Príprava alkalicky aktivovaných spojív z popolčeka zo spaľovania čierneho uhlia v granulačných kotloch

Juraj MOSEJ, Miroslava DRABOVÁ, Martin SISOL

Technická Univerzita v KošiciachTechnická Univerzita v KošiciachFakulta baníctva, ekológie, riadenia a Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológiígeotechnológiíÚstav montánnych vied a ochrany životného Ústav montánnych vied a ochrany životného prostrediaprostredia

PRACOVISKO ÚPRAVY PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH SUROVÍNSUROVÍN

Obsah•Čo sú to alkalicky aktivované spojivá•Vznik alkalicky aktivovaných spojív•Ciele práce•Charakteristika materiálu•Príprava vzoriek•Vyhodnotenie experimentov•Zhrnutie

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Alkalicky aktivované spojivá• sú syntetické anorganické polyméry, ktoré vznikajú

anorganickou polykondenzačnou reakciou tuhých alumosilikátových materiálov v silne alkalických podmienkach

• ich štruktúra pozostáva z SiO4 a AlO4 tetraédrov, ktoré sú striedavo pospájané zdieľaním všetkých atómov kyslíka

• ako zdroj alumosilikátu môže byť použitý akýkoľvek materiál, ktorý obsahuje SiO2 a Al2O3 v dostatočnom množstve a v reaktívnej forme

• alkalický aktivačný roztok okrem vody najčastejšie obsahuje hydroxidy, buď samostatne alebo v kombinácii s kremičitanmi

• syntéza môže prebiehať buď pri zvýšenej teplote, ale aj pri teplote prostredia

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Alkalická aktivácia• je komplexný mnohofázových proces • rýchlosť reakcie a chemické zloženie výsledných

reakčných produktov závisí od viacerých faktorov, ktoré možno rozdeliť nasledovne:

• a) vlastnosti vstupného materiálu ako sú chemické a fázové zloženie, zrnitosť

• b) zloženie aktivačného roztoku – druh a koncentrácia aktivačného roztoku, prítomnosť rozpustných kremičitanov a obsah vody

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Cieľ práce• posúdiť vhodnosť použitia popolčeka zo

spaľovania čierneho uhlia na prípravu alkalicky aktivovaných spojív

• zistiť vplyv dvoch faktorov – množstvo Na2O a pomer SiO2/Na2O v aktivačnom roztoku na pevnosť alkalicky aktivovaných spojív

• zistiť optimálne zloženie aktivačného roztoku pre daný typ popolčeka.

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Charakteristika materiálu•čiernouhoľný popolček zo spaľovania

v granulačnom kúrenisku•chemickou analýzou popolčeka bol

stanovený obsah základných zložiek

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

zložka

SiO2 Al2O3 Fe2O3 s.ž.

hm. % 51,62 17,16 6,96 9,19

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

okatosť sita [µm]

hmot

nost

ný v

ýnos

[%]

Obr. 1 Morfológia častíc popolčeka zistená pomocou elektrónovej mikroskopie (SEM) a EDX analýza vybraných častí

Obr. 2 Zrnitostná analýza popolčeka

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Príprava vzoriek• Čiernouhoľný popolček bol alkalicky aktivovaný

alkalickým roztokom, ktorý pozostával z tuhého hydroxidu sodného, vodného skla sodného a vody.

• Na základe plánu experimentov bolo navrhnutých 28 zmesí, v ktorých sa množstvo Na2O pohybovalo v rozsahu od 6 do 9 % a pomer SiO2/Na2O v rozsahu od 0 do 1,5.

• Celkové množstvo vody bolo vo všetkých zmesiach konštantné 31 % vyjadrené vodným súčiniteľom w.

• Zmesi boli vytvrdzované v teplovzdušnej sušiarni po dobu 6 hodín pri teplote 80 °C.

• výsledky pevností boli štatisticky spracované pomocou testu ANOVA, pričom hladina významnosti bola určená α=0,05 a štatisticky významný vplyv mal faktor s parametrom p<α.

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Charakteristika zmesi Mechanická pevnosť v ohybe [MPa]

(priemerné hodnoty)

Mechanická pevnosť v tlaku [MPa]

(priemerné hodnoty)Na2O [%] SiO2/Na2O w

6 0.00 0.31 2.7 12.27 0.00 0.31 3.4 16.78 0.00 0.31 3.4 20.79 0.00 0.31 3.7 26.96 0.25 0.31 1.4 3.77 0.25 0.31 1.5 5.18 0.25 0.31 2.3 11.09 0.25 0.31 2.8 11.36 0.50 0.31 2.3 8.87 0.50 0.31 2.0 9.38 0.50 0.31 2.3 15.99 0.50 0.31 2.1 10.26 0.75 0.31 1.4 7.07 0.75 0.31 1.4 8.78 0.75 0.31 1.3 5.09 0.75 0.31 1.6 7.06 1.00 0.31 4.3 25.37 1.00 0.31 4.9 25.58 1.00 0.31 3.6 24.99 1.00 0.31 4.0 29.06 1.25 0.31 3.6 31.07 1.25 0.31 5.2 35.68 1.25 0.31 3.4 37.89 1.25 0.31 3.0 42.36 1.50 0.31 2.8 32.67 1.50 0.31 2.1 29.58 1.50 0.31 3.3 37.69 1.50 0.31 2.7 42.9

Vplyv obsahu Na2O a pomeru SiO2/Na2O na pevnosť

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

zobrazenie polynómu získaného preložením experimentálnych údajov funkciou Y

lineárna regresia polynomického modelu a nameraných experimentálnych údajov

Y = p00 + p10x + p01y + p11xy + p02y2 + p12xy2 + p03xy3 + p13xy3 + p04y4,

kde x je Na2O; y je pomer SiO2/Na2O; p00 = -19,99; p10 = 5,16; p01 = 81,86; p11 = -14,84; p02 = -159; p12 = 14,24; p03 = 179,6; p13 = -3,167; p04 = -68,69.

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Záver• Popolček zo spaľovania čierneho uhlia v granulačnom

kúrenisku je vhodný ako zdroj alumosilikátu na výrobu alkalicky aktivovaných spojív, pričom dosahujú pevnosť v tlaku až 40 MPa.

• Na pevnosť v tlaku majú štatisticky významný vplyv oba sledované faktory, avšak vplyv pomeru SiO2/Na2O je vyšší.

• Na pevnosť v ohybe alkalicky aktivovaných spojív má štatisticky významný vplyv iba pomer SiO2/Na2O.

• Aj na základe navrhnutého modelu je možné vysloviť predpoklad dosiahnutia najvyšších hodnôt pevností v tlaku pri pomere SiO2/Na2O >= 1,25 a hodnotách Na2O >= 9%.

• Pomocou modelu funkcie Y je možné s vysokou presnosťou určiť pevnosť v tlaku alkalicky aktivovaných spojív z použitého popolčeka.

PRACOVISKO ÚPRAVY PRIMÁRNYCH A SEKUNDÁRNYCH

SUROVÍN

Ing. Miroslava Drabová, Ing. Miroslava Drabová, PhD.PhD.

Technická univerzita v Technická univerzita v KošiciachKošiciachFakulta BERG, ÚMVaOŽPFakulta BERG, ÚMVaOŽPPark Komenského 19Park Komenského 19042 00 Košice042 00 Košice

miroslava.drabova@tuke.skmiroslava.drabova@tuke.sk

Práca vznikla počas riešenia grantových projektov VEGA 1/1222/12 a APVV č. 0423-11

Ďakujem za Vašu pozornosť !