STUDII SI CERCETARI PRIVIND POSIBILITATEA UTILIZARII PULBERILOR DE TONER SI A COMPONENTELOR METALICE REZULTATE DIN DEZMEMBRAREA CARTUSELOR DE… [307212]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

STUDII SI CERCETARI PRIVIND POSIBILITATEA UTILIZARII PULBERILOR DE TONER SI A COMPONENTELOR METALICE REZULTATE DIN DEZMEMBRAREA CARTUSELOR DE IMPRIMANTA SI COPIATOR

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:

SL. Dr. Ing. IULIANA STAN

ABSOLVENT: [anonimizat]

2019

CUPRINS

INTRODUCERE……………………………………………………………………………..2

CAPITOLUL 1 – Stadiul actual al cercetărilor privind reutilizarea pulberilor de toner și a componentelor metalice rezultate din dezmembrarea cartuselor de imprimanta și copiator……………………………………………………………………………………………………………………..4

1.1. Reciclarea tonerului rezidual și a performanțelor sale electrochimice………………………………………………………………………………………………………….

CAPITOLUL 2 – Inocularea fontelor cenusii

CAPITOLUL 3 – Metoda de cercetare

CAPITOLUL 4 – Rezultate experimentale

CAPITOLUL 5 – Concluzii

BIBLIOGRAFIEIntroducere

Reciclarea este o descriere generică a diferitelor activități care:

[anonimizat]-[anonimizat];

valorifică, [anonimizat], care de regulă sunt în cantități mari în cazul producerii materialelor de bază ([anonimizat], aliajele neferoase) și care nu intră în categoria deșeurilor [1].

Reciclarea este mult mai mult decât o metodă de prelucrare a deșeurilor. Ea este o etapă importantă a fluxurilor de obținere a [anonimizat] (ca expresie a ratei de reciclare de exemplu) poate fi o măsură subtilă în aprecierea maturității activității economice. Reciclarea servește la ierarhizarea funcție de performanțe a pozițiilor pe care le ocupă tehnologiile specifice producerii acelorași produse. [anonimizat].

Materialul reciclat (conform ISO 14021), este acel material care poate fi reprocesat din materiale recuperabile (regenerabile) [anonimizat]-un component care urmează a [anonimizat]. Reciclabilitatea este considerată o proprietate intrinsecă a materialelor.

Subprodusele industriale nu sunt deșeuri. Totodată, trebuie să se facă distincție între materiile prime secundare (care nu sunt deșeuri) care sunt obținute din deșeuri și subprodusele care niciodată nu pot fi încadrate în categoria deșeurilor.

Subprodusul este o substanță sau un material care este generat continuu în paralel cu procesul principal de producție sau într-o etapă a acestuia și ale cărui caracteristici fizice și chimice pot fi intenționat modificate și controlate prin operații și/[anonimizat] (fie într-o secvență de proces special introdusă) care să-i [anonimizat] a fi utilizat ([anonimizat]): [anonimizat]-o etapă a fluxului de producție propriu; de un utilizator extern.

Doar dacă subprodusele nu sunt valorificate/reciclate ci sunt evacuate și depozitate necontrolat în mediu, ele devin deșeuri.

Dezvoltarea industriei în general, și a industriei metalurgice în particular, este condiționată de rezolvarea problemelor majore care decurg din relația industrie-natură, strict direcționate pe protejarea resurselor naturale, energetice și controlul poluării. Preocupările urmărite în strategiile de dezvoltare a diferitelor sectoare industriale se înscriu în două direcții:

– dezvoltarea tehnologiilor performante în care se reduc substanțial emisiile;

– creșterea randamentelor de recuperare și reciclare a subproduselor până la valori apropiate de 100%.

Preocuparea față de respectarea cerințelor legislative privind protecția mediului și necesitatea armonizării proceselor cu cerințele progresului economic, gestionării raționale a resurselor materiale și energetice, trebuie să conducă la valorificarea deșeurilor prin tehnologii care să ofere atât din punct de vedere economic cât și ecologic, soluția optimă. Este necesar să fie promovate tehnologii care să asigure:

– gestionarea riguroasă a deșeurilor;

– depozitarea controlată a tuturor categoriilor de deșeuri;

– reducerea la sursă a cantității și nocivității deșeurilor produse;

– reciclarea cât mai avansată a deșeurilor rezultate prin reintroducerea lor în diverse etape ale fluxului tehnologic, asigurându-se astfel protejarea resurselor naturale de materii prime;

– creșterea gradului de utilizare a deșeurilor prin transformarea lor în materii prime pentru alte industrii.

CAPITOLUL 1. Stadiul actual al cercetărilor privind reutilizarea pulberilor de toner și a componentelor metalice rezultate din dezmembrarea cartuselor de imprimanta și copiator

Reciclarea tonerului rezidual și a performanțelor sale electrochimice

Reutilizarea tonerului si a cartuselor uzate au avut un impact pozitiv asupra mediului inconjurator si pentru protectia si reciclarea resurselor.

În studiul prezentat, Fe3O4 a fost obținut din tonerul rezidual prin intermediul separararii magnetice și a tratamentelor termice. Pe baza performanțelor electrochimice obtinute, a fost recuperat Fe3O4, din deșeurile de toner, fiind o alternativă potențială ca material de electrod pentru supercapacitor.

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei informației și a automatizării in birouri, a copiatoarelor electrostatice, imprimantele laser, faxurile și alte dispozitive au devenit un instrument important de informare și, astfel, cererea de cartușe a crescut. [2]

Conform statisticilor în 2005, cantitatea de cartușe de toner rezidual era de 20,24 milioane; și în 2010 ajunge la numărul de 75 milioane cartușe aruncate. Dacă masa de toner rezidual abandonat într-o imprimare a fost estimata la 10 g, volumul total al acestor cartușe va fi mai mare de 750 000 m3 iar cantitatea de toner residual va ajunge la 7500t.

Dacă tonerul rezidual nu este manipulat corect și ar fi aruncat direct in depozitul de deșeuri, nu va polua doar locul în care ar fi depozitat, ci va polua întreg mediul înconjurător (sol, apă și aerul), ajungând a fi dăunător .

Componentele principalele ale cartușelor de imprimare dezasamblate sunt: plastic, metal toner rezidual, etc. Componenta Fe3O4 magnetic al tonerului este de aproximativ 25% , care are o mare valoare de reciclare.

Pentru a extrage Fe3O4 din tonerul rezidual s-a procedat în felul următor: în primul rând, cartușul de imprimanta recuperat a fost demontat, iar tonerul rezidual a fost scos. În urma demontării s-au obținut 3 g toner,peste care a fost turnat 50 ml etanol (concentrație 95%) într-un pahar mic. Apoi, paharul a fost plasat pe un magnet puternic și soluția a fost agitată cu o tijă de sticlă. O parte din pulberea din soluție se depune pe fundul paharului sub influenta câmpului magnetic iar altă parte din pulbere plutea în soluție. Astfel de procese de separare magnetică au fost efectuate în mod repetat.

După aceea, 15 ml de acetat de butil a fost adăugat în paharul de laborator și

agitat timp de 1 h, soluția a fost spălată de două ori cu etanol și plasată într-un cuptor la 80 ° C timp de 10 ore.

În cele din urmă, pulberea a fost scoasă și încălzită într-un cuptor de tratament termic la T= 600 ° C, timp de 1 h în atmosferă de protecție, cu o viteză de încălzire de 10 ° / min.

Pentru testele electrochimice, măsurătorile au fost efectuate într-un sistem electrod auto-fabricat. Electrozii de lucru s-au fabricat prin prepararea Fe3O4 cu 10% agent conductor (negru de acetilenă) și 10% PVDF (poli-viniliden fluorură) latex ca liant.

Amestecul de mai sus a fost încorporat într-o plasă de nichel din spumă de 1 cm2, ulterior plasa a fost uscată în aer la T= 120 ° C timp de 2 ore pentru a îndepărta solventul și în cele din urmă a fost presată sub greutatea de 10 MPa pentru a se menține bine aderența dintre materialul electrodului și colectorul de curent al rețelei de nichel.

La sistemul cu trei electrozi, carbonul și Ag / AgCl au fost considerate drept electrozi, 0,1 M Na2S04 a fost utilizat ca electrolit pentru a studia comportamentul capacitiv al electrozilor preparați.

Studiile de voltametrie ciclice (CV) s-au efectuat într-un interval de potențial de -0,25 ~ 0,75 V față de Ag / AgCl la o rată de scanare diferită pe stația de lucru electrochimică CHI (Chenghua, Shanghai China).

Încercarea de încărcare galvanostatică a sarcinii a fost efectuată la diferite densități de curent între -0,25 V la 0,75 V Ag / AgCl, folosind echipamente controlate de calculator.

1.2. Tehnica analiticã XRD, are o foarte mare aplicabilitate pentru determinãri calitative dar si cantitative pentru caracterizarea cristalinã a probelor cele mai diverse.

Sisteme ideale atât pentru laboratoarele din cercetare cât si pentru cele din controlul calitatii.

