Alkalická aktivace - slibná možnost využití odpadního obrazovkového skla

1. RNDr. Petr Sulovský, Ph.D., Bc. Tomáš Opletal Katedra geologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, třída 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc, petr.sulovsky@upol.cz, opletal.tomas@gmail.com Alkalická aktivace - slibná možnost využití odpadního obrazovkového skla

2. Cíl práce • Experimentální ověření možnosti přípravy stavebních hmot (tvárnice, omítky a malty) z obrazovkového skla se zaměřením na metodu alkalické aktivace.

3. Obrazovkové sklo : problematický odpadní materiál • dříve export do Číny • globální produkce CRT obrazovek v roce 2002 = 245 mil. kusů • v EU v roce 2003 vyrobeno 525.000 tun obrazovkového skla • dle odhadů z roku 2007 připadlo v Evropě každý rok 500.000 až 1000.000 tun obrazovkového skla na likvidaci

4. Problém s recyklací CRT skla Problém opětovného užití kvůli celkovému chemickému složení CRT obrazovek: • zvýšené obsahy toxických prvků (Pb, Ba, As, Se, Cd a Hg) => problém s výluhem i s obsahem v sušině (nad povolené limity) • zvýšený obsah alkálií

5. Toxické prvky v TV obrazovkách a počítačových monitorech • Olovo – kónusy, pájka • Baryum – plochá část obrazovky • Arzen – starší typy obrazovek • Selen – integrované obvody, zdroje • Sb2O3 – zpomalovač hoření (plastů) • Kadmium - integrované obvody & polovodiče • Rtuť – přepínače .

6. Stavba CRT obrazovky • Zastoupení olova v jednotlivých skleněných částech obrazovky Kromě Pb ještě Ba (až 10 hm.% ve stínítkovém skle)

7. Průměrné složení čelního (stínítkového) a kónusového skla

8. Možné způsoby recyklace CRT skla • Dříve recyklace obrazovkové „sklo na obrazovkové sklo“ • Výroba minerálních vláken • Výroba plochého skla • Recyklace v hutích olova • Výroba pěnového skla • Recyklace na obalové sklo výroba pěnového skla na tovární lince

9. Idea geopolymerního betonu stínícího ionizující záření • využití obtížného odpadu - drceného obrazovkového skla • CRT sklo obsahuje značné množství Si potřebného pro alkalickou aktivaci • vysoký obsah alkálií v CRT skle (Na2O a K2O) snižuje spotřebu alkalického aktivátoru • K2O snižuje výskyt prasklin • fixace toxických prvků v geopolymerní matrici

10. Možné výhody geopolymerního betonu stínícího ionizující záření • vyšší pevnosti v tlaku (oproti běžným betonům) • fixace toxických prvků • většinu užitého materiálu představuje recyklát => úspora nákladů (oproti barytovým omítkám, betonům nebo Pb plechům) • Obrazovkové sklo obsahuje 2 prvky s vysokou schopností stínit RTG záření (Ba, Pb) => levná náhražka BaSO4

11. Využití zdiva stínícího RTG záření • zdravotnická radiodiagnostická zařízení • průmyslová radiografie rekonstrukce pracoviště pozitronové tomografie Masarykova onkologického ústavu v Brně (Vítek et al. 2006)

12. Pojem geopolymer → anorganické polymerní látky připravované polykondenzační reakcí základních hlinito-křemičitanových materiálů v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku příprava geopolymerního materiálu

13. Proces alkalické aktivace ≡Si-O-Si ≡ + HOH → 2 ≡Si-OH (rozrušení vazeb Si-O-Si v silně alkalickém prostředí, pH >12) ≡Si-OH + NaOH → ≡Si-O-Na + HOH (neutralizace silanolatové skupiny) • Během reakce proniknutí atomů Al do předchozí Si-O-Si struktury → hlavní podstata reakce. • Navazování Si a Al přes kyslíkové můstky → podobnost se zeolity

14. Faktory ovlivňující alkalickou aktivaci • teplota a doba vytvrzování • pH • forma výchozího materiálu (kalcinovaný nebo nekalcinovaný) • chemismus výchozího materiálu • koncentrace alkálií • obsah vody • poměr Al2O3/SiO2

15. Obecné vlastnosti geopolymerů • amorfní látky s velmi malým obsahem látek krystalických • vynikající pevnost v tlaku (vydrží tlaky okolo 100 MPa) • odolnost vůči vysokým teplotám (až 1000°C) • odolnost vůči kyselému prostředí • mrazuvzdornost (minimální smrštění) • nízká tepelná vodivost • nerozpustnost ve vodě

16. Hlavní ekologické výhody • fixace odpadních materiálů (těžké kovy či radioaktivní odpad) • při výrobě geopolymerů nízká produkce CO2 • relativně nízká spotřeba tepelné energie při výrobě geopolymerních cementů (kalcinace kaolinu → teploty okolo 750 °C), popř. využití odpadní železářské strusky

17. Příprava tvárnic na bázi geopolymeru Hlavní přísady : • Metakaolin a/nebo struska • alkalický aktivátor (vodní sklo + NaOH, KOH) => zajistí silně alkalické prostředí => je zdrojem Si a alkálií • skelná drt (obrazovkové sklo) o různé zrnitosti obsah Si + K2O a prvků stínících ionizující záření (Ba, Pb) složka dodávající potřebný Al

18. Dosavadní výsledky • vzorky připravené s matricí na bázi metakaolínu a strusky disponují mechanickými pevnostmi v tlaku v rozmezí od 40 do 120 MPa při tuhnutí za pokojové teploty • ve výluhových testech nebyl zjištěn nadlimitní obsah olova • zaznamenány mírně zvýšené koncentrace antimonu ve výluhu • potvrzena reakce obrazovkového skla s geopolymerní matricí

19. Shrnutí • Provedené experimenty prokázaly možnost výroby stavebního materiálu z odpadního CRT skla alkalickou aktivací • Dosažené pevnostní charakteristiky převyšují pevnosti běžného betonu • Navrhovaný postup je šetrnější k životnímu prostředí (omezení emisí CO2) • Dosažena fixace toxických prvků obsažených v CRT skle • Vyrobenou hmotu bude možno použít ke stínění RTG záření (zatím ve fázi testování)

20. Použité zdroje • J. L. Provis (Editor), J. S. J. van Deventer (2009): Geopolymers: Structures, Processing, Properties and Industrial Applications, vyd. CRC Press • Davidovits J. (2008): Geopolymer chemistry and applications. Geopolymer institute, St. Quentin, 587 stran • Yixin Shao Y., Lefort T., Moras S., Rodriguez D. (2000): Studies on concrete containing ground waste glass. Cement and Concrete Research 30 (2000) 91-100 • Vítek L., Anton O., Blažková B. (2005): Stínící sendvičové konstrukce pro lékařská diagnostická pracoviště s pozitronovou emisní tomografií. Sborník 3. Konference Speciální betony, Malenovice 2005, str. 153-158 • ICF Incorporated (1999): General Blackground Document on Cathode Ray Tube Glass-to-Glass Recycling. Ofiice of Solid Waste U.S. Environmental Protection Agency, 28 stran

21. Děkuji za pozornost