Μελέτη αξιοποίησης παραπροϊόντων βιομηχανικής δραστηριότητας για την παραγωγή γεωπολυμερικών υλικών
Loading...
Date
2024-03-05
Authors
Κάρνος, Ελευθέριος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Σήμερα, δύο από τα μεγάλα προβλήματα που πλήττουν τον πλανήτη είναι η εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου από τη βιομηχανική δραστηριότητα και η συσσώρευση αναξιοποίητων βιομηχανικών παραπροϊόντων. Πιο συγκεκριμένα η παγκόσμια παραγωγή αερίων του θερμοκηπίου το 2021 ήταν 6.9 t ανά άτομο. Παράλληλα, η παραγωγή καταλοίπου βωξίτη (BR), τέφρας φλοιού ρυζιού (RHA) και κεραμάλευρου (CW) ήταν 130.68 Mt ανά έτος (2022), 70 Mt ανά έτος (2022) και 22 Gt ανά έτος αντίστοιχα. Ο μεγάλος όγκος παραπροϊόντων αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για την αξιοποίηση πιθανώς αρώσιμης γης, τόσο λόγω όγκου (υποβάθμιση εδάφους), όσο και τοξικότητας, αφού μπορεί να περιέχουν τοξικές για το περιβάλλον ουσίες (καταστροφή ωφέλιμης χλωρίδας και πανίδας). Η λύση σε αυτά τα προβλήματα είναι: η εύρεση νέων τεχνολογιών για την μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, η μείωση ζήτησης προϊόντων βιομηχανικής δραστηριότητας, που δεν είναι πρακτικά εφαρμόσιμο σε σχέση με την συνεχή αύξηση του πληθυσμού και η έρευνα για χρήση υλικών νέου τύπου από ανανεώσιμες πρώτες ύλες ή παραπροϊόντα που θα αντικαταστήσουν τα υλικά με μεγάλο ενεργειακό αποτύπωμα στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας. Στο γενικό πλαίσιο επίλυσης αυτών των δύο προβλημάτων, στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η σύνθεση γεωπολυμερικών υλικών με τη χρήση παραπροϊόντων ως φιλικότερα προς το περιβάλλον υλικά με παραπλήσιες ιδιότητες με τα χρησιμοποιούμενα ως τώρα υλικά. Τα γεωπολυμερή παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές και χημικές ιδιότητες, γεγονός που οδηγεί στην αξιοποίηση τους σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς ανάμεσα στους οποίους και ο κατασκευαστικός.
Στόχος της συγκεκριμένης έρευνας ήταν η δημιουργία γεωπολυμερών με ιδιότητες συγκρίσιμες και ανταγωνιστικές προς αυτές που διαθέτουν τα χρησιμοποιούμενα μέχρι σήμερα δομικά υλικά. Επίσης, το κόστος παραγωγής τους θα μπορούσε να είναι ακόμα χαμηλότερο λόγω της χρήσης παραπροϊόντων από άλλες βιομηχανικές δραστηριότητες. Με βάση τα δύο αυτά χαρακτηριστικά, σχεδιάστηκαν και εκτελέστηκαν πειράματα σύνθεσης γεωπολυμερών από συνδυασμούς παραπροϊόντων. Η βασική μέθοδος ήταν η αλκαλική ενεργοποίηση μιγμάτων στερεών παραπροϊόντων με σημαντική περιεκτικότητα σε οξείδιο του πυριτίου και αργιλίου. Ως δυνητικές Α΄ ύλες μελετήθηκαν: α) το κατάλοιπο βωξίτη (BR), παραπροϊόν επεξεργασίας βωξίτη (Αλουμίνιον της Ελλάδος), β) η Τέφρα Φλοιού Ρυζιού (RHA), παραπροϊόν επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων μετά από στάδιο θερμικής κατεργασίας (Agrino, ΕΥ.ΓΕ. ΑΒΕΕ) και γ) το κεραμάλευρο (CW), παραπροϊόν παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών (Κεραμοτουβλοποιία Παναγιωτόπουλος ΑΒΕΕ).