Sunt folosite pentru  identificarea si cuantificarea fazei cristaline, masuratori cantitative a solutiilor solide, analiza structurilor cristaline, determinarea procentului de cristalinitate, analiza filmelor subtiri, orientarea fibrelor si polimerilor etc

Se pot realiza masuratori în transmisie sau în reflexie în moduri (XRD 6000 si HPD 6000) si (XRD 7000)

Difractometrele XRD 6000 și XRD 7000 dispun de un sistem Bragg-Bretano optimizat pentru analiza materialelor policristaline. Difractometrul HPD 6000 este noul difractometru de raze X ce folosete un sistem de fascicule paralele de mare putere realizat cu opticã policapilara din XOS. Aceastã opticã policapilarã si cu monocromatorul genereaza un fascicul de raze X de mare putere

Generatorul de raze X are o putere maximã de 3 kW cu o gama foarte larga de tuburi de raze X

Dispun de un monocromator suplimentar pentru masuratori de mare sensibilitate,

Difractometrele se controleaza cu ajutorul computerului prin softul specific.

Modelul XRD difractometria de raze X  al tonerului original și al tonerului tratat termic sunt prezentate în figura1.

În figura 1, modelul din tonerul curat prezintă vârfuri de difracție de Fe3O4 și alte impurități la temperaturi cuprinse între 32 ° – 47 °, care implică faptul că principalele faze ale tonerului curat sunt Fe3O4, non-cristaline și unele impurități. După separarea magnetică și tratamentul termic, pot fi observate numai vârfuri de difracție de Fe3O4.

Fig.1 Profilul de difracție a razelor X al tonerului original și a tonerului tratat termic.[2]

În figura 2, este prezentată imaginea fizică a tonerului original și a tonerului tratat termic.In figura 2a se poate vedea imaginea fizică a toneruluioriginal rezultat din dezmembrarea tonerului, iar în figura 2b este reprezentată imaginea de toner tratat termic, diferenta intre cele două fiind de culoare și anume în cazul tonerului tratat aceasta nu este atât de întunecata ca cea a tonerul netratat. Tonerul original figura 2a, are câteva substanțe strălucitoare, care ar putea fi impurități. Astfel de impurităși nu se regăsesc în figura 2b; masa de toner după tratarea termică a fost de numai 1/3 din tonerul original.

Fig.2 Imaginea fizică a tonerului

a) original; b) tonerului tratat termic.[2]

În figura 3-4, sunt prezentate profilurile de voltametrie ciclică ale tonerului tratat termic în soluție de Na2SO4 0,1 M în intervalul -0,25 ~ 0,75 V, la rate de scanare diferite de 5, 10, 20, 30, 50, 100 mV/s. Formele tuturor curbelor voltametrice, demonstrează imagini in oglindă aproximativ rectangulare, care sunt caracteristici de capacitate comportamentala. Se poate vedea din figura 3, creșterea ratelor de scanare de la 5 mV / s la 100 mV / s, toate curbele păstrează forme rectangulare, ceea ce înseamnă că electrodul de Fe3O4 are bune răspunsuri capacitive.

Fig.3. Voltamograme ciclice ale diferitelor rate de scanare [2]

Fig.4. Măsurători ale descărcării de sarcină galvanostatică [2]

Fe3O4 a fost obținut din toner rezidual prin separare magnetică și tratament termic la temperaturi ridicate. Metoda este simplă și rapidă, cu beneficii economice și de mediu. Fe3O4 recuperat a fost măsurat ca material de electrod pentru supercapacitor prin voltammetrie ciclică, încărcare de curent constant și descărcare, în soluție de Na2S04 0,1 M ca electrolit.

Rezultatele arată că electrodul de Fe3O4 are caracteristici capacitive regulate și stabilitate favorabilă ciclului. Sub 50 mA / g, capacitatea specifică a electrodului Fe3O4 a atins 76,5 F / g, ceea ce a demonstrat ca Fe3O4 ar putea fi un material potențial activ pentru utilizarea în supercapacitor. [2]

Cantitatea de Fe3O4 se poate determina cu ajutorul relației 1:

(1)

unde: C, I ,Δt, ΔV și w indică capacitatea specifică, curentul galvanostatic, timpul de descărcare a sarcinii, fereastra potențială de decuplare și masa materialului activ. Prin calcularea cu ecuația (1), capacitatea specifică a Fe3O4 atinge 76,5 F / g sub 50 mA / g densitate de curent, ceea ce indică faptul că Fe3O4 are performanțe electrochimice favorabile și este adecvat pentru utilizare în supercapacitor.

1.3. Impactul reutilizarii si reciclarii cartuselor de imprimanta asupra mediului inconjurator

Calitatea și fiabilitatea determină dacă reutilizarea sau reciclarea este preferabilă din punct de vedere ecologic pentru cartușele de imprimare. [3]

Remanufacturarea este întotdeauna cea mai durabilă soluție în cazul cartușelor de toner și a celor cu jet de cerneală. Cu toate acestea, evaluările ciclului de viață ale cartușelor de imprimate remanufacturate care nu sunt originale ale producătorului de echipamente -OEM, demonstrează că problemele legate de calitatea imprimării, fiabilitatea și practicile de gestionare a sfârșitului de viață compensează beneficiile acumulate prin reutilizare. Prin urmare, calitatea superioară a imprimării și fiabilitatea, combinate cu reciclarea materialelor, pot oferi cele mai bune rezultate de mediu pentru cartușele de imprimante.

În studiul realizat se descriu costurile de mediu și beneficiile reutilizării în raport cu reciclarea cartușelor de toner și cu jet de cerneală pe întreaga durată a ciclului de viață al produsului, utilizând date din evaluările ciclului de viață.

Principalele concluzii sunt:

Calitatea și fiabilitatea cartușelor de imprimare sunt factorii cei mai importanți care determină impactul asupra mediului înconjurător al ciclului de viață, deoarece calitatea scăzută a imprimării va crește consumul de hârtie.

O bună politică publică de mediu pentru imprimante și cartușe ia în considerare toate fazele ciclului de viață în abordarea provocărilor interconectate generate de deșeuri, emisiile de carbon și epuizarea resurselor naturale.

Producătorii de reparații și producătorii de clone ar trebui să fie responsabili pentru preluarea și tratarea în condiții de mediu a cartușelor lor la sfârșitul vieții. Având în vedere includerea cartușelor de tipărire în domeniul de aplicare al noii Directive privind echipamentele electrice și electronice pentru deșeuri (DEEE), producătorii de reparații trebuie să respecte în prezent cerințele directivei, inclusiv preluarea, tratarea adecvată și realizarea ratelor de recuperare.

Pentru a evita impactul negativ al cartușelor cu toner și cartușe cu jet de cerneală, este necesar să se examineze mai întâi ierarhia rezultatelor finale de procesare la sfârșitul ciclului de viață. În partea de jos a ierarhiei este eliminarea depozitului de deșeuri, opțiunea cea mai puțin de dorit. În partea de sus este reducere, care oferă cel mai mare beneficiu de sustenabilitate, dar următoarele opțiuni cele mai benefice sunt reutilizarea și reciclarea.

Depozitul de deșeuri sau incinerarea, așa cum se întâmplă într-un scenariu tipic de gestionare a deșeurilor solide municipale, este cel mai puțin de dorit rezultat, mărind amprenta de mediu a unui produs prin eliberarea de emisii suplimentare de carbon. Aceste procese sporesc, de asemenea, dependența industriei de noile materii prime din cauza pierderii de materii prime potențial utilizabile după consum. Majoritatea producătorilor de echipamente originale aplică o practică "zero pentru depozitele de deșeuri" pentru toate cartușele.

Conversia deșeurilor in energie este o formă de recuperare în care energia generată de incinerare este captată și folosită.

Reciclarea materialelor este de dorit dintr-o perspectivă durabilă deoarece reduce reziduurile prin transformarea produselor uzate în materii prime noi sau materii prime reciclate și astfel ajută la atenuarea epuizării materiilor prime virgine. Materialele reciclate sunt apoi utilizate în producția aceluiași produs ("buclă închisă"), în aplicații de producție care păstrează valoarea materialelor originale sau scad valoarea.

Reducerea cantității de resurse utilizate în ciclul de viață al produsului prin reevaluarea designului produsului este cea mai benefică opțiune din punctul de vedere al ierarhiei deșeurilor, dar odată ce un produs care utilizează cartușe este introdus pe piață, cele mai optime rezultate pentru un cartuș la sfârșitul duratei de viață sunt reciclarea sau reutilizarea materialelor.

Principiul reutilizării poate fi aplicat și pe utilizarea energiei și a hârtiei de către echipament, iar acestea pot fi minimizate prin reducerea tipăririi inutile. Spre deosebire de unele argumente comune, beneficiul de mediu al reciclării materialelor plastice, a metalelor și a altor materiale din cartușe înapoi în fluxul de materiale industriale poate depăși emisiile suplimentare de transport și energie implicate în procesul de reciclare.

De exemplu, reciclarea plasticului polietilenic de înaltă densitate față de depozitul de deșeuri poate reduce emisiile totale de carbon ale acestui material cu 30% sau mai mult. Ca o recunoaștere a acestui avantaj de durabilitate, majoritatea producătorilor de echipamente originale oferă o preluare gratuită a cartușelor și reciclare, deturnarea a milioane de cartușe din depozitele de deșeuri și reciclarea responsabilă a zecilor de milioane de kilograme de cartușe de cerneală și de cartușe de toner anual.

