Transcript soubor s přednáškou - Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, vvi

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
Využití odpadových materiálů pomocí
geopolymerní syntézy např.:
1.
•
•
•
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
Geopolymery





V roce 1979 byly poprvé popsány profesorem J.
Davidovitsem
Geopolymery vznikají reakcí tepelně aktivovaných
jílových minerálů s alkalickým roztokem při normální
teplotě a tlaku a jedná se o převážně amorfní, čistě
anorganický materiál.
Prostorová (3D) síť je tvořená tetraedry křemíku a hliníku
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
materiálu, která zajistí transformaci hliníkového iontu.
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů
Tepelná aktivace
Al2O3.2SiO2.2H2O
Teplo
a čas
Al2O2.Si2O5 + 2H2O
Co se děje: 1. Ztráta vody (dehydratace)
2. Změna koordinace
Oktaedrická
Tetraedrická
Teplo
a čas
Potvrzení pomocí 27Al MAS NMR v pevném stavu
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů
Základní vlastnosti geopolymerních materiálů








Nerozpustnost ve vodě.
Vynikající mechanické vlastnosti
Minimální smrštění
Odolnost proti vysokým teplotám do 1000 °C.
Odolnost proti náhlým změnám teplot (900 – 20 °C).
Odolnost proti vlivu zředěných kyselin a zásad.
Nehořlavost – hmoty nevyvíjejí žádné zplodiny.
Základní „ matrice“ je schopná akceptovat a uzavírat do polymerní
sítě řadu dalších materiálů:
 Plniva - v matrici jsou pouze uzavřeny a nedochází k vytvoření
žádné chemické vazby (křemenný písek, korund, kamenná drť,
porcelánové či skleněné střepy, aj.)
 Aditiva - vstupují do geopolymerní reakce a tvoří nedílnou
součást 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).
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
K2 O
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
Materiál/Oxid SiO2

Aktivátor: vodný roztok křemičitanu draselného
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 vzorků
Vzorek Obsah
L05
(g)
Obsah
strusky
(g)
Poměr
jíl: struska
Poznámka
Referenční vzorek: míchání 20 min
A.
100
0
-
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
720 min
720 min
120 min
Refer.
vzorek
Poměr
1:0,5
120 min
90 min 60 min
Poměr
1:0,6
Poměr
1:0,7
Refer.
vzorek
Poměr
1:0,5
85 min
Poměr
1:0,6
50 min
Poměr
1:0,7
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
Příprava jílového základu
Míchání s kamenivem (70 hm.%)
Míchání se struskou
Manipulace se směsí
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i – Laboratoř Chemie geopolymerů
Aplikace geopolymerní hmoty
Přivezení materiálu na místo
Hrubé zarovnání povrchu
Rozvrstvení
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