Οι συνθέσεις ανόργανων γεωπολυμερών που μελετήθηκαν ήταν μίγματα με εκατοστιαία κατά βάρος αναλογία από 0 - 100 % κ.β. (100:0, 75:25, 50:50, 25:75 και 0:100), των εξής: κατάλοιπου βωξίτη με τέφρα φλοιού ρυζιού, BR/RHA, και κεραμάλευρου με τέφρα φλοιού ρυζιού, CW/RHA. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία ωρίμανσης 20 ℃ ή 68 ℃ ή 100 ℃. Επιπλέον, η μελέτη των συνθέσεων διαφοροποιούνταν ως προς τις παραμέτρους λόγου στερεού προς υγρό με τιμές λόγων S/L = 1.00 – 4.00, λόγου Si/Al και συγκέντρωσης διαλύματος ενεργοποίησης NaOH με τιμές συγκέντρωσης 4-15 Μ. Oι πρώτες δοκιμές για τις συνθέσεις BR-RHA και CW-RHA πραγματοποιήθηκαν για όλες τις αναλογίες με μικρές ποσότητες πρώτων υλών. Oι πάστες τοποθετήθηκαν σε μικρά καλούπια που αποτελούνταν είτε από πλαστικά καπάκια μεγάλων φιαλών, είτε από παγοκύστες. Όσες συνθέσεις εμφάνισαν επιτυχή πήξη και επιτυχή αφαίρεση από τις μήτρες παρήχθησαν σε μεγαλύτερης κλίμακας δοκίμια, διαστάσεων 2 x 2 x 8 cm3. Τα μεγάλης κλίμακας δοκίμια υποβλήθηκαν σε χαρακτηρισμό των μηχανικών τους ιδιοτήτων, με δοκιμές κάμψης 3 σημείων και με δοκιμές αντοχής σε θλίψη με ρυθμό φόρτισης 2 mm/min και 8 mm/min. Τα θραύσματα που προέκυψαν μετά τις δοκιμές μηχανικών ιδιοτήτων, μελετήθηκαν με δύο τρόπους: α) μέρος τους αλέστηκε για χαρακτηρισμό φάσεων με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ και β) τα συμπαγή κομμάτια χρησιμοποιήθηκαν για έλεγχο της συμπεριφοράς των δοκιμίων σε επαφή με νερό.
Τα συμπεράσματα ήταν ότι μόνο η σύνθεση BR-RHA μπόρεσε να δημιουργήσει γεωπολυμερή με επιθυμητές αντοχές. Πιο συγκεκριμένα η σύνθεση 50% BR – 50% RHA, με διάλυμα ενεργοποίησης 10.00 Μ NaOH, S/L= 2.00 οδήγησε σε δοκίμια με αντοχή σε θλίψη άνω των 32.5 MPa τιμή συγκρίσιμη με το τσιμέντο κατηγορίας CEM 32.5N. Ομοίως και η σύνθεση 25% BR – 75% RHA με διάλυμα ενεργοποίησης 14.18 Μ NaOH και S/L= 1.42 παρήγαγε δοκίμια με αντοχή σε θλίψη με ρυθμό φόρτισης στα 2 mm/min στα 46.4 MPa, τιμή συγκρίσιμη με τσιμέντο κατηγορίας CEM 42.5N και δοκίμια με αντοχή σε θλίψη με ρυθμό 8 mm/min, η οποία ήταν σταθερή στα 74.8 MPa, συγκρίσιμη με τσιμέντο κατηγορίας CEM 52.5N.
Επομένως, το κύριο συμπέρασμα είναι ότι τα βιομηχανικά παραπροϊόντα,· κατάλοιπο βωξίτη και τέφρα φλοιού ρυζιού, μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτες ύλες για σύνθεση γεωπολυμερών με πληθώρα εφαρμογών. Σε αντίθεση οι μελετηθείσες συνθέσεις με κεραμάλευρο δεν έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα.
Description
Keywords
Γεωπολυμερισμός, Σύνθετα υλικά, Αλκαλικώς ενεργοποιούμενα υλικά, Παραπροϊόντα βιομηχανίας, Κυκλική οικονομία