Analiza ciclului de viață a produsului –LCA, trebuie să fie utilizata pentru a evalua performanța de mediu a cartușelor reciclate și recondiționate

Amprenta de carbon pentru fabricarea și distribuirea unui cartuș tipic de toner HP este de aproximativ 0,2 kg CO2e. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, luați în considerare un hamburger simplu din lanțul de fast-food suedez "Max Burger". Max Burger afirmă că amprenta de carbon a unuia dintre hamburgerii lor simpli este de 0,8 kg CO2e, aproape de patru ori mai mare decât cea a cartușului de toner. Dacă includeți hârtia și energia electrică asociată cu utilizarea respectivului cartuș, precum și reciclarea cartușului, amprenta ciclului de viață al cartușului este de 0,85 kg CO2e, cu doar 6% mai mult decât un Max Burger.

Mai mulți producători de echipamente originale au folosit LCA pentru a compara cartușele originale de tipărire cu alte alternative refăcute și refăcute OEM. Rezultatele arată că originalele au o amprentă redusă de carbon și un impact global asupra mediului în general.

De exemplu, un studiu LCA al unui cartuș de toner HP comandat de HP și efectuat de Four Elements Consulting demonstrează că cartușele recondiționate non-OEM au o amprentă de carbon de 42% mai mare decât cartușul original OEM.

Fig.5. Ciclul de amprentă de carbon pe ciclul de viață al OEM față de cartușul de toner reprelucrat non-OEM [3]

1.4. Amprenta de carbon pe ciclul de viață pentru cartuș de toner OEM și non-OEM refăcut

Studiul evidențiază importanța fazei de utilizare a cartușului deoarece contribuie semnificativ la impactul global asupra mediului. Acest rezultat poate surprinde, însă faza de utilizare trebuie luată în considerare atunci când se compară cartușele originale- OEM cu cartușele reciclate, deoarece cartușele recondiționate non-OEM nu au o calitate consistentă a imprimării.

Imprimările de calitate redusă din cartușele recondiționate conduc la pierderi de hârtie și energie. În schimb, fiabilitatea consecventă și calitatea superioară a cartușelor de toner OEM înseamnă mai puține repetări și mai puține pierderi.

Acesta este motivul pentru care OEM-urile investesc foarte mult în cercetare și dezvoltare pentru a asigura că fiecare cartuș oferă cel mai înalt nivel de calitate și fiabilitate posibile.

În cele din urmă, producătorii de echipamente originale oferă opțiuni de returnare gratuită și ușoară pentru produsele lor în multe dintre țările în care sunt vândute, în timp ce majoritatea remanufacturătorilor non-OEM chestionați într-un studiu nu au reușit să colecteze produse proprii.

Impactul cartușelor de imprimare trebuie luat in considerare pe tot parcursul ciclului de viață.

Producătorii originali își proiectează cartușele pentru a-și îmbunătăți performanțele de mediu pe toată durata ciclului de viață al produsului, aceștia fac acest lucru prin maximizarea recuperării materialelor în timpul proiectării și la sfârșitul duratei de viață și prin reducerea la minimum a deșeurilor din cauza problemelor legate de calitatea și fiabilitatea imprimării în timpul utilizării. [3]

Deși refacerea unui cartuș evită cele mai multe dintre impacturile ecologice ale construirii unuia nou, această economie poate fi mai mult decât compensată de calitatea și fiabilitatea imprimării mai scăzute și de practicile inadecvate ale finalului ciclului de utilizare.

1.5. Reducerea impactul general asupra mediului înconjurător încă din faza de proiectare

Companiile reprezentate de EuroVAprint lucrează la modelele de afaceri circulare descrise de Fundația Ellen MacArthur într-o lucrare din 2016 intitulată "Deblocarea Potențialului Economic Circular", inclusiv studiile de caz, precum și un document din august 2013: "Către Economia circulara".[3]

Economia circulară se referă la o economie industrială care elimină deșeurile printr-un design atent. O modalitate prin care OEM elimina deșeurile este utilizarea de plastic reciclat. De exemplu, cartușele de cerneală HP conțin până la 70% conținut reciclat și cartușe de toner de până la 20%.

Cartușele de toner Lexmark oferă un alt exemplu. Cartușele de cartuș de toner Lexmark conțin o medie de 18% din conținutul de plastic reciclat după consumare (PCR), unele modele utilizând mai mult de 25%.

Utilizarea de plastic reciclat din cerneala veche și cartușele de toner desenează ciclul economic circular chiar mai strict decât utilizarea plasticului multi-sursă. Acest material plastic este denumit "buclă închisă" și reprezintă o inovație inginereasca semnificativă, având în vedere cerințele tehnice stricte ale aplicației pentru cartușe și are ca rezultat o utilizare eficientă și circulară a materialelor care diminuează impactul asupra mediului.

Evaluarea ciclului de viață din 2014 demonstrează că materialele din plastic reciclat în buclă închisă utilizat de un OEM are o amprentă de carbon de până la 33% mai mică decât cea a plasticului virgin, reduce consumul de combustibil fosil cu 54% și consumul de apă cu 75%.

În cele din urmă, o economie circulară solicită și un model de "serviciu funcțional" în care producătorul își păstrează proprietatea asupra produselor sale și acționează ca furnizor de servicii – vânzând utilizarea produselor, nu consumul lor unic.

OEM-urile sunt active și în acest domeniu, oferind clienților servicii de imprimare gestionate. Cu serviciile de imprimare gestionate, furnizorul deține echipamentul și cartușele și taxează utilizatorul pe pagină imprimată. Acest aranjament asigură faptul că clientul are o cantitate adecvată de imprimante eficiente din punct de vedere energetic și că imprimantele și cartușele sunt gestionate corespunzător la sfârșitul utilizării lor.

Calitatea și fiabilitatea imprimării determină impactul asupra mediului a unui cartus de imprimanta, conducând la calitatea imprimării, fapt care conduce la economia de hârtie.

Fiabilitatea și calitatea cartușelor cu toner și a cartușelor cu jet de cerneală au consecințe semnificative asupra mediului. Aratându-se astfel în peste 100 de studii de evaluare a ciclului de viață ale OEM, că hârtia are cel mai mare impact asupra mediului pe parcursul ciclului de viață al unui sistem de tipărire.

Privind într-un alt mod, se consumă mult mai multă energie, producând și distribuind o singură foaie de hârtie decât se imprimă pe ea.

Producția unei singure coli de hârtie consumă aproximativ 17 Wh, ceea ce reprezintă aproximativ de 50 ori mai mare decât cantitatea de energie necesară imprimării unei singure pagini. În figura 6 este reprezentată calitatea superioară și consecvența imprimării, randamentul fiabil al paginilor și fiabilitatea generală sunt criterii cheie în amprenta de carbon a cartușului de toner, deoarece imprimările consecvente înseamnă o hârtie mai puțin pierdută și nevoia de mai puține cartușe.

Fig. 6. Calitatea imprimarii: HP vs Remanufacturat [3]

OEM furnizează rezultatele pe care le așteaptă utilizatorii de la imprimare. Potrivit unui studiu de fiabilitate al cartușului de toner etichetat 2016 HP realizat de SpencerLab, 95% din paginile tipărite cu cartușe HP originale au obținut cel mai înalt nivel al calității de imprimare, comparativ cu o medie de doar 39% pentru cartușele non-OEM, ghosting "sau decolorare.

Paginile cu probleme legate de calitatea tipăririi, care nu pot fi utilizate pentru scopul dorit, trebuie reprintate, ceea ce duce la pierderea tonerului sau a cernelei precum și a hârtiei. În comparație cu un cartuș original de toner HP, cartușele de toner remanufacturate pot duce la utilizarea unei cantități de până la 27 de ori mai mare decât cantitatea de hârtie pentru reimprimare datorită calității inconsecvente a imprimării, acest fapt se traduce astfel: reabilitarea buna a cartușului evită înlocuirea prematură a acestuia.

În cele din urmă, studiile arată că cartușele OEM originale de la HP au o fiabilitate semnificativ mai bună decât consumabilele non-OEM. Cartușele HP au prezentat o fiabilitate de 100%; în schimb, unul din patru cartușe de toner non-OEM și mai mult de 40% din cartușele de cerneală non-OEM au prezentat probleme de fiabilitate sau care nu funcționează prematur în timpul utilizării.

Aceste probleme de fiabilitate risipesc energia și materialele puse în procesarea și distribuirea cartușelor. În plus, o medie de 48% din cartușele de toner rămân testate producând imprimări de calitate scăzută, ceea ce înseamnă că un total de 73% din cartușele testate ar fi trebuit să fie înlocuite imediat sau la scurt timp după cumpărare.

Această situație este confirmată de cei aflați în contact strâns cu imprimantele; un studiu recent al tehnicienilor de imprimantă EMEA constată că utilizarea de consumabile de toner non-OEM în imprimantele OEM de la HP poate deteriora imprimanta.

Unul din trei tehnicieni intervievați au declarat că înlocuiesc kiturile de întreținere și alte părți ale imprimantelor HP studiate cel puțin de două ori mai frecvent când se utilizează cartușe de toner non-OEM. Patru din cinci au declarat că utilizarea cartușelor non-OEM în imprimantele OEM scurtează durata de viață a acestora, din cauza unor probleme cum ar fi pierderi de toner, defecțiuni ale mecanismelor imprimantei, toner lipit de unitatea de siguranță, murdărie și praf din imprimantă.

