PET Geri Dönüşümü - Endüstriyel Atıklar için Modüler Konsept
Elyaf veya film gibi yarı mamul ürünlerin üretimi sırasında, tüm üretim zinciri boyunca geri dönüştürülebilen ve hammadde olarak yeniden kullanılabilen atıklar sürekli olarak oluşur. PET'in geri dönüşümü ise, hidrolitik polimer bozunması nedeniyle tesis tasarımı açısından özel bir zorluk teşkil eder.Poliolefinlerin işlenmesiyle geri dönüşüm konusu büyük ölçüde çözülmüştür. Bu işi başarıyla gerçekleştiren ve iyi kalite üreten yeterli sayıda işleyen konsept piyasada mevcuttur. Ancak PET geri dönüşümü alanında durum farklıdır. Bu alanda genellikle PET'in özel özelliklerine uygun olarak tasarlanmamış, poliolefin çözümlerinin uyarlanmış versiyonları kullanılmaktadır.
PET Geri Dönüşümü
Endüstriyel Atıklar için Modüler Konsept, Esnek Çözümler Sunar
Elyaf veya film gibi yarı mamul ürünlerin üretimi sırasında, tüm üretim zinciri boyunca geri dönüştürülebilen ve hammadde olarak yeniden kullanılabilen atıklar sürekli olarak oluşur. PET'in geri dönüşümü ise, hidrolitik polimer bozunması nedeniyle tesis tasarımı açısından özel bir zorluk teşkil eder.
Poliolefinlerin işlenmesiyle geri dönüşüm konusu büyük ölçüde çözülmüştür. Bu işi başarıyla gerçekleştiren ve iyi kalite üreten yeterli sayıda işleyen konsept piyasada mevcuttur. Ancak PET geri dönüşümü alanında durum farklıdır. Bu alanda genellikle PET'in özel özelliklerine uygun olarak tasarlanmamış, poliolefin çözümlerinin uyarlanmış versiyonları kullanılmaktadır.
Polyester hammaddesinde temel problemlerden biri, moleküllerin neme karşı yüksek afinitesidir. Bu durum, ekstrüderde işleme sırasında moleküllerin kısalmasına (hidroliz) yol açar ve polimerin mekanik özelliklerini önemli ölçüde düşürür. Şişe flake kullanıldığında, Almanya Bad Oeynhausen merkezli Gneuss Kunststofftechnik GmbH tarafından geliştirilen Multi-Rotation System (MRS) bu konuda başarılı bir çözüm olarak kendini kanıtlamıştır. Çok geniş polimer yüzey alanları ve basit bir vakum ortamı oluşturulması sayesinde, ekstrüzyon sürecinde biriken nem uzaklaştırılır ve bozunma tersine çevrilir.
Termoform uygulamaları için PET film üretiminde, kesim (zımbalama) atıklarının anında öğütülerek doğrudan tekrar üretim sürecine kazandırıldığı yerleşik prosesler bulunmaktadır. Nispeten düşük IV değeri (IV değeri, nihai ürünün fiziksel veya mekanik özelliklerini belirler), daha yüksek IV değerine sahip malzeme (örneğin şişe flake, yüksek IV chip vb.) ilavesiyle dengelenir.
Öte yandan, PET'ten çift eksenli yönlendirilmiş (biaxially oriented) filmler veya elyaf üretildiğinde, üretim atıklarının yeniden işlenmesi çok daha zor hale gelir. Bunun başlıca nedeni, bu atıkların çok düşük "yığın yoğunluğuna" sahip olmasıdır; bu değer çoğu zaman 100 g/l'nin altındadır ve bu nedenle söz konusu atıkların tekrar ekstrüdere beslenmesi ciddi zorluklar yaratır.
Bu tür endüstriyel atıklar, yani çift eksenli yönlendirilmiş (biaxially oriented) PET filmler veya elyaflar, ilave önlemler alınmadan doğrudan ekstrüzyon prosesinde işlenemez.
Bu iki atık türünün, dozajlamaya uygun hale gelmeden önce mutlaka parçalanması gerekir. Bu işlem adımı için farklı makine konseptleri mevcuttur.
