynu jsou propojena s řídicí a vyhodnocovací jednotkou ve formě počítače. Zařízení je určeno pro laboratorní, nikoliv provozní podmínky. Redox potenciál oxidačně-redukční potenciál je složený parametr celkové intenzity oxidačních nebo redukčních podmínek v systému a odráží stupeň vyváženosti mezi oxidačními a redukčními procesy. Reduktant je sloučenina, která při reakci uvolňuje elektrony (je to elektronový donor) a sama se oxiduje, oxidant je naopak látka, která elektrony přijímá (akceptor elektronů) a sama se redukuje. Navrhované zařízení však nevyužívá pro měření žádných přidávaných sloučenin do testovaného materiálu.

Dokument WO 2004027416 A (REPUBLIC OF KOREA (AGENCY FOR TECHNOLOGY & STANDARDS, MOCIE) popisuje zařízení pro měření biodegradability vzorků polymeru pomocí nedisperzní infračervené spektrometrie, kde počítač řídí mimo jiné obsah vody a teplotu v reálném čase a monitoruje jednotku dálkovým přístupem TCP/IP protokolu. Počítač je připojen k první kontrolní aerační jednotce, druhé kontrolní aerační jednotce a analyzátoru plynů. Zařízení je využíváno při výzkumu a vývoj i postupů biodegradovatelných polymerů. Uvedené zařízení je díky použití spektrometrie přesné, avšak drahé a použitelné v laboratorních podmínkách, nikoliv provozních podmínkách.

Dokument WO 2008007421 A (MITSUI CHEMICAL ANALYSIS & CON) popisuje zařízení pro zkoumání biodegradability polymeru. Toto zařízení reguluje množství přiváděného vzduchu, vlhkost přiváděného vzduchu na přívodu i odvodu, přičemž analýza vzduchuje prováděna v připojeném kontejneru, kam jsou umístěna měřicí jednotky. Jedná se o zařízení laboratorního charakteru, nikoliv o zařízení pro provozní testování.

Dokument EP 0497414 A (ORGANIC WASTE SYSTEMS NAAMLOZE) popisuje metodu použitelnou pro zrychlený způsob biodegradability za anaerobních podmínek, které jsou podobné podmínkám na skládkách, přičemž se měří množství vzniklého bioplynu. Navrhované zařízení testuje biodegradabilitu probíhající za aerobních podmínek, nikoliv za anaerobních podmínek.

-2CZ 303798 B6

Jedná se tedy o rozdílné podmínky probíhající biodegradability. V dokumentuje popsána metoda - hmotnostní složení vzorku, nikoliv však samotné zařízení či jeho zapojení.

Dokument EP 0908513 B (SAID IRONWORKS LTD) popisuje Microbial Oxidative egradation Analyzer (MÓDA), zařízení využívané pro testování biodegradability plastů nebo jiných materiálů v laboratorních podmínkách podle standardů ISO 14855-2 - popisující podmínky a postup testu. Toto zařízení není vhodné pro provozní podmínky.

Dokument US 5773283 A (Pierce George) popsaný vynález se týká aerobní reakce sloučenin, jako jsou aromatické, nitro-aromatické, halogen-aromatické, halogen-nitroaromatické, alifatické a halogen-alifatické sloučeniny s mikroorganismy. Týká se způsobu aerobního rozkladu organických látek v tekuté nebo pevné fázi tak, aby tyto sloučeniny se staly biologicky rozložitelnými produkty. Patent se netýká zařízení, ale popisu způsobu přeměny sloučenin na rozložitelné produkty.

Podstata vynálezu

Tento nedostatek do značné míry snižuje zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů technologií kompostování. Zařízení umožňuje, na vzorku papíru či jiného obalového materiálu, ověřit průběh kompostovacího procesu a vhodnost testovaných materiálů pro sekundární recyklaci a následné jejich využití za použití technologie kompostování. Toto zařízení je tvořeno tělem kompostovací nádoby válcového tvaru o stanoveném objemu (400 litrů), ve které jsou umístěna čidla umožňující zaznamenávat průběh kompostovacího procesu. Pravidelně se zaznamenává teplota, pH, obsah vlhkosti a složení plynů (obsah kyslíku). Tyto veličiny jsou potřebné pro vhodnou mikrobiální aktivitu. Proces kompostování probíhá až do fáze stabilizace kompostu (po 12 týdnech).