Repararea și înlocuirea imprimantelor deteriorate de cartușele defecte va avea un impact negativ asupra mediului înconjurător, deoarece vor fi utilizate și alte materiale pentru a construi componentele și imprimantele.

În ciuda faptului că energia consumată în fabricarea hârtiei este mai mare decât cea consumată de hardware în timpul utilizării, consumul de energie al dispozitivului a devenit punctul central al etichetelor ecologice ale produselor, în special Energy Star.

Beneficiul ecologic al selectării unui produs pe baza eficienței sale energetice va fi subminat dacă utilizarea cartușelor nesigure va duce la reutilizarea mai intensă a produsului.

Conform unui studiu din 2016, câțiva producători remanufacturieri intervievați colectează propriile produse, întrucât producătorii de echipamente originale oferă colectarea gratuită de cartușe și reciclarea și reutilizarea în multe dintre țările în care sunt vândute bunurile.

OEM-urile se asigură că cartușele returnate sunt reciclate în conformitate cu procesele certificate ISO 14001 și 9001, precum și cu directiva WEEE. Aceasta înseamnă că OEM-urile cartușelor colectate nu sunt eliminate în depozitele de deșeuri și că plasticul recuperat în acest proces este utilizat pentru fabricarea cartușelor OEM originale cu aceeași calitate și fiabilitate, precum și alte produse.

În schimb, studiul 2016 Infotrends afirmă că 25% din cerneală și 17% cartușe de toner colectate de remanufacturări terțe părți au fost inutilizabile pentru remanufacturare. Dintre acestea, 16% din cerneală și 13% din cartușele de toner se deplasează la depozitul de deșeuri, deoarece mulți producători de reparații nu au un proces de reciclare.

Firmele care se ocupă de reparații ar trebui să fie responsabile pentru colectarea liberă a cartușelor la sfârșitul duratei lor de viață, având în vedere includerea cartușelor de tipărire în domeniul de aplicare al noii directive privind DEEE. Aceste firme ar trebui să respecte cerințele directivei DEEE, inclusiv preluarea, tratarea adecvată și realizarea ratelor de recuperare stabilite.

Din reciclarea propriu-zisă rezultă doua tipuri de materiale: cele destinate valorificării/reutilizării și cele destinate eliminării.În urma reciclării deșeurilor provenite de la echipamente electrice și electronice rezulă urmatoarele materiale :

1. Fontă și oțel 48%

2. Aluminiu 5%

3. Cupru 7%

4. Material plastic inflamabil 15%

5. Material plastic neinflamabil 5%

6. Sticlă 5%

7. Cauciuc 1%

8. Circuite imprimate (PCB) 3%

9. Ceramice și sinterizate 2%

10. Lemn și placaj 3%

11. Alte metale (neferoase) 1%

12. Altele 5%

Fig. 7. Structura materialelor și componentelor rezultate din DEEE

Cu toate acestea, în Marea Britanie, cei mai mulți operatori de reparații, funcționează în conformitate cu scutirea T16, care le permite să stocheze și să prelucreze până la 150 de tone de cartușe în același timp, fără a trebui să funcționeze la standardele mai costisitoare cerute de ATF și AATF OEM.

Furnizorii de echipamente originale furnizează informații clare și precise despre produs.

Atunci când un cartuș este introdus pentru prima dată pe piață, este necesar să se transmită mărci care să ofere asigurării clienților că îndeplinește standardele ecologice și chimice obligatorii. De asemenea, producătorii de echipamente originale publică declarații privind fișele cu date privind conformitatea cu ROHS și REACH și cu fișele tehnice de securitate a materialelor. Cu toate acestea, aceste informații se aplică numai cartușului în starea inițială.

O bună politică de mediu pentru imprimante și cartușe ia în considerare toate fazele ciclului de viață.

Utilizând date din evaluările ciclului de viață al produsului, această lucrare a demonstrat că, pentru a aborda eficient provocările actuale de sustenabilitate, politica de mediu a produselor pentru cartușele cu toner și cu jet de cerneală trebuie să ia în considerare o gamă largă de atribute ale produselor și impactul ciclului de viață, dincolo de beneficiile potențiale ale reutilizării materialelor .

Principalele concluzii ale studiilor efectuate sunt:

Calitatea și fiabilitatea cartușelor de imprimare, precum și modul în care sunt gestionate la finalul duratei de viață sunt cei mai importanți factori care determină impactul global al ciclului de viață, deoarece problemele legate de calitatea imprimării vor crește consumul de hârtie.

Evaluările ciclului de viață arată că cartușele de imprimare remanufacturate și reumplute de la terțe părți nu sunt preferabile din punct de vedere ecologic față de cartușele OEM originale.

Având în vedere aceste concluzii, OEM-urile recomandă să se aibă în vedere următoarele aspecte în ceea ce privește viitoarele reglementări sau standarde viitoare:

Politica publică nu ar trebui să sublinieze numai refacerea și reumplerea cartușelor de imprimare non-OEM, ci și factorii de calitate, fiabilitate și sfârșitul duratei de viață a produsului final.

O bună politică publică de mediu pentru imprimante și cartușe ia în considerare etapele ciclui de viață în abordarea provocărilor interconectate generate de deșeurile de deșeuri, emisiile de carbon și epuizarea resurselor naturale.

Producătorii ar trebui să fie responsabili pentru preluarea gratuită a cartușelor lor la sfârșitul duratei lor de viață și pentru asigurarea aceluiași nivel de date privind conținutul materialului și standardele de mediu ca și producătorii de echipamente originale (OEM).

Respectarea acestor recomandări va contribui la îmbunătățirea impactului cartușelor de imprimare asupra mediului, asigurând în același timp o concurență loială pe piața consumabilelor de imprimare.

1.6. Reciclarea deșeurilor de toner

Cantități mari de cartușe de toner rezidual au fost generate ca o consecință a utilizării lor în imprimante și duplicatoare .

Deșeurile de cartușe de toner conțin metale grele, materiale plastice, precum și materiale toxice, reziduale care au fost caracterizate ca deșeuri periculoase. De aceea gestionarea conținutului de cartușe de toner rezidual prezintă o problemă semnificativă în protecția mediului. Utilizarea substanțelor periculoase în echipamentele electrice și electronice, precum și promovarea colectării, reciclarea și valorificarea pentru toate tipurile de bunuri electrice a fost prevăzută în special de legislația UE Directiva DEEE și, împreună cu Directiva ROHS, a intrat în vigoare din februarie 2003. [4]

Pentru a fi în concordanță cu Directiva DEEE, un sistem de gestionare a deșeurilor electrice și electronice a fost înființat în Republica Croația acum cinci ani, dar nu a existat nici o posibilitate practică pentru tratarea cartușelor de toner rezidual colectat. În aceast scop a fost efectuat un studiu al posibilității de utilizare a cartușelor de toner rezidual și reciclarea sau reutilizarea ulterioară, cu accent special pe reutilizarea pulberii de toner rezidual.

În fiecare an, o cantitate extraordinară de toner este produsă și utilizată la nivel mondial în copiatoare și imprimante. Spenttoner este rezidul rămas în cartușe, în copiatoare și imprimante (Hansen et al., 2000).

Legislația UE prescrie utilizarea substanțelor periculoase în echipamentele electrice și electronice, precum și încurajarea colectării, reciclării și recuperării tuturor tipurilor de produse electrice prin intermediul DEEE și Directiva ROHS. Țările membre cu drepturi depline UE, au preluat și adoptat legislația UE privind gestionarea echipamentelor electrice și electronice în conformitate cu Directiva DEEE care fost pusa în practică în ultimii cinci ani. Aproximativ 10% din pulberea de toner rămâne în fotocopiatoare, dintre care 66% este disponibil pentru recuperare. Pulberea de toner rezidual are o dimensiune diferită a particulelor comparativ cu tonerul original și este contaminată cu praf absorbit din hârtie.

În plus, pulberea de toner rezidual în cartușele conține mai multe componente și unele dintre ele au fost găsite a fi de toxicitate ridicată pentru oameni dacă au fost inhalate, datorită dimensiunilor mici. Acești compuși includ negru de fum (copolimer de poliacrilat stiren), rășini (polietilenă/polipropilenă parafină) și agenți de control al încărcării (acid hidroxilamatoactiv și derivați). În plus, multe tonere din carton conțin hidrocarburi aromatice policiclice și amină dimetil nitrat (ambele sunt substanțe cancerigene) ca materiale imagistice.

Prin urmare, recuperarea prafului de toner rezidual este un subiect vital, nu numai din cauza regulilor prescrise de lege, ci și din punct de vedere al reutilizării resurselor și protecției mediului.

Întrucât nu a existat nici o modalitate mai bună de a utiliza pulberea de toner rezidual de la copiatoare și cartușe de imprimare, materialul a fost depozitat în depozitele de deșeuri în trecut.

