Inhibice průmyslových odpadů a jejich následné využití

Ivana Perná1

Tomáš Hanzlíček1

Patrik Boura2

Adam Lučaník2

1Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i., Praha, ČR 2Česká rozvojová agentura, Praha, ČR

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Orientace laboratoře Chemie geopolymerů 1. Využití odpadových materiálů pomocí

geopolymerní syntézy např.:• Popely a popílky ze spalování uhlí• Popely a popílky ze spalování biomasy• Odpady z výroby a zpracování kovů – strusky

2. Praktická aplikace získaných laboratorních znalostí

Vysokopecní struska z kladenské haldy (zásoba cca 10 mil. tun, stálé složení)

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

GeopolymeryGeopolymery

V roce 1979 byly poprvé popsány profesorem J. Davidovitsem

Geopolymery vznikají reakcí tGeopolymery vznikají reakcí tepelně aktivovaných jílových minerálů s alkalickým roztokem při normální teplotě a tlaku a jedná se o převážně amorfní, čistě anorganický řevážně amorfní, čistě anorganický materiál.materiál.

Prostorová (3D) síť je tvořená tetraedry křemíku a hliníku Prostorová (3D) síť je tvořená tetraedry křemíku a hliníku propojených kyslíkovými můstky propojených kyslíkovými můstky v různém vzájemném poměru, základní strukturní jednotky (-Si-O-Al-O- vazby).

Negativní náboj hlinitých tetraedrů je vyvažován přítomností kationu alkalického kovu nebo kovu alkalické zeminy.

Důležitým bodem přípravy je tepelná aktivace základního Důležitým bodem přípravy je tepelná aktivace základního materiálu, která zajistí transformaci hliníkového iontu.materiálu, která zajistí transformaci hliníkového iontu.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Tepelná aktivaceAlAl22OO33.2SiO.2SiO22.2H.2H22OO AlAl22OO22.Si.Si22OO55 + +

2H2H22OOTeploa čas

Co se děje:

Teploa čas

TetraedrickáOktaedrická

Potvrzení pomocí 27Al MAS NMR v pevném stavu

1. Ztráta vody (dehydratace)2. Změna koordinace

-

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Základní vlastnosti geopolymerních materiálůZákladní vlastnosti geopolymerních materiálů

Nerozpustnost ve vodě.Nerozpustnost ve vodě. Vynikající mechanické vlastnostiVynikající mechanické vlastnosti Minimální smrštěníMinimální smrštění Odolnost proti vysokým teplotám do 1000 °C.Odolnost proti vysokým teplotám do 1000 °C. Odolnost proti náhlým změnám teplot (900 – 20 °C).Odolnost proti náhlým změnám teplot (900 – 20 °C). Odolnost proti vlivu zředěných kyselin a zásad.Odolnost proti vlivu zředěných kyselin a zásad. Nehořlavost – hmoty nevyvíjejí žádné zplodiny. Nehořlavost – hmoty nevyvíjejí žádné zplodiny. Základní „ matrice“ je schopná akceptovat a uzavírat do polymerní Základní „ matrice“ je schopná akceptovat a uzavírat do polymerní

sítě řadu dalších materiálů:sítě řadu dalších materiálů: Plniva - Plniva - v matrici jsou pouze uzavřeny a nedochází k vytvoření v matrici jsou pouze uzavřeny a nedochází k vytvoření

žádné chemické vazbyžádné chemické vazby (křemenný písek, korund, kamenná drť, porcelánové či skleněné střepy, aj.)

Aditiva - Aditiva - vstupují do geopolymerní reakce a tvoří nedílnou vstupují do geopolymerní reakce a tvoří nedílnou součást strukturysoučást struktury (vysokopecní strusky, popely ze spalování uhlí nebo biomasy, aj.)

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Použité materiály Mefisto L05: průmyslově vyráběný produkt (ČLUZ, Nové Strašecí) Vysokopecní struska: Kladenská halda, velikost částic pod 1 mm

RTG analýza: majoritní - gehlenit (Ca2Al(Si2O7) minoritní - merwinit (Ca3Mg(SiO4)2), basanit (CaSO4.0,5H2O),

syngenit (K2Ca(SO4)2H2O), wolastonit (CaSiO3).