Parçalama (Shredding) veya Kesme Değirmeni ile Ön Kırma
Bir seçenek, parçalayıcı (shredder) kullanımıdır. Bu makineler, geri dönüştürülecek malzemenin balyalar halinde beslenmesine olanak tanır ve elyaf ya da filmleri parçalar. Bu iş için uygun bir shredder, üzerinde birden fazla bıçak bulunan döner bir mil içerir; bu bıçaklar, dönüş sırasında sabit kesici yüzeylere karşı çalışır.
Makinede genellikle, beslenen atığı rotora doğru iten hidrolik bir itici bulunur. Bu sistem, aynı zamanda prosesin kapasitesini (throughput) da kontrol eder (Şekil 2). Rotorun dönüş ve çevresel hızları genellikle düşüktür, bu da polimer üzerindeki termal yükü sınırlar.
Bir diğer önemli özellik ise ünitenin sağlam yapısıdır. Bu sayede makine dolu haldeyken bile çalıştırılabilir. Büyük hacimli atık parçaları dahi ciddi bir hasar oluşturmadan parçalanabilir. Bu durum, purging (temizleme sırasında çıkan malzeme) atıklarının da besleme malzemesi olarak kullanılmasına olanak tanır (Şekil 3).
Parçalama işleminden sonra genellikle elekler kullanılır. Bu elekler, malzemenin sistemde kalma süresini ve dolayısıyla çıkış malzemesinin boyutunu belirler. Yaklaşık 40 mm ve üzeri tane boyutlarında, orta seviyede taşınabilir granüller elde edilir.
Kesme değirmenleri (cutting mills) daha temiz bir kesim sağlar. Bu makineler de bir rotor ile çalışır; ancak çok daha yüksek dönüş ve çevresel hızlara sahiptirler ve beslenen malzemeyi sabit bıçaklara karşı keserler.
Bu makineler kendi kendine beslemelidir; yani sonsuz elyaf veya filmler, beslenmeden önce mutlaka parçalara ayrılmalıdır. Ayrıca kesme haznesi doluyken çalıştırılamazlar ve purging malzemesinin beslenmesi bıçakların çok hızlı şekilde zarar görmesine neden olabilir. Buna karşılık, ince kesim sayesinde malzeme akışı daha homojen ve dozajlanabilir hale gelir, bu da sonraki proseslerde avantaj sağlar. Burada da gevşek yapıda, ancak belirli boyutta granüller elde edilir.
Bu şekilde hazırlanan granül akışı artık doğrudan ekstrüdere beslenebilir ya da ek bir işlem adımında yoğunlaştırılabilir (kompakt hale getirilebilir). Bu işlem için de iki farklı yöntem bulunmaktadır.
Aglomerasyon veya Granül Besleme
Aglomerasyon durumunda, granüller bir vida besleyici (plug screw) yardımıyla dönen bir disk ile sabit bir disk arasındaki boşluğa taşınır. Sürtünme ısısı sayesinde malzeme erir ve yoğunlaşır. Ancak bu yöntemin dezavantajı, zaman zaman yüksek termal yüklerin oluşmasıdır. Bu durum, moleküler ağırlığı ve dolayısıyla PET'in mekanik özelliklerini olumsuz etkileyebilir.
Benzer şekilde, büyük kaplarda kesme karıştırıcılar (shear mixers) ile yapılan işlemlerde de granüller aynı davranışı gösterir. Bu termal yük, polimerde sararma indeksinin artmasına ve moleküler ağırlığın düşmesine neden olabilir. Bu nedenle aglomeratörler genellikle poliolefinlerle kullanılır; çünkü çoğu durumda PET'in özel özelliklerini yeterince dikkate almazlar.
Buna karşılık, kenar geri dönüşüm değirmenlerinde (edge recycling mills) yapılan granülleme işlemi çok daha naziktir. Bu yöntemde malzeme, özel tasarlanmış delikli kalıplardan geçirilerek sıkıştırılır ve aynı anda yoğunlaştırılır. Bu işlem sonucunda, zayıf dozaj özelliklerine sahip orijinal granüllerden, kolay dozlanabilir ve işlenebilir yeni granüller elde edilir.