Depozitarea și incinerarea nu sunt adecvate pentru manipularea pulberii de toner reziduale, deoarece poate produce furan și dioxine. Depozitarea pulberii de toner reziduale în depozitele de deșeuri poate polua mediul datorită scurgerilor. Incinerarea pulberii de toner rezidual, pe de altă parte, nu este o soluție de tratament rafinată datorită compoziției compușilor organici macromoleculari. În plus, datorită dimensiunii reduse a particulelor, tonerul din aer poate prezenta un pericol de explozie. Cartușele de toner uzate, pe lângă praful de toner, conțin materiale valoroase, cum ar fi aluminiu și plastic. Bitumul este un lichid termoplastic și la o temperatură ridicată sau o încărcare scăzută se comportă ca un lichid vâscos. Această dihotomie clasică creează necesitatea îmbunătățirii performanței sale ca liant de asfalt pentru a minimiza fisurarea de tensiune care are loc la temperaturi scăzute și deformarea plastică la temperaturi ridicate. Pentru a crește durabilitatea bitumului, trebuie modificat. De asemenea, este bine cunoscut faptul că asfaltul modificat din polimer are proprietatea superioară, cum ar fi proprietatea rezistentă la fluiditate, rezistent la abraziune și drenare, ca liant în pavaj. Producția de asfalt modificat crește în fiecare an și, de exemplu, în Japonia, depășește 430.000 t. Adăugarea oricărei componente non-bituminoase la un amestec bituminos de pavaj cauzează modificări fizice și chimice ale proprietăților componentelor materiale originale. Compatibilitatea chimică a componentelor are cea mai importantă si influență asupra calității amestecului rezultat. Datorită creșterii necesității unei gestionări periodice a cartușelor de toner rezidual în lume, au fost făcute o estimari a cantităților anuale de cartușe colectate și refolosite, pe baza datelor solicitate de producător și deținător. Cantitatea colectată de cartușe de toner rezidual va depăși 75 t / an. Această sumă include cartușele de deșeuri care au fost introduse sau utilizate în următoarele echipamente: imprimante, faxuri, multifuncționale și alte articole. Scopul acestei lucrări a fost găsirea unei soluții de reciclare a pulberii de toner reziduale provenite din cartușe de deșeuri, deoarece pulberea a fost recunoscută ca deșeu periculos și nu poate fi depozitată pe depozitele de deșeuri sanitare. Prin urmare, a fost studiată adăugarea de pulbere de toner în bitum, precum și proprietățile fizice ale amestecului obținut. Cartușele de gunoi au fost colectate și transportate în una din locațiile companiei SPECTRAMEDIA Ltd. pentru depozitare temporară și reutilizare. Materialul a fost dezintegrat mecanic de un dispozitiv de reciclare a cartușelor de toner rezidual cu o capacitate de 250-300 kg într-un singur schimb de lucru. În timpul procesului de dezintegrare, materialul plastic, metalele (fier și aluminiu) și pudra de toner rezidual au fost desprinse (figura 7).

Fig. 8. Dispozitiv pentru reciclarea cartușelor de toner rezidual

Materialul plastic separat a fost tratat în unitatea SPECTRA-MEDIA Ltd., iar fierul și aluminiu au fost distribuite pe piață ca materii prime secundare valoroase. Pulberea de toner rezidual a fost separată pe o consolă echipată cu un dispozitiv de aspirare a prafului care nu permite emisii necontrolate de pulbere de toner în mediul înconjurător.

Pulberea de toner rezidual a fost colectată în filtrul dispozitivului de vid și supusă depozitării temporare. Deoarece pulberea de toner a fost clasificată drept deșeu periculos, ea a fost livrată unei companii certificate pentru o gestionare ulterioară. În timpul acestui proces de reciclare a fost adăugat calcit (carbonat de calciu) în cantitate de 50% pentru a reduce posibilitatea de inflamare și explozie.

O probă a amestecului de calcit și pulbere de toner rezidual a fost extrasă din procesul de dezintegrare (m (eșantion) = 4 kg). Umiditatea totală, cenușa, compușii totali necombustibili, compușii combustibili, compușii volatili, volatili fără umiditate, precum și reziduul de cocs au fost determinate pentru eșantion. În plus, proba a fost analizată pentru a determina presiunea maximă de explozie a norului de praf conform EN 14034-1: 2004, viteza maximă a presiunii explozive a norului (EN 14034-2: 2006) și cea mai mică valoare a prafului nor explozie. Parametrii au fost determinați la o temperatură T = 22 – 24 șC, iar umiditatea relativă RH = 52 – 56%.

Toți parametrii au fost determinați de către Agenția autorizată pentru zone periculoase în atmosferă explozivă, Laboratorul pentru protecția împotriva exploziilor ExLAB, Zagreb, Croația. Determinarea caracteristicilor exploziei pulberii a fost realizată utilizând o sferă cu un volum de 20 L (figura 8).

Fig.9. Dispozitiv de investigare pentru determinarea caracteristicilor exploziei pulberii

Analiza proprietăților fizice și chimice ale amestecului de calcit și pulbere de toner rezidual a fost efectuată de către Departamentul de Sănătate Publică, Dr. Andrija Štampar, Zagreb, Croația, în conformitate cu premisele standardului HRN ENISO / IEC 17025 (2013 ). La scară industrială, amestecul de toner rezidual și calcit a fost testat ca înlocuitor parțial pentru umpluturile convenționale. Aproximativ 35% din calciul pur adăugat de obicei la un singur lot de material de etanșare în comun a fost înlocuit cu calciul conținut în amestecul de toner rezidual adăugat. Datorită lipsei de cunoștințe despre compoziția exactă a tonerului rezidual, adică conținutul de polimer, cantitatea de umplutură de polimer virgin trebuie să fie lăsată intactă, pentru a asigura conformitatea produsului cu EN 14188-1. Cantitatea totală de amestec de toner adăugată la un lot de material de etanșare comună care a fost de 160 kg (~ 10%). Una dintre testele de specificație standard pentru bitum și produse bituminoase este determinarea punctului lor de topire, care este definit ca temperatura la care substanța testată, condiții, atinge un anumit grad de înmuiere. Punctul de topire este util în clasificarea bitumelor în diferite grade, iar în această anchetă a fost testat în conformitate cu standardul european EN 1427, adică cu ajutorul aparatului Ring and Ball.

După un an, după adăugarea de calcit, au fost generate 11,25 t / an din amestecul de pulbere de toner rezidual și calcit. Pentru a reduce posibilitatea unei explozii a pulberii de toner rezidual, aceasta a fost amestecată cu calcit la un raport de 50:50. Amestecul a fost supus unei analize pentru a determina raportul dintre conținutul incombustibil, adică combustibil. Conținutul compușilor combustibili și volatili, precum și reziduul de cocs al amestecului, s-a constatat că sunt mai mici, comparativ cu praful de toner rezidual virgin. Mai mult, amestecul a fost supus determinării caracteristicilor de explozie. Anume, limitele explozive ale multor materiale variază de la 10 g / m3 la aproximativ 500 g / m3. Se poate presupune că 30 g / m3 este limita inferioară de explozie pentru cele mai multe prafuri inflamabile. Deși acest lucru pare să fie o concentrație foarte scăzută, în aparență un nor de praf de o asemenea concentrație seamănă cu o ceață foarte densa.

Pe baza experienței actuale din Croația, din cantitatea de 75 t cartușe de toner reziduale colectate într-un an, după adăugarea de calcit, s-au generat 11,25 t / an amestec de pulbere de toner rezidual și calcit. Pentru a diminua posibilitatea unei explozii a pulberii de toner reziduale, aceasta a fost amestecată cu calcit la un raport de 50:50. Amestecul a fost supus analizei pentru a determina raportul dintre conținutul incombustibil, adică combustibil. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 1. Conținutul compușilor combustibili și volatili, precum și reziduul de cocs al amestecului, s-a constatat că sunt mai mici, comparativ cu praful de toner rezidual virgin.

Analiza amestecului de toner rezidual și calcit (50:50) Tabelul 1

Mai mult, amestecul a fost supus determinării caracteristicilor de explozie. Anume, limitele explozive ale multor materiale variază de la 10 g / m3 la aproximativ 500 g / m3. Se poate presupune că 30 g / m3 este limita inferioară de explozie pentru cele mai multe prafuri inflamabile. Deși acest lucru pare a fi o concentrație foarte scăzută, apariția unui nor de praf de o asemenea concentrație seamănă cu o ceață foarte densă. Rezultatele caracteristicilor explozive ale norului de praf sunt prezentate în tabelul 2. Se poate observa că presiunea maximă de explozie a norilor de praf de concentrație de 750 g / m3, precum și viteza maximă a creșterii presiunii sunt mai mici pentru amestecul pentru amestecul de toner și calcit (50:50) decât pentru toner rezidual virgin.

Caracteristicile de explozie ale norului de praf, concentrație de 750 g / m3

Tabelul 2

Pe baza analizei proprietăților fizice și chimice ale amestecului inactiv de calcite și a tonerului rezidual sa constatat că levigatul nu a îndeplinit condițiile necesare pentru depozitarea în depozitele de deșeuri, conform Ordonanței privind procedurile și precondițiile categoriilor de eliminare a deșeurilor și condițiile pentru operațiunea de depozitare a deșeurilor (din 117/07). Valorile măsurate s-au dovedit a fi sub limitele determinate ca fiind concentrațiile maxime admise (MAC) pentru toți parametrii, cu excepția conținutului total de carbon organic (TOC), care depășea MAC aproape de patru ori.