Aktivátor: vodný roztok křemičitanu draselného

Materiál/Oxid SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 K2O SO3 ZŽ

Mefisto L05 50,28 41,99 0,14 <0,02 1,03 0,59 0,21 3,65

Struska 22,38 8,09 37,44 3,51 2,31 1,26 7,46 14,70

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Experiment Sledování rychlosti tuhnutí

Vliv způsobu míchání

Vliv přídavku strusky

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Postup přípravy Oddělené míchání:

Tepelně aktivovaný L05 byl míchán 10 min s alkalickým roztokem. Poté byla přidána struska a míchání pokračovalo 10 minut.

Společné míchání: Tepelně aktivovaný L05 byl smíchán za sucha se struskou a poté byla tato směs míchána s alkalickým roztokem po dobu 20 minut

Všechny připravené směsi byly: nality do forem, zakryty proti rychlému vysychání a byla u nich sledována rychlost tuhnutí.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Typy připravených vzorkůVzorek Obsah

L05 (g)

Obsah strusky (g)

Poměr jíl: struska

Poznámka

A. 100 0 - Referenční vzorek: míchání 20 min

B. 100 50 1: 0,5 Řada 1: míchání 10 min + 10 min

C. 100 60 1: 0,6 Řada 1: míchání 10 min + 10 min

D. 100 70 1: 0,7 Řada 1: míchání 10 min + 10 min

E. 100 50 1: 0,5 Řada 2: míchání 20 min

F. 100 60 1: 0,6 Řada 2: míchání 20 min

G. 100 70 1: 0,7 Řada 2: míchání 20 min

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Výsledky

Refer. vzorek

Poměr 1:0,5

Refer. vzorek

Poměr 1:0,5

Poměr 1:0,6

Poměr 1:0,7

Poměr 1:0,6

Poměr 1:0,7

720 min 720 min

120 min90 min 60 min

50 min85 min

120 min

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Dílčí závěr Zvýšením obsahu strusky se snižuje doba tuhnutí u

obou typů míchání Způsob míchání nemá zásadní vliv na dobu tuhnutí Při vyšším obsahu strusky se doba tuhnutí snižuje

při společném míchání U všech poměrů obou materiálů je současně třeba

dbát na dobu zpracovatelnosti, tj. nejen tuhnutí ale možnosti aplikace.

Pro průmyslovou aplikaci bylo vybráno: poměr jíl : struska 1 : 0,7 oddělené míchání

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Praktické využití Oprava staré betonové podlahy ve

vytíženém průmyslovém provozu, který se zabývá zpracováním a obráběním kovů (délka 30 m).

Podlaha byla znečištěna oleji a naftou a poškození (výtluky) bylo hluboké od 2 mm do 20 cm

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Klasická oprava betonů Očištění poškozené hmoty až na zdravý beton

pneumatickým kladivem, úprava povrchu na jednotný vzhled a hrubost, očištění vysokotlakou vodou nebo průmyslovým

vysavačem na odsání prachu, penetrace – vytvoření adhezního můstku, sanační hmota – typ podle síly vrstvy:

Sanační stěrka – slabé vrstvy do 4 mm Sanační malta – od 4 mm

zatížení podle typu použitého materiálu (2 hod – 28 dní)

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Jak to probíhalo…. Přivezení materiálu a

technologických zařízení

Poškozený beton byl očištěn tlakovou vodou.

Pomocí dřevěných latí byl zajištěn prostor okolo manipulačních kolejí.

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Příprava geopolymerní hmoty

Manipulace se směsíMíchání s kamenivem (70 hm.%)

Příprava jílového základu Míchání se struskou

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Aplikace geopolymerní hmoty

Přivezení materiálu na místo Rozvrstvení

Hrubé zarovnání povrchu Zakrytí povrchu proti vysychání

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Stav po 8 hodinách

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Stav po 2 letech

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Závěr Díky geopolymerní technologii lze využít různé

průmyslové odpady a společnou reakcí vznikají pevné a odolné látky

Použití vysokopecní strusky urychluje tuhnutí geopolymerních směsi.

Volbou poměrů jílové a struskové složky lze výrazně měnit dobu tuhnutí a tvrdnutí.

V průmyslovém měřítku bylo prokázáno, že lze tyto materiály využít např. při rychlých opravách silně znečištěných cementových či betonových podlah v průmyslových provozech

Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů

Děkuji za pozornost