Bu işlem adımı, özellikle sonraki ekstrüzyon aşamasında elyaf veya film atıklarına şişe flake, yeni polimer, katkı maddeleri gibi ilaveler yapılacaksa oldukça uygundur.
Eğer herhangi bir katkı eklenmeyecekse, granüller veya kırpıntılar, plug screw gibi kompaktlama üniteleri yardımıyla doğrudan ekstrüdere de beslenebilir. Bu sistemde, ön vidanın yardımıyla yüksek hacimli granüller sıkıştırılır, içlerindeki hava uzaklaştırılır ve ekstrüder için uygun yığın yoğunluğu sağlanır.
Elyaf atıklarının Gneuss MRS ekstrüderinde işlenmesi yalnızca absorbe edilen nemin uzaklaştırılması ve böylece önemli bir moleküler bozunmanın önlenmesi avantajını sağlamakla kalmaz. Aynı zamanda, iplik üretiminde kullanılan spin yağları ve diğer katkı maddeleri de degazlama (gaz giderme) aşamasında uzaklaştırılır.
Elde edilen eriyik, sonraki ekstrüzyon prosesinde 12 μm seviyesine kadar filtrelenebilir ve böylece üretilen granül doğrudan tekrar iplik üretim prosesinde kullanılabilir.
MRS Ekstrüzyon Konsepti
MRS ekstrüder, kristalize edilmemiş polyester granülü ön kurutma gerektirmeden doğrudan işler. Bu süreçte, ekstrüzyon sırasında polimer yüzeyi defalarca artırılır ve sürekli yenilenir. Böylece uçucu maddelerin uzaklaştırılması için her zaman yeni bir yüzey sağlanır.
MRS ekstrüder, temelde özel bir gaz giderme (degassing) bölgesine sahip tek vidalı bir ekstrüderdir. Polimer eriyiği, büyük bir döner tek vidalı tambura beslenir (Şekil 6). Bu tambur içinde, dönme ekseni boyunca yerleştirilmiş sekiz adet silindirik delik ve bunların içinde konumlandırılmış besleme vidaları bulunur.
Bu vidalar bir halka dişli (ring gear) ile tahrik edilir ve ekstrüder tamburunun dönüş yönünün tersine doğru dönerler. Bu durum, eriyikte yüzey yenilenmesi etkisini önemli ölçüde artırır. Multi-Rotation System (MRS) tamburundaki kovanlar, dış bölgede yaklaşık %30 oranında açıktır. Bu sayede eriyik yüzeyine optimum erişim sağlanır ve gaz giderme işlemi engellenmeden gerçekleşir. Aynı zamanda, eriyikle temas eden tüm yüzeylerin sıcaklığı kolaylıkla kontrol edilebildiği için hedefe yönelik sıcaklık kontrolü de mümkündür.
Patentli çok millik yapı sayesinde, ekstrüzyon tamburu çok geniş bir polimer yüzeyi oluşturur ve yalnızca 20-40 mbar gibi orta seviyede bir vakum altında bile benzersiz bir gaz giderme performansı sağlar. Bu sayede, %1'e kadar nem içeren kurutulmamış flake veya granüller dahi ekstrüze edilebilir.
Bu gaz giderme teknolojisinin temel yapısı, sağlam ve kendini kanıtlamış tek vidalı ekstrüder prensibine dayanır. Çok millik bölümde, konsantrik olarak yerleştirilmiş sekiz adet tek vidalı ekstrüder bulunur. Bu yapı sayesinde, dar ve teğetsel boşluklar nedeniyle daha hassas olan alternatif çok millik sistemlerde görülen problemler ortadan kaldırılır.
MRS teknolojisinin diğer avantajları arasında polyesterin %100'e yakın nemden arındırılması ve oldukça stabil bir intrinsic viskozite (IV) elde edilmesi yer alır. Multi-rotation elemanı sayesinde gaz giderme için kullanılabilen yüzey alanı, piyasadaki standart ekstrüzyon sistemlerine kıyasla kat kat daha büyüktür. Örneğin, MRS teknolojisi ile oluşturulan eriyik yüzey alanı, birlikte dönen çift vidalı ekstrüderlere göre yaklaşık 25 kat daha fazladır.