Prin urmare, amestecul obținut de toner rezidual și calcit nu poate fi eliminat ca parte a deșeurilor sanitare de deșeuri fără tratament suplimentar. În ceea ce privește proprietățile amestecului inactiv, acesta ar putea fi utilizat ca material de umplutură pentru fabricarea bitumului și asfaltului în scopul construcției de drumuri (Yildirim et al., 2004). Studiile anterioare referitoare la variația conținutului de copolimeri termoplastici în scopul îmbunătățirii performanței liantului asfaltic au arătat că un conținut de polimer de 11% conferă amestecului modificat stabilitate maximă (Eweed, 2011). Astfel, în acest studiu, a fost aplicată 10% adăugare de toner, iar proprietățile bitumului de construcție a drumurilor au fost analizate în conformitate cu specificațiile Superpave.

Rezultatele sunt prezentate în tabelul 3. Pe baza rezultatelor, bitumul 50/70 ar putea fi clasificat ca bitum PG 64 -18 și bitum 50/70 + 10% toner pulbere ca PG 70-16, deși proprietățile tehnice ale bitumului la temperaturi scăzute (puterea de accesare cu crawlere și valoarea m) nu au fost determinate.

Pentru a determina punctul de înmuiere, metoda Ring and Ball a fost utilizată. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 4. Se poate observa că adăugarea de toner rezidual produce modificări minore în punctul de înmuiere, ceea ce sugerează că tonerul rezidual conține o cantitate suficientă de polimer pentru a produce o astfel de modificare. Sa constatat că excedentul de polimer scade deformarea elastică a materialului de etanșare produs la temperaturi scăzute.

Tabelul 3: Rezultatele analizei mostrei de bitum de construcție a drumurilor 50/70 și a bitumului de construcție a drumurilor 50/70 cu adăugarea a 10% din cantitatea de toner rezidual

Tabelul 3

Determinarea punctului de înmuiere – Ring and Ball method

Tabelul 4

Pe baza analizei proprietăților fizice și chimice ale amestecului inactiv de calcite și a tonerului rezidual sa constatat că levigatul nu a îndeplinit condițiile necesare pentru depozitarea în depozitele de deșeuri, conform Ordonanței privind procedurile și precondițiile categoriilor de eliminare a deșeurilor și condițiile pentru operațiunea de depozitare a deșeurilor (din 117/07). Valorile măsurate s-au dovedit a fi sub limitele determinate ca fiind concentrațiile maxime admise (MAC) pentru toți parametrii, cu excepția conținutului total de carbon organic (TOC), care depășea MAC aproape de patru ori.

Adaosul de toner rezidual produce schimbări minore în punctul de înmuiere, ceea ce sugerează că tonerul rezidual conține o cantitate suficientă de polimer pentru a produce acest lucru. Sa observat că excedentul de polimeri scade deformarea elastică a soluției de îmbinare produse la temperaturi mai scăzute, precum și proprietățile sale adezive, dar trebuie efectuate teste suplimentare pentru a obține rezultate mai precise. Scopul acestei lucrări a fost de a investiga o tehnică mai nouă și mai ecologică de reciclare a cartușelor de reziduuri, adică a pulberii de reziduuri, deoarece toxicitatea acesteia reprezintă o amenințare pentru mediu dacă este eliminată exclusiv pe depozitele de deșeuri sau tratată prin incinerare.

Prin urmare, un amestec de pulbere de toner virgin și calcit a fost testat ca un substitut pentru materialele de umplutură în producția de produse bituminoase. Pe baza comparației valorilor punctului de înmuiere dobândite pentru probele care conțin amestecul de toner față de probele reale, se poate concluziona că produsul final beneficiază de adăugarea de pulbere de toner rezidual. În consecință, pot fi evitate costurile pentru tratarea suplimentară a amestecului inactiv și eliminarea depozitelor de deșeuri, precum și un beneficiu economic și ecologic suplimentar pentru societate, care este în concordanță cu strategia de gestionare a deșeurilor din lume.

Capitolul 2

Inocularea fontelor cenușii

2.1 Considerații generale privind inocularea fontelor

2.1.1.Modificarea grafitizanta (inocularea)

Inocularea reprezintă un procedeu de reglementare a structurii și proprietăților fontelor turnate prin minimizarea gradului de subrăcire și creșterea numărului de germeni de grafitizare în timpul procesului de solidificare[].

Un inoculant este un material adăugat în fonta lichidă cu scopul de a obține la turnare faza corespunzătoare pentru germinarea grafitului în timpul răcirii ulterioare. Uzual, agenții inoculanți se bazează pe grafit, ferosiliciu sau SiCa. În prezent, cei mai folosiți inoculanți sunt aliajele de ferosiliciu care conțin mici cantități de elemente Al, Ba, Sr, PR, Zr, Ca.

Scopul inoculării este de a participa la furnizarea unui număr suficient de suporți de germinare pentru carbonul care trebuie să precipite sub formă de grafit, prioritar apariției cementitei. Aceasta se face prin prevenirea subrăcirii la temperaturi inferioare formării eutecticului metastabil, când se formează structuri carburigene. Mecanismul solidificării fontei [44] tinde spre formarea structurilor carbidice dacă inocularea este inadecvată și există motive pentru care carburile sunt de neacceptat. Structurile carburigene afectează proprietățile mecanice, necesitând tratamente termice ulterioare, care afeactează specificațiile și duc la costuri ridicate.

Inocularea influențează numărul și mărimea celulelor eutectice și de asemenea precipitarea carbonului.

Numărul celulelor eutectice are efect nu doar asupra proprietăților fizice, dar și asupra fluidității aliajului. Un număr prea mare de celule în fonta cenușie poate crește, de exemplu, tendința de microretasură mai ales în formele de turnare crude. Cu un număr suficient de nuclee, solidificarea poate începe la o subrăcire scăzută. Carbonul dizolvat poate precipita în acest fel sub formă de grafit în loc să formeze cementită datorită distanțelor mici de difuzie. Cantitatea de grafit va fi mare, ceea ce înseamnă că expansiunea asociată poate compensa contracția austenitei dacă este complet echilibrată.

Așa cum inocularea influențează numărul de celule, mărimea, cantitatea și tipul de grafit, este evident că are și o influență profundă asupra proprietăților precum duritatea, rezistența la rupere și oboseală.

Inocularea poate schimba structura obținută prin influența înregistrată asupra procesului de solidificare. Primul constituent care se solidifică în fontă este austenita primară. La continuarea răcirii, lichidul remanent devine mai bogat în carbon dizolvat. Eventual, acest lichid atinge punctual compoziția eutectică de 4,3% C echivalent, de la care poate începe mai departe solidificarea în condiții de echilibru. Solidificarea cu caracter stabil nu se întâlnește în majoritatea condițiilor de turnare.

Datorită diferențelor de compoziție chimică, temperaturilor de turnare, intervalului de solidificare, grosimilor de perete și altor factori, aliajul se va răci sub temperatura eutectică înainte de începerea solidificării finale. Dacă gradul de subrăcire este nesemnificativ, apar formațiuni de grafit răspândite uniform în masa metalică de bază. La un grad de subrăcire mai mare, grafitul se va separa în forme anormale, cum sunt formele tip M, N, P la grafitul nodular. La o creștere suplimentară a subrăcirii formarea grafitului va fi suprimată, rezultând o structură majoritar carbidică.

Rolul unui inoculant este producerea nucleelor în topitura de fontă, care să intensifice germinarea grafitului la grade de subrăcire foarte mici .

În cazul fontelor cenușii, modificatorilor le sunt impuse mai multe condiții:

– să elimine carburile libere, respectiv tendința de albire a fontelor;

– să modifice morfologia grafitului în vederea obținerii unei structuri de grafit de tip A;

– să reducă diferențele structurale între pereții subțiri și grosi ai aceleeași piese;

– să asigure un efect modificator o perioadă suficient de lungă;

În prezent, se utilizează mai multe categorii de modificatori pe piața mondială:

Fe-Si (industrial);

amestec grafit + Fe-Si;

Fe-Si + elemente active (tab.2.1).

Prima problema a unei turnătorii este de a decide ce tip de inoculant să folosească pentru un aliaj specific și categoria de turnare.

În al doilea rând se decide cantitatea care trebuie folosită. Dacă este folosit prea puțin inoculant, atunci apar probleme legate de albire. Dacă este folosit prea mult inoculant, atunci apar probleme legate de defectele periculoase ale zgurei, defecte de expansiune și poate aparea retasura. Cantitatea corectă este funcție de starea germinarii fontei de bază.

Starea fontei de bază este aproximativ constantă. Acest lucru este adevarat doar dacă se ia in considerare compoziția chimică, însă compoziția chimică nu ne arată nimic despre proprietățile de germinare a topiturii.

Proprietățile de germinare, care variază considerabil când în turnătorii se folosește doar compoziția chimică ca proces de control, pot fi totuși vizibile și controlate prin mijloace de analiză termică.

Proprietățile de germinare sunt influențate de numeroși factori:

compoziția încărcăturii;

cantitatea de carbon combinat din încărcătură ;

calitatea materialelor de încărcare și nivelul de oxidare (rugină);

timpul și temperatura din timpul topirii și menținerii.