V těle kompostovací nádoby jsou umístěna čidla následujících digitálních přístrojů: půdní pH metr, OXY metr, přístroj pro měření teploty a vlhkosti. Výstupy z těchto čidel jsou přímo napojeny na vstup mikropočítače. Data z čidel jsou ukládána do operační paměti mikropočítače společně s číselným časovým a datovým údajem. Výstupy z čidel jsou zaznamenávány po dobu celého kompostovacího procesu ve stanovených intervalech do datových vět, které jsou ukládány do paměti nebo externího notebooku. Čidla půdního pH metru, OXY metru, přístroje pro měření teploty a vlhkosti jsou vždy rozmístěna ve stejné rovině (výšce) kompostovací nádoby a tvoří takto sadu čidel. V těle kompostovací nádoby je umístěno více sad čidel v různých výškách, tak aby bylo možné sledovat kompostovací proces v takto vytvořených rovinách. Výhodou zaznamenávání dat ve stanovených intervalech je skutečnost, že pomocí stejných vstupů lze do mikropočítače zaznamenávat data z různých sad čidel. Mikropočítač zaznamená data do datové věty z první sady čidel, následně vyšle signál druhé sadě čidel, která odešle zaznamenané údaje a následně po přijetí dat je vysílán signál další sadě čidel. Tento proces se opakuje, až se signál opět vrátí k první sadě čidel, kdy celý cyklus začíná znovu.

Zaznamenané datové věty lze dále zpracovávat a následně vyhodnocovat průběh kompostovacího procesu. Na základě vyhodnocení průběhu vývoje jednotlivých měřených veličin lze vyhodnotit průběh kompostovacího procesu. Následně pak lze spolu s rozborem výsledného produktu kompostování určit, zda testovaný materiál je vhodný či není ke kompostování.

Kompostovací nádoba má v plášti po obvodu vytvořenou soustavu otvorů, které umožňují jednotlivá čidla podle potřeby nastavovat do potřebné výšky (např. při snižování objemu kompostovaného materiálu vlivem jeho degradace).

Při vývoji zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů byla zvolena varianta, kdy hodnoty ze senzorů jsou zaznamenávány vzorkováním ve zvolených časových

-3 CZ 303798 B6 intervalech. Tato varianta byla zvolena z důvodu, že zařízení je určeno k zaznamenávání pomalých dějů, které trvají dlouhou dobu, tudíž měření nemusí být kontinuální. Po nastartování kompostovacího procesuje nutné hodnoty zaznamenávat častěji. Naopak v konečných fázích kompostovacího procesu jsou již změny velmi pozvolné, proto i interval záznamu dat může být delší. Zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů je vybaveno napěťovými a proudovými vstupy, které jsou připojeny na převodníky napětí - frekvence nebo proud - frekvence. V daném okamžiku je frekvence následně zaznamenána čítači mikropočítačového modulu. Výhodou tohoto řešení, že naměřená frekvence z každého napěťového nebo proudového senzoru je v nastaveném časovém intervalu zaznamenána do jednoho datového údaje.

Časový interval lze měnit naprogramováním vnitřního časovače mikropočítačového modulu (1 sekunda až 1 hodina). Rovněž je programově řešena frekvence zaznamenávání hodnot, kdy např. po dosažení nastavené hodnoty tepoty v kompostovaném materiálu se frekvence vzorkování zvýší a po poklesu teploty pod stanovenou hodnotu se naopak frekvence vzorkování sníží. Toto řešení souvisí s biologickou podstatou zkoumaného materiálu, kdy zvyšující se teplota má vliv na intenzitu probíhajících dějů aje tedy nutné data v tomto okamžiku zaznamenávat častěji.

Vstupy pro odečty impulsů jsou připojeny přímo k mikropočítačovém u modulu. Počet vstupů je omezen použitým typem mikropočítače. Jako čítače jsou použity hardwarové čítače mikropočítačového modulu a čítače řešené programově. Naměřená data z jednotlivých výstupů měřicích čidel v mikropočítačovém modulu jsou seřazena do jedné datové věty a ukládána do externí paměti pomocí sériového komunikačního portu, který lze také připojit např. k PC. Data z mobilní externí paměti, je možné exportovat pomocí kabelu a sériové linky do PC.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže vysvětlen pomocí jednoho výkresu, který znázorňuje obrázek 1 - Blokové schéma zapojení zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů.

Příklad uskutečnění vynálezu

Zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů je složeno z dataloggeru 17, který sestává z mikropočítačového modulu i, prvního převodníku 5, druhého převodníku 6, třetího převodníku 7, čtvrtého převodníku 8, prvního analogového vstupu 9, druhého analogového vstupu 10, třetího analogového vstupu 11 a čtvrtého analogového vstupu 12. Mikropočítačový modul i sestává z měřicího mikropočítače 3 a komunikačního mikropočítače 2 (oba ATMEL 89C2051). Měřicí mikropočítač 3 kontroluje stav senzorů a komunikační mikropočítač 2 zajišťuje komunikaci mezi měřicím mikropočítačem 3 a externí pamětí 4 případně s počítačem PC (notebookem). Komunikační mikropočítač 2 komunikuje s externí pamětí 4 (notebookem) po sériových linkách (RS232). S měřicím mikropočítačem 3 je komunikace prováděna po osmibitové sběrnici. Zařízení obsahuje čtyři čítače vytvořené programově. První analogový vstup 9 a druhý analogový vstup J_0 jsou připojeny k měřicímu mikropočítači 3 přes první převodník 5 a druhý převodník 6 napětí frekvence. Třetí analogový vstup 11 a čtvrtý analogový vstup 12 jsou připojeny k měřicímu mikropočítači 3 přes třetí převodník 7 a čtvrtý převodník 8 proud - frekvence. Měřicí rozsah převodníků je 0 až 10 000 Hz (= 0 až 1 V). K prvnímu analogovému vstupu 9 je připojeno čidlo 13. půdního pH metru, k druhému analogovému vstupu 10 je připojeno čidlo Μ OXY metru, k třetímu paralelnímu vstupu lije připojeno čidlo E5 vlhkoměru a ke čtvrtému paralelnímu vstupu 12. je připojeno čidlo 16 teploměru. Externí paměť 4 je mobilní a lze ji připojit nebo odpojit od dataloggeru Γ7 sériovým výstupem 18, připojit k PC a přenést naměřená data. Rovněž od dataloggeru 17 lze odpojit nebo připojit prvním analogovým vstupem 9 čidlo půdního 13 pH metru, druhým analogovým vstupem 10 čidlo 14 OXY metru, třetím analogovým vstupem 11 čidlo 15 vlhkoměru a čtvrtým analogovým vstupem 12 čidlo 16 teploměru. Zapojení

-4CZ 303798 B6 umožňuje získávat datové soubory složené z datových vět, které obsahují data z jednotlivých připojených čidel společně s údaji o datu, čase a identifikačním kódem sady čidel. Příklad zapojení je objasněn na výkresu, obrázek 1 - Blokové schéma zapojení zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů.

Zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů podle vynálezu lze využívat všude tam, kde je nutné měřit vzorkováním pomalu probíhající děje ve stanoveném časovém intervalu. Zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů je využitelné při kompostování, v zemědělství, lesním hospodářství atp.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro testování biodegradability papíru a obalových materiálů sestává z čidla (13) půdního pH metru, napojeného na první analogový vstup (9), který je připojen na první převodník (5); z čidla (15) vlhkoměru, napojeného na třetí analogový vstup (11), který je připojen na třetí převodník (7); čidla (16) teploměru, napojeného na čtvrtý analogový vstup (12), který je připojen na čtvrtý převodník (8), vyznačující se tím, že dále sestává z čidla (14) OXY metru, napojeného na druhý analogový vstup (10), který je připojen na druhý převodník (6); přičemž výstupy prvního převodníku (5), druhého převodníku (6), třetího převodníku (7) a čtvrtého převodníku (8) jsou připojeny přímo na vstupy měřicího mikropočítače (3), přičemž měřicí mikropočítač (3) je propojen osmibitovou sběrnicí s komunikačním mikropočítačem (2), na nějž je napojen sériový výstup (18) pro připojení externí paměti (4) nebo PC.