Malzeme son derece hassas bir şekilde işlenir ve bu sayede nihai ürün özellikle sararma indeksi açısından çok yüksek kaliteye sahip olur. Diğer çok millik teknolojilerle karşılaştırıldığında MRS, kompakt ve sağlam yapısıyla öne çıkar. Döner vidalar ayrı yataklar üzerinde çalışır ve yapı olarak çok sayıda tek vidalı sistemden oluşan bir tamburu andırır.
Gaz giderme teknolojisi modüler bir tasarıma sahiptir ve yüksek verimliliği sayesinde farklı uygulama ihtiyaçlarına kolaylıkla uyarlanabilir. MRS modüllerinin uzunluğu ve konfigürasyonu değiştirilebilir.
Vakum bölgesinde viskozite artışı, farklı vakum seviyeleri ile kontrol edilebilir. Mutlak basıncın elde edilen viskozite üzerindeki etkisi oldukça büyüktür. Mutlak basınç azaldıkça, şekillendirme öncesinde eriyikte viskozite artışının belirgin şekilde yükseldiği görülür.
Hat İçi (Online) Viskozite Ölçümü
Eriyik basıncı ve sıcaklık sensörlerinin akıllıca entegre edilmesi sayesinde, akış ve geometri bilindiğinde bir sıvının akış direnci belirlenebilir ve buradan malzemenin dinamik viskozitesi hesaplanabilir. Bu değer, polimerin ortalama moleküler ağırlığının bir göstergesidir ve dolayısıyla elastikiyet ve uzama gibi mekanik özellikleri karakterize eder.
Eriyik viskozitesinin hat içinde ölçülmesi için VIS online viskozimetre geliştirilmiştir. Yüksek hassasiyetli ve basınca dayanıklı bir dişli pompa yardımıyla, polimer eriyiğinin küçük bir kısmı ana akıştan alınır. Bu akış, son derece hassas şekilde üretilmiş bir yarık kapilerden geçirilir. Bu sırada hem eriyik sıcaklığı hem de eriyik basıncı (iki farklı noktada) ölçülür. Dahili hesaplamalar sayesinde, online viskozimetre temsil edici kayma hızı ve buna karşılık gelen viskozite değerini belirler.
Eriyik kanalı, müşteri ihtiyaçlarına göre 0,5 ile 2 mm arasında tasarlanabilir. Sistem; pompa tahriki, pompa, basınç sensörü, sıcaklık sensörleri ve kontrol ünitesi ile birlikte komple olarak sunulur. Proses parametreleri, değerlendirme ve görüntüleme işlemleri kullanıcı dostu bir dokunmatik ekran üzerinden yapılabilir; ayrıca mevcut kontrol sistemlerine entegrasyon da mümkündür.
VIS online viskozimetre sayesinde, polyester işleme sırasında giriş koşullarındaki (özellikle nem) dalgalanmalara rağmen eriyik kalitesi çok dar toleranslar içinde tutulabilir. Basınç ve sıcaklık sensörleri ile viskozite belirlendikten sonra, gaz giderme bölgesindeki vakum seviyesi ayarlanarak nihai ürünün özellikleri (viskozite, moleküler ağırlık ve buna bağlı mekanik özellikler) sabit tutulur (Şekil 8).
Eriyik Filtrasyonu
Geri dönüştürülmüş malzemelerin işlenmesinde filtrasyon, kalite ve ekonomik verimlilik açısından kritik bir unsurdur. Gneuss Rotary Filtration System, tamamen otomatik çalışır, sabit basınç ve proses koşulları sağlar ve yüksek saflıkta, kaliteli bir eriyik elde edilmesini garanti eder.
Rotary Filtration System temel olarak üç ana bileşenden oluşur: giriş bloğu, çıkış bloğu ve aralarında yer alan döner filtre diski. Sızdırmazlık, son derece sert ve tamamen düz metal yüzeylerden oluşan metal-metal temaslı bir yapı ile sağlanır. Eriyikle temas eden tüm bileşenler tamamen kapalıdır, böylece oksijen gibi çevresel etkiler sistem dışı tutulur.