În mod normal, turnătoria are control limitat asupra acestor factori și nu se cunoaște efectul asupra fontei, datorită faptului că nu exista metode de măsurare a proprietăților de germinare. Proba tip pană este un prim pas pentru controlul stării de germinare. Este sensibilă pentru măsurarea tendinței de albire, dar de valori limitate pentru evaluare științifică mai detaliată. Analiza termică a probelor lăsate să solidifice conform sistemului stabil fac posibilă enumerarea proprietăților care permit optimizarea procedurii de inoculare.

Optimizarea reprezintă în acest caz găsirea celui mai bun compromis între eficiență și cost. Deși compoziția chimică poate fi constantă, proprietățile fontei de baza variază considerabil. Astfel, adaugând în topituri același procent de inoculant va rezulta uneori fonta suprainoculată, iar în unele cazuri fonta va fi subinoculată.

2.2. Alegerea modificatorilor în cazul fontelor cenușii

În marea lor majoritate, modificatorii sunt constituiți dintr-un FeSi special elaborat în acest scop, cu conținut controlat de Al și elemente însoțitoare, ce include unul sau mai multe elemente active, din grupul Ca, Ba, Sr, Zr, PR [44] (Tabelul 2,2 și Fig.2.3).

Factorul principal de la care se pornește în alegerea unuia sau altuia dintre modificatorii aflați pe piață, cu o multitudine de denumiri comerciale, îl constituie conținutul de sulf al fontei supuse modificării.

Din punct de vedere al modificării fontelor cenușii, sulful este un element util, vital chiar în asigurarea obținerii controlate a germenilor de grafitizare, de tipul (Mn,X)S.

Ca urmare, nivelul sulfului în fonta supusă modificării dictează și sistemul de modificator eficient.

Alte criterii importante în alegerea unui modificator:

– necesitatea unei durabilități sporite a efectului modificator, respectiv a rezistenței pe o perioadă mai îndelungată după modificare. În acest caz se recomandă sistemul FeSi – Ca,Ba, cu sulf pentru atingerea domeniului de min 0.05%S (soluție mai ieftină).

– neutralizarea excesului de azot, producător de sufluri. Este cunoscut faptul că nivelul critic al azotului în fonte este de ordinul a 80-100 ppm, peste acest domeniu apariția suflurilor fiind practic inevitabilă. În aceste condiții, se recomandă sistemul FeSi – Zr,Ca

– evitarea rebutului datorită nerezistenței la presiune. În multe cazuri porozitatea intercelulară poate cauza cedarea la presiune. În aceste condiții, se recomandă sistemul FeSi – Sr.

– limitarea porozității hidrogenului, datorată Al, ce reduce H2O din sistem.

– rezolvarea situațiilor critice din punct de vedere al tendinței de albire și/sau al prelucrabilității. Se recomandă modificatori puternici, tip FeSi-Sr sau FeSi – Ca,Ba.

Fig.10. Recomandări privind alegerea modificatorilor, funcție de conținutul

de sulf al fontelor cenușii

2.3.Tehnici de inoculare a fontelor

Efectul modificator nu depinde numai de compoziția și cantitatea de modificator introdusă în fonta lichidă, ci și de gradul de asimilare a elementelor modificatoare, care, la rândul lor, depind de tehnica modificării fontelor (modul de introducere a modificatorului, temperatura fontei, durata de menținere a fontei modificate în stare lichidă etc.).

Astfel metodele de introducere a modificatorilor în fonta lichidă diferă foarte mult de la o turnătorie la alta, modificatorii putând fi adăugați, practic, cu succes pe tot parcursul de curgere a fontei, de la jgheabul agregatului de elaborare și până la cavitatea formei.

Modificatorii (inoculanții) sunt de regulă introduși în fonta lichidă în etape:

• în oală, în timpul umplerii acesteia la evacuarea fontei din cuptor;

• în jet, în timpul turnării fontei în formă;

• în formă, prin amplasarea unor modificatori pastile în rețeaua de turnare.

Există mai mulți factori, ce stau la baza alegerii tehnicii de modificare, cum ar fi: durata de la prelucrarea fontei la cuptor până la turnarea ultimei forme; abilitatea de a adăuga modificatorul într-o anumită fază a procesului tehnologic, adaptabilitatea sistemului de turnare la aplicarea modificării în jet sau formă.

Consumul și granulația inoculantului

Pentru stabilirea consumului de inoculant nu există o relație de calcul care să țină cont de toți factorii de influență, motiv pentru care se procedează la date empirice sau la teste realizate în condițiile specifice turnătoriei de fontă. Trebuie avute totuși în vedere, următoarele:

consumul de inoculant depinde de tipul acestuia, istoria sarjei, compoziția chimică a fontei de bază, tehnica de introducere, condițiile de răcire în forma de turnare, tipul fontei și caracteristicile structurale impuse piesei turnate;

consumul de inoculant este mai redus în cazul inoculanților complecși și invers;

o încărcătură necontrolată și un regim tehnic excesiv (supraîncălziri mari sau/și îndelungate) duc la creșterea consumului de inoculant;

o fontă predispusă prin compoziția chimică la o tendință de albire ridicată impune un consum mai mare de inoculant;

adaosul necesar de inoculant este mai mare la inocularea în oala și scade până la jumatate în cazul inoculării în bazinul de turnare sau în formă;

formele de turnare cu capacitate mai mare de răcire impun un consum mai mare de inoculant;

fontele cu forme compacte de grafit și în special Fgn necesită un consum mai mare de inoculant în comparație cu Fgl datorită efectului antigrafitizant al elementelor compactizante (în principal, Mg);

consumul de inoculant este mai mare în cazul nodulizarii cu Mg metalic comparativ cu nodulizarea cu prealiaj de tipul FeSiMg deoarece fonta tratată cu Mg nu este mai săracă în germeni de grafitizare;

piesele turnate din Fgn cu structura preponderent feritică implică un consum mai mare de inoculant comparativ cu cele la care se cer structuri mai dure (P sau P + carburi);

aplicarea mai tratament de precondiționare în procesul de elaborare al fontei reduce consumul de inoculant.

Consumurile orientative comparative de inoculant se incadrează în următoarele limite:

Granulația modificatorului depinde de tehnica de introducere a acestuia în fontă, volumul de fontă modificată, temperaturii fontei și viteza de dizolvare a acestuia.

Clasele granulometrice sunt în general tipizate dar există și granulații specifice unor tipuri de modificatori care sunt stabilite de producători pentru a limita pierderile prin praf la concasare.

Cele mai frecvente clase granulometrice sunt:

0,2 – 0,7(0,8) mm pentru inocularea în formă

0,5(1,0) – 2(3) mm pentru inoculare în oală cu capacitatea < 300Kg

1,0(2,0) – 6(10) mm pentru inoculare în oală cu capacitatea > 300Kg

Se livrează însă și granulații de: 0,2 – 0,5(1,0) mm, 3 – 6(10) mm și 6 – 12mm, etc.

Temperatura la modificare are o importanță deosebită atât din punct de vedere al capacității de răspuns al fontei la tratament cât și din punct de vedere al stabilității efectului modificator. La stabilirea regimului termic al fontei trebuie să se facă distincție între temperatura de supraîncălzire și temperatura de modificare a fontei. Supraîncălzirea fontei este necesară pentru a distruge caracterul ereditar al topiturii și a crea condițiile unei germinări controlate a grafitului sub efectul inoculării. Pe de altă parte, temperatura de modificare trebuie să asigure eficacitatea maximă a germenilor de grafitizare nou creați.

În cazul modificării la temperaturi înalte germenii rezultați sunt dezactivați, în timp ce temperaturi prea joase de modificare nu asigură asimilarea completă a modificatorului.

Se consideră, pentru exemplificare, trei fonte cenușii (F1…F3) cu grade de eutecticitate diferite (Figura 11). Temperatura de modificare (Tm) trebuie să satisfacă relația Tm ≤ Te pentru a favoriza formarea SiO2, cu rol în germinarea grafitului, iar temperatura de supraâncălzire (Ts), relația Ts = Te + 50oC pentru a anihila efectul de ereditate al fontei. Rezultă următorii parametrii ai regimului termic de elaborare – modificare pentru cele trei fonte:

F1: Sc = 0,76; Te = 1478oC; Ts = 1528oC; Tm ≤ 1478oC;

F2: Sc = 0,87; Te = 1456oC; Ts = 1506oC; Tm ≤ 1456oC;

F3: Sc = 0,96; Te = 1447oC; Ts = 1497oC; Tm ≤ 1447oC;

În Figura 11 este prezentată influența temperaturii de modificare [47] asupra rezistenței la tracțiune a celor trei fonte. Se observă că există un optim al temperaturii de modificare pentru care s-a obținut rezistența maximă la rupere iar calculele confirmă acest lucru. Rezultă că pentru fontele hipoeutectice este necesară înainte de inoculare, o supraîncălzire a fontelor în domeniul Ts = 1450…1550oC iar temperatura de modificare să se încadreze în domeniul Tm = 1420 – 1480oC.

Fig.11. Influența temperaturii de modificare asupra rezistenței la rupere la tracțiune a fontelor cenușii cu diferite grade de eutecticitate

2.4. Controlul efectului inoculării

Controlul inoculării la fontele cu grafit lamelar se efectuează în două etape:

controlul preliminar pe baza căruia se iau decizii în legatură cu turnarea fontei sau/și eventuale corecții;

controlul final.

Controlul preliminar se efectuează prin evaluarea tendinței de albire și/sau determinarea parametrilor curbelor de răcire (analiza termică).

Tendința de albire se apreciază cu ajutorul probelor pană fără răcitor (tip A) sau cu răcitor (tip B) turnate în miezuri din nisip liat cu rășina sau ulei. Dimensiunile probelor pană sunt tipizate iar tipul probei este ales în funcție de grosimea de perete critică a piesei turnate și carbonul echivalent al fontei. Pentru fontele cu CE ≤ 4,3% se utilizează probele pană simple iar pentru cele cu CE ≥ 4,3% – probele pe răcitor. În Figura 12 sunt prezentate schițele probelor pană tip A și respectiv, tip B după ASTM A367 – 85 iar în Tabelele 4.1și 4.2 dimensiunile acestor probe.

Fig.12. Schițele probelor pană tip A și respectiv tip B

Dimeniunile probelor pană tip A

Tabelul 5

Fig.13. Probele pană tip A (a) și tip B (b) (ASTM 367 – 85)

Dimensiunile probelor pană tip B (ASTM 367 – 85)

Tabelul 6

Pentru a obține structură fără carburi (în secțiunea critică), în condițiile încadrării în marca fontei, este necesar ca raportul între lățimile maxime de albire ale probei pană turnată înainte și după inoculare sa, se încadreze în limitele date în Tabelul 4.3.

Raportul dintre lățimile maxime de albire înainte (at)i și după modificare (at)m

Tabelul 7

Valoarea albirii măsurată pe proba pană este rezultanta acțiunii a două categorii de factori tehnologici:

factori care generează tendința de albire intrisecă (compoziția chimică, istoria elaborării și inoculării fontei, temperatura și timpul de menținere);

factori care influențează albirea prin intermediul vitezei de răcire (temperatura de turnare, tipul formei de turnare și temperatura lichidus a austenitei). În Figura 4.2, este prezentat un model teoretic de calcul al albirii totale pe probe pană [47]. Rezultate sunt în bună concordanță cu datele experimentale prezentate de Fras [48]

Fig. 14. Reprezentarea schematică a influenței diversilor factori tehnologici asupra tendinței de albire și albirii fontelor cu grafit lamelar

Pentru determinarea tendinței de albire se pot utiliza 2 metode: metoda europeană (Figura 4.3 a) și metoda americană (Figura 4.3 b).

Fig.15. Metode de determinare a tendinței de albire (a-metoda europeană, b-metoda americană)

Albirea pe probele pană se exprimă în valori absolute (mm) sau relative (%) astfel:

– albirea clara absolută –RCCa, măsurată pe proba (RCCa = ac, mm, Figura 4.3);

– albirea clară relativă – , %;

– albirea totală absolută – RTCa, măsurată pe proba (RTCa = at, mm, Figura 4.3);

– albirea totală relativă –

Rezultatele măsurătorilor și aspectul probelor pană în ruptură indică micșorarea tendinței de albire a fontei sub efectul creșterii modulului de răcire al probelor și mai ales al inoculării.

CAPITOLUL 4

METODA DE CERCETARE

În vederea atingerii obiectivelor lucrării, au fost realizate experimentări în cadrul Departamentului de Procesarea Materialelor Metalice și Ecometalurgie a Universității Politehnica din Bucuresti.

Cercetările au avut drept scop dezmembrarea cartuselor de imprimanta, pentru separarea, materialului metalic, materialului plastic si a tonerului în vederea reciclării și reutilizării materialului metalic

Pentru cercetarea experimentala au fost analizate un numar de 103 cartușe de imprimantă si copiator care au suferit urmatoarele operații:

dezmembrare

separare, pe tipuri de materiale

clasare, pe tipuri de toner (negru și color)

Fig.17. Clasarea tonerului

A fost elaborata o sarjă de fontă (50 Kg), în CEI, cu capacitatea de 150 Kg și s-au turnat un număr de 14 pene pentru analiza tendintei de albire.

Incărcătura cuptorului:

– 40% fonta noua (20 Kg);

– 40% deșeuri de fontă (20 Kg);

– 20% deșeuri de oțel (valorificate din dezmembrarea cartușelor) (10 Kg).

Rețetele propuse pentru vopsirea formelor din amestec de formare au fost :

Reteta 1

-10 ml toulent

-4 g polistiren

-0,4 g pulbere neagră

Reteta 2

-10 ml toulent

-4 g polistiren

-0,4 g pulbere rosie

4.1. Aparatura, dispozitive și utilaje folosite în cadrul experimentărilor

4.1.1. Elaborarea aliajelor

Cuptor electric cu inductie – CEI care prezinta urmatoarele caracteristici:

– cuptor topire de capacitate 150 kg fontă: .

– temperatura de încălzire: 1600 ˚C;

– încărcare manuală și deversare mecanizată.

– tensiunea de alimentare: 3 x 380 V

– frecvența tensiunii de alimentare: 50 Hz;

– putere instalată: 200 kVA (cu nul izolat), 10 kVA (cu nul);

– putere maximă de medie frecvență: 150 kW;

– frecvența: 1000 Hz + 5 %, -20 %.

Fig.18. Cuptor electric cu inductie

4.2. Măsurarea temperaturii

Controlul temperaturii aliajului pentru programele experimentale s-a realizat cu ajutorul unui aparat digital cu lance numit ’’DIGILANCE IV MEMORY”. Instrument portabil cu o lance în capătul căruia este asamblat un termocuplu de tip S. Imersat în aliajul lichid, temperatura este afișată pe ecranul aparatului și stocată în memoria acestuia.

Prezentarea aparatului de măsurare a temperaturii este dată în figura 17

Fig.19. Aparat digital cu lance pentru măsurarea temperaturii.

Capitolul 5

REZULTATE EXPERIMENTALE

Cartusul a fost cantarit inainte de dezmembrare, apoi separat au fost cantarite metalul, plasticul, tonerul si in final au fost adunate pentru a se observa din nou greutatea totala. Tonerul a fost separat pe culori (rosu, negru, albastru si galben), apoi a fost refolosit pentru vopsirea formelor din amestec de formare in vederea turnarii probelor pana .

Componenta cartuselor de imprimanta si copiator

Tabelul 7

Suma componentelor reciclate

Tabelul 8

Media componentelor reciclate din cartusele de imprimanta si copiator

Componente reciclate. Plastic

Tabelul 9

Componente reciclate.Pulbere

Tabelul 10

Componentele reciclate. Metal

Tabelul 11

5.1. Caracterizare pulberilor recilclate

Tabelul 19

Compoziția chimica a tonerului

Fig.20. Compoziția chimică a pulberilor de toner-C

Fig.21. Compoziția chimică a pulberilor de toner – Si,S,Ti,Ca,Sr

5.2. Tendința de albire

Pentru influența pulberii de toner asupra tendinței de albire s-au vopsit 2 tipuri de proba pană(în amestec și pe răcitor) cu vopsea pe bază de pulber de toner,după cum urmează:

-2%toner negru -2%toner colorat

-4%toner negru – 4%toner colorat

-6 %toner negru – 6%toner colorat

PROBE MARTOR

a) 2%toner b) 4%toner c) 6%toner

Capitolul 4 Concluzii

Beneficiile reciclării. Numeroase industrii, și în particular industria metalurgica, au dezvoltat numeroase procedee de reciclare astfel încât aplicarea acestora să contribuie pozitiv la echilibrul financiar. Din punct de vedere al protecției mediului, reciclarea prezintă următoarele avantaje:

limitează necesarul de resurse naturale (se evită distrugerea naturii și sărăcirea solului în resurse naturale) în măsura în care activitățile de reciclare furnizează materii de preț și calitate echivalentă cu cele clasice;

reduce cheltuielile energetice;

determină dezvoltarea anumitor procedee specifice, care permite utilizarea unor capacități mici de producție amplasate în apropierea beneficiarilor;

permite reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră deoarece în activitățile de reciclare se utilizează energia secundară eliberată în procesul principal.

Pentru responsabilizarea producătorului de deșeu se poate apela la instrumente economice:

– legislație;

– taxele pentru depozitare.

Bibliografie

[1] – Xu C, Kang F, Li B, et al. Recent progress on manganese dioxide based supercapacitors[J]. Journal of materials research, 2010, 25(8): 1421-1432.

[2] – 2016 Four Elements Consulting LCA study, commissioned by HP, compared Original HP 80A and 83A monochrome toner cartridges with a sample of remanufactured alternatives across eight environmental impact categories. For more, visit www.hp.com/go/EMEA-LJLCA-2016. The LCA leverages a SpencerLab 2016 study, commissioned by HP, comparing Original HP LaserJet toner cartridges with six brands of non-HP toner cartridges sold in EMEA. For details, see http://www.spencerlab.com/reports/HPReliability-EMEA-RM2016.pdf Results assume HP cartridges are recycled via HP Planet Partners Program. For details on country coverage and available service options please visit www.hp.com/recycle.

[3] – Ruan J., Xu Z., 2011, A new model of repulsive force in eddy current separation for recovering waste toner cartridges, J. Hazard. Mater. 192, 307-313.