Inhibice průmyslových odpadů a jejich následné využití

1. 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

2. Orientace laboratoře Chemie geopolymerů • 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 • Praktická aplikace získaných laboratorních znalostí • Vysokopecní struska z kladenské haldy (zásoba cca 10 mil. tun, stálé složení)

3. 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.

4. Tepelná aktivace Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O2.Si2O5 + 2H2O Teplo a čas Co se děje: 1. Ztráta vody (dehydratace) 2. Změna koordinace Oktaedrická Tetraedrická - Teplo a čas Potvrzení pomocí 27Al MAS NMR v pevném stavu

5. 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.)

6. 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

7. Experiment • Sledování rychlosti tuhnutí • Vliv způsobu míchání • Vliv přídavku strusky

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

9. Typy připravených vzorků

10. Výsledky 720 min 720 min 120 min 120 min 90 min 60 min 85 min 50 min Refer. vzorek Poměr 1:0,5 Poměr 1:0,6 Poměr 1:0,7 Refer. vzorek Poměr 1:0,5 Poměr 1:0,6 Poměr 1:0,7

11. 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

12. 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

13. 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)

14. Jak to probíhalo…. • Přivezení materiálu a technologických zařízení • Poškozený beton byl očištěn tlakovou vodou. • Pomocí dřevěných latí byl zajištěn prostor okolo manipulačních kolejí.

15. Příprava geopolymerní hmoty Příprava jílového základu Míchání se struskou Manipulace se směsí Míchání s kamenivem (70 hm.%)

16. Aplikace geopolymerní hmoty Přivezení materiálu na místo Rozvrstvení Hrubé zarovnání povrchu Zakrytí povrchu proti vysychání

17. Stav po 8 hodinách

18. Stav po 2 letech

19. 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

20. Děkuji za pozornost