Filtre diskinde, eriyik kanalından geçen filtre elemanları konsantrik olarak yerleştirilmiştir. Plastik eriyik filtre yüzeyinden geçerken kir partikülleri burada tutulur ve diferansiyel basınç hafifçe artar. Kontrol sistemi bu basınç artışını algılar ve gerektiğinde filtre diskini yaklaşık 1° döndürür. Böylece kirlenmiş filtre yüzeyi sürekli olarak eriyik kanalından uzaklaştırılırken, temiz filtre yüzeyi devreye alınır; üstelik aktif filtre yüzeyi değişmeden kalır. Bu yöntem sayesinde filtrasyon sistemi sabit basınç ve stabil proses ile çalışır. Filtre üzerindeki basınç farkı (Δp) maksimum 2 bar seviyesindedir (Şekil 9).
Kirlenen filtre elemanları, eriyik kanalına tekrar girmeden hemen önce temizlenir. Bu işlem, yüksek basınçlı ardışık otomatik temizleme yöntemi ile gerçekleştirilir. Bunun için, filtre edilmiş eriyik sistemin çıkış kanalından alınarak hidrolik olarak çalışan bir hazneye aktarılır ve ardından yaklaşık 30-80 bar basınçla filtre diskine ters yönde püskürtülür. Böylece kir tabakası filtre elemanından ayrılarak giriş bloğuna geri gönderilir ve kontrollü şekilde uzaklaştırılır.
Her temizlik işleminde yalnızca küçük bir alan (filtre yüzeyinin yaklaşık %1'i) temizlenir, bu sayede her seferinde yüksek basınçlı etkili bir temizlik darbesi elde edilir.
Bu çalışma prensibi sayesinde filtre elemanları tamamen temizlenir ve filtre inceliğine bağlı olarak 400 defaya kadar tekrar kullanılabilir. Bu da hiçbir operatör müdahalesi gerektirmeden yaklaşık 1 aya kadar tam otomatik filtrasyon imkânı sağlar.
Endüstriyel Atık Geri Dönüşümü
Gneuss endüstriyel atık geri dönüşümünün önemli bir unsuru, MRS ekstrüder ile birleştirilen modüler sistem yapısıdır (Şekil 11).
Farklı bileşenlerin en iyi kombinasyonunu sağlayan çeşitli modüller, bu sistemde bir platform üzerinde bir araya getirilir. Beslenen malzemenin türüne ve ihtiyaç profiline bağlı olarak "parçalama", "yoğunlaştırma (kompaktlama)" ve "ekstrüzyon" bölümleri bir sistem halinde birleştirilir ve kullanıcı için en optimum çözüm elde edilir.
Ekstrüzyon sonrasında eriyik, kapasiteye bağlı olarak basit strand granülasyon, su altı strand granülasyon veya su altı granülasyon yöntemleriyle granül haline getirilebilir. Ayrıca, kenar fireleri, diğer öğütülmüş malzemeler, katkı maddeleri veya masterbatch ilavesi ile doğrudan film üretimi de mümkündür. Hem granülasyon sistemleri hem de komple film hatları "anahtar teslim" çözümler olarak sunulmaktadır.
Eriyikten elyaf üretimi (nonwoven, BCF, staple fiber vb.) söz konusu olduğunda, Gneuss uzun yıllardır alanında önde gelen sistem mühendisleri ile iş birliği yapmaktadır. Ayrıca, geri dönüşüm ekstrüzyon sistemlerinin mevcut elyaf üretim hatlarına sonradan entegre edilmesi de mümkün olan çözümler arasında yer almaktadır.
Modüler tasarımın avantajları oldukça açıktır: Her atık türü için ekstrüdere besleme açısından en uygun proses seçilir. MRS sistemi; nemi, spin yağlarını ve diğer uçucu bileşenleri uzaklaştırırken aynı zamanda katı kirleticileri de elimine eder. Sonraki filtrasyon aşamasında yaklaşık 10 μm seviyesine kadar temizlik sağlanır ve elde edilen eriyik, özellikleri bakımından neredeyse bakir (virgin) malzeme kalitesine ulaşır.