CZ305909B6

CZ305909B6 - Způsob výroby bezslínkových hydraulických geopolymerních materiálů s využitím odpadních technologických kalů z výroby vodního skla

Info

Publication number: CZ305909B6
Application number: CZ2015-29A
Authority: CZ
Inventors: Lukáš Kalina; Vlastimil BĂlek; Jan KoplĂk; Jiří Másilko; Tomáš Opravil; František Šoukal
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-04-27
Also published as: CZ201529A3

Abstract

Popisuje se způsob výroby alkalicky aktivovaných bezslínkových hydraulických geopolymerních materiálů s využitím odpadních technologických kalů z výroby vodního skla. Materiály je možné připravit smísením odpadních technologických kalů s vodou a hlinitokřemičitanovou surovinou, případně se přidá i kamenivo a poté se směs nechá ztuhnout. Bezslínkové hydraulické geopolymerní materiály jsou využitelné především k výrobě bezslínkových betonových dílců.

Description

Způsob výroby bezslínkových hydraulických geopolymerních materiálů s využitím odpadních technologických kalů z výroby vodního skla

Oblast techniky

Způsob výroby bezslínkových hydraulických geopolymerních materiálů s využitím odpadních technologických kalů z výroby vodního skla, jako alkalického aktivátoru.

Dosavadní stav techniky

Látka, která vytváří vysoké počáteční zásadité prostředí, se nazývá alkalický aktivátor. První rozsáhlejší laboratorní studii pojiv bez portlandského stínku provedl už v roce 1940 Purdon [1], který navazoval na předchozí pokusy o zjištění reaktivity strusky. K aktivaci strusky použil alkálie (roztok NaOH), což vedlo k obecnému názvu „alkalicky aktivované materiály. Na Purdonovy pokusy navázal v roce 1957 Glukhovsky [2], který jako první navrhl funkční pojivo na bázi aluminosilikátů s nízkým obsahem vápníku aktivovaných roztokem alkalických kovů. V roce 1979 profesor Joseph Davidovits [3] z Francie připravil anorganické pojivo smícháním alkálií s metakaolinem. Protože se domníval, že pojivo vznikalo způsobem typickým pro organické makromolekulámí látky, nazval jej „geopolymerem“.

Alkalická aktivace probíhá v silně zásaditém prostředí (pH 13 až 14). Alkalický aktivátor (tzn. odpadní technologický kal) nejdříve rozpouští hlinitokřemičitany (struska, popílek), kdy se převede část aluminosilikátu do roztoku a následně probíhá polykondenzace vzniklých křemičitanových a hlinitanových tetraedrů [SiO₄]⁴’ a [A1O₄]⁵’, které se vzájemně pospojují v rozích kyslíkovými atomy do trojrozměrné struktury amorfního gelu (obr. 1). Negativní náboj těchto tetraedrů je kompenzován hydratovanými solvatovanými kationty alkalického kovu z odpadních technologických kalů, které vstupují do struktury během aktivace. Takto vzniklé anorganické materiály jsou označovány jako geopolymemí materiály.

Jako alkalické aktivátory jsou v praxi nejčastěji používány hydroxidy a soli alkalických kovů. V současnosti jsou alkalicky aktivované materiály používány spíše pro speciální aplikace. Širšímu využití těchto materiálů v praxi brání zejména vysoká cena alkalického aktivátoru, tedy i vysoká cena výsledného produktu v porovnání s běžnými maltovinami vzniklými hydratací portlandského cementu.

Reference:

[1] A. O. Purdon, the action of alkalis on blast furnace slag, J Soc Chem Ind 59 (1940) 191-202.

[2] V. D. Glukhovsky, Soil silicates, Gostroiizdat Publish (1959).

[3] J. Davidovits, Synthesis of new high temperature geo-polymers for reinforced plastics/composites, Society of Plastic Engineers 79 (1979) 151-154.

[4] V. F. F. Barbosa, K. J. D Mackenzie, C. Thaumaturgo, Synthesis and characterisation of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers. International Journal of Inorganic Materials 2 (2000) 309-317.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody alkalicky aktivovaných materiálů řeší využití odpadních technologických kalů z výroby vodního skla jako alkalického aktivátoru. Technologické kaly se podle vynálezu používají pro výrobu bezslínkových hydraulických geopolymerních materiálů. Tyto kaly

- 1 CZ 305909 B6 slouží také jako donor alkalických iontů (Na⁺) potřebných k vytvoření geopolymemí struktury, zároveň jejich vysoké pH zajišťuje dobré rozpouštění vstupních aluminosilikátových surovin.

Technologické odpadní kaly z výroby vodního skla se smíchají s vodou v takovém množství, aby M₂O hmotnostní podíl alkálií v odpadních kalech s vodou b (M = Na, K), ku hmotnostnímu množství dále přidané hlinitokřