Oddělení environmentálního inženýrství

Kromě spalování se věnujeme i problematice pyrolýzy či zplyňování pevných paliv na produkty s vyšší přidanou hodnotou, na objasnění vlivu procesních podmínek na kvalitu produktů, či vývoji metod pro čištění plynných produktů. V této oblasti se jako stěžejní téma v poslední době jeví pyrolytické zpracování odpadních plastových materiálů s konverzí na energetické medium, jako je pyrolyzní plyn či olej, a pyrolýza biomasy s produkcí biocharu jako půdního suplementu.

Čištění spalin je vzhledem ke stále se zpřísňujícím hodnotám emisních limitů jednou z klíčových výzev pro výzkum. V této oblasti se věnujeme vývoji efektivních postupů pro záchyt rtuti ze spalin a postupům pro záchyt kyselých složek, a to jak pomocí suchých metod, tak metod mokrých či vývoji zcela nových konceptů například využívající membránové separace. V neposlední řadě se věnujeme i problematice snižování emisí skleníkových plynů z energetických procesů.

V rámci tohoto tématu se zaměřujeme na vývoj procesů pro zpracování a recyklaci řady odpadů a odpadních materiálů z komunální sféry a průmyslové výroby. V současné době se zaměřujeme:

• na získávání kovů a kovů vzácných zemin z různých typů elektroodpadů,
• zpracování čistírenských kalů s recyklací fosforu,
• využití odpadů z pozemního stavitelství, zejména tzv. obrusných vrstev,
• zpracování plastových odpadů, zejména na materiálovou recyklaci tvrdoplastů a foliových kompozitních materiálů, apod.

Výzkum probíhá ve spolupráci s aplikační sférou a většinou i na míru na základě poptávky z praxe.

Energetické využití odpadů je jednou z klíčových technologií pro nakládání se směsným komunálním odpadem či nerecyklovatelnými a nevyužitelnými odpady. V této oblasti se věnujeme zejména vývoji metod pro zpracování pevných zbytků, jako jsou popílky či škvára. Výzkum je orientován u popílků na odstraňování nebezpečných vlastností spolu s možností získávání solí či kovů z nich. V případě škváry pak na vývoj efektivních postupů pro získávání cenných složek, zejména neželezných kovů, či využití škváry ve stavebním průmyslu.

Škvára je hlavní pevný zbytek z energetického využití odpadů. Složení škváry odpovídá složení spalovaného odpadu, které je pak závislé na charakteru svozové oblasti, úrovni třídění a separovaného sběru v místě, typu zástavby apod. Vliv těchto faktorů na obsah železných a neželezných kovů a skla byl zjištěn na základě detailní analýzy složení škváry ze třech zařízení pro energetické využití odpadů v ČR a analýzy jejich svozové oblasti. Jako klíčový faktor byl zjištěn poměr mezi komunálními a živnostenskými odpady. Větší podíl recyklovatelných složek, jako jsou železné a neželezné kovy, je pak ve škváře z velkých městských spaloven jako např. v Praze, které spalují téměř výhradně odpad komunální (Waste Management, 2018).

Efektivní získávání těchto kovů je pak vzhledem k vlhkému charakteru škváry nelehký technologický úkol. V současné době existuje řada různých technologií a technologických konceptů separace s rozdílnou náročností a účinností a každá technologická jednotka je téměř unikátní. Principy jsou ovšem shodné a zahrnují různé kroky předúpravy (zrání, drcení, sítování apod.) s následnou separací pomocí magnetických separátorů, vířivých proudů a senzorových systémů. Nejlepší dostupná praxe při separaci kovů a postupy, jak jí dosáhnout, byly v rámci mezinárodního autorského kolektivu sesumarizovány v roce 2020 (J Haz Mat, 2020). Na základě těchto znalostí pak byla zkonstruována v ZEVO Malešice poloprovozní jednotka s kapacitou jednotky tun hodinově pro účinné získávání neželezných kovů z částic nad 3 mm. Výsledky a know-how pak budou využity pro stavbu reálné jednotky.

Škváru po separaci kovů je možné využít v různých aplikacích stavebního průmyslu. Možnost využití, stejně jako nastavení technických a environmentálních kritérii pro bezpečné využití, se řídí národní legislativou každého státu. Přehled této legislativy pro využití škváry v Evropě spolu s analýzou výše uvedených kritérii byl zpracován v rámci mezinárodní kolektivu do přehledného článku (Waste Management, 2020).

Waste Management. 2018, 73, 360-366, DOI: 10.1016/j.wasman.2017.10.045
Journal of Hazardous Materials. 2020, 393, 122433. DOI:10.1016/j.jhazmat.2020.122433.
Ověřená technologie pro separaci neželezných kovů ze škváry po energetickém využití odpadů. 2019.
Zařízení pro separaci neželezných kovů ze sypké směsi. 2019. Praha - Praha - Most: Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i. - Pražské služby, a.s. - VVV Most spol. s r.o., 20. 08. 2019. 33130.
Waste Management. 2020, 102, 868-883, DOI:10.1016/j.wasman.2019.11.031

 

Pyrolýza je v současnosti považovaná za atraktivní alternativu ke konvenčním způsobům využití čistírenských kalů, kterými jsou skládkování, zemědělské využití a spalování. V rámci našeho výzkumu bylo cílem komplexně popsat pyrolýzu čistírenského kalu. Detailně byl popsán vliv teploty procesu na kvalitu a funkční vlastnosti pyrolýzních produktů – pyrolýzní plyn a kondenzát, publikováno v žurnále Energies, a sludge-char (pevný pyrolýzní zbytek), publikováno v žurnále J Anal Appl Pyrolysis. Bylo pozorováno, že teploty procesu vyšší než 500 °C jsou nezbytné pro převedení významné části energie obsažené v kalu do primárních pyrolýzních produktů (pyrolýzní plyn a kondenzát). Takové nastavení procesu je nezbytné pro ekonomickou a technologickou udržitelnost procesu. Dále byla pozornost věnována potenciálnímu využití sludge-charu v zemědělství. Vlastnosti sludge-charu byly detailně studovány taky analytickými postupy, které v dané oblasti nejsou obvyklé, včetně spektroskopických technik jako XPS, NMR a Ramanova spektroskopie. Zvyšující se teplota procesu měla pozitivní vliv na zvýšení porozity a stability sludge-charu, který může potenciálně posloužit na zlepšení agronomických vlastností půd, na které bude použitý. Kromě základní charakterizace pyrolýzních produktů vyšla publikace v žurnálu Chemosphere, která je přímou odpovědí na STRUBIAS report. Report zpochybňuje vhodnost pyrolýzy pro odstraňování či destrukci organických polutantů obsažených v čistírenském kalu. V rámci našeho výzkumu bylo jednoznačně prokázáno, že je možno dosáhnout vysokého stupně odstranění či destrukce studovaných polutantů, zejména při vyšších teplotách pyrolýzy. S ohledem na zemědělské využití sludge-charů tak bylo doporučeno provádět pomalou pyrolýzu (s delším zdržením kalu/sludge-charu) za teplot vyšších než 600 °C.

Energies, 2020, 13, 4087. DOI: 10.3390/en13164087
J Anal Appl Pyrolysis, 2021, 156, 105085. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105085
Chemosphere, 2021, 265, 129082. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.129082

Rtuť je jedním z nejvýznamnějších polutantů v emisích zejména ze spalování uhlí. Pro její efektivní záchyt je nutná znalost její speciace. V rámci rozsáhle experimentální činnosti bylo objasněno chování rtuti během spalování a určeny klíčové faktory ovlivňující její speciaci včetně experimentálního ověření možných metod jejího záchytu. Pro efektivní sorpci rtuti (hlavně ve formě par elementární rtuti Hg⁰) jsou důležité tři faktory:

• specifický povrch sorbentu (měl by být, pokud možno, nad asi 200 m²/g),
• teplota sorpce (účinnější je sorpce za teplot pod asi 150 °C),
• a impregnace (oxidující sloučeniny s chloridy a bromidy a prostředky se sírou, jak elementární, tak polysulfidy).

U sorpce Hg⁰ a Hg-sloučenin na popílcích hraje rozhodující roli obsah nespáleného uhlíku, obsah chloridů, specifický povrch a teplota sorpce. Obsah vodních par v plynu většinou mírně snižuje sorpci rtuti na sorbentech. Při vyšším poměru koncentrací HCl/SO₂ ve spalinách a obsahu kyslíku nad cca 4 % obj. se Hg⁰ oxiduje v plynu na HgCl₂. Oxidace je závislá na teplotě, katalyticky aktivním povrchu a na době zdržení. Organokovové sloučeniny rtuti jsou ve spalovacích procesech převedeny na směs par elementární rtuti a anorganických sloučenin, hlavně na HgCl₂. Ve spalinách s velmi nízkým obsahem VOC se prakticky netvoří organokovové sloučeniny rtuti. U mokrých absorpčních metod odstraňování rtuti spolu s SO₂ je nutné dbát na minimalizaci tzv. re-emisí rtuti vyvolaných redukcí Hg²⁺ na Hg⁰ s následnou volatilizací do spalin. Uvedená zjištění byla publikována v řadě originálních prací a slouží jako základ pro vývoj metod pro záchyt Hg ze spalin.

Journal of Environmental Management. 2018, 206, 276-283, DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.10.039
Waste Management. 2018, 73, 265-270, DOI: 10.1016/j.wasman.2017.12.007
Journal of Environmental Management. 2016, 166, 499-511, DOI: 10.1016/j.jenvman.2015.11.001

Kompozitní obalové materiály jsou součástí každodenního života a používají se v řadě aplikací. Asi nejznámějším kompozitním materiálem je Tetrapack, který je složen z papíru, fólie a hliníku, kde každá vrstva má nějakou funkční vlastnost. Dosud byly tyto materiály nerecyklovatelné. Jedná se o významný tok odpadů, kdy kompozitní obalové materiály tvoří asi 20 % plastového odpadu v Evropě.
V rámci aplikovaného výzkumu byla vyvinuta nová unikátní metoda zaměřená právě na jejich recyklaci a materiálové zpracování. Metoda je založena na principu jejich rozdružení na jednotlivé vrstvy pomocí loužicí směsi a následného roztřídění na jedno-druhové plasty či kovy. Jedná se o unikátní řešení pro recyklaci těchto typů odpadů. V rámci výzkumu vznikla pilotní poloprovozní jednotka s kapacitou 100 kg/hod, na základě dat z ní je v současné době budována provozní jednotka s kapacitou 10 000 tun/rok.
Technologie je chráněna patentem, licence byla prodána společnosti Plastigram a.s.

Způsob rozdružování obalového kompozitního materiálu. Pat. No. 307054/PV 2015-931.

V rámci řady projektů základního i aplikovaného výzkumu byl zkoumán vliv podmínek na zplyňování biomasy ve stacionární fluidní vrstvě. Jednou ze zkoumaných problematik byl například vliv poměru katalyticky působícího oxidu vápenatého a inertního křemenného písku ve fluidním loži zplyňovacího generátoru při autotermním zplyňování biomasy za použití směsi CO₂+O₂ jako zplyňovacího média. Vliv koncentrace oxidu vápenatého ve fluidním loži pro zplyňování biomasy tímto zplyňovacím médiem byl porovnán s použitím běžně používaného zplyňovacího média H₂O+O₂. Zatímco při použití H₂O+O₂ byla dostatečná koncentrace katalytického oxidu vápenatého ve fluidním loži 50 %, při použití CO₂+O₂ bylo dosaženo optimálních výsledků až při použití čistého CaO ve fluidním loži. Katalytický vliv CaO ve fluidním loži měl v tomto případě za následek 8,7 násobné snížení množství dehtu ve vyrobeném syntézním plynu a snížení kondenzační teploty dehtů o 124 °C na 71 °C.

Fuel. 2014, 117, 198-205, DOI: 10.1016/j.fuel.2013.09.068
Energy and Fuels. 2016, 30(5), 4065-4071, DOI: 10.1021/acs.energyfuels.6b00169
Fuel. 2017, 210, 605-610, DOI: 10.1016/j.fuel.2017.09.006
Applied Energy. 2018, 217, 361-368, DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.02.151

V rámci aplikovaného výzkumu byla vyvinuta technologie hydrolýzy biologicky rozložitelných odpadů pracující na principu hydrolýzy za vysoké teploty a tlaku ve vodě za přítomnosti oxidu uhličitého jako katalyzátoru, který umožňuje získat hydrolyzáty bez obsahu anorganických solí. Vstupními surovinami pro vyvinutou originální technologii jsou problematicky zpracovatelné bio-odpady s vysokým obsahem nutrientů, jako jsou peří, krev, konfiskáty a zbytky z jídelny apod. Produktem vyvinutého postupu je hydrolyzát obecně vhodný pro výživu rostlin a zvířat. V současné době je produkt na trhu jako certifikované hnojivo s obsahem dusíku v sušině 19 % pod názvem Organico, které je použitelné v ekologickém zemědělství. Celý postup je patentově chráněn a licence byla prodána společnosti FERGIA, a.s. V současné době jsou ve výstavbě již tři jednotky s výrobní kapacitou 1 t/h. Způsob zpracování peří. Pat. No. 305684/PV 2014-395. Zařízení pro likvidaci organického odpadu hydrolýzou. UV32172

Popel ze spalování čistírenských kalů je často uvažován jako sekundární zdroj fosforu pro zemědělství. V rámci naší studie byla zjištěná nedostatečnost současných testů založených převážně na sledování rozpustnosti P a toxických kovů (TK) v roztoku neutrálního citronanu amonného či 2% kyseliny citronové. Klíčovými faktory jsou přitom biodostupnost P a míra kontaminace popele TK. Výsledky prokázaly zjevný vliv obsahu Ca a Al na biodostupnost P, ukazující na nutnost porozumět chování těchto materiálů v různých půdních podmínkách. Byl tedy navržen a ověřen jednoduchý testovací aparát využívající standardizovaných půdních testů (Olsen, Mehlich3, či test sorpce půdy), jehož výsledky mají při srovnatelné cenové i časové zátěži výrazně vyšší vypovídající hodnotu o využitelnosti materiálu v zemědělství než výsledky doposud využívaných testů. V současnosti využívané testy vykazují pro popel z čistírenských kalů významně nadhodnocenou biodostupnost P ve srovnání s reálnou biodostupností stanovenou pomocí testů půdních.

Environmental Science & Technology. 2018, 52(17), 9810-9817, DOI: 10.1021/acs.est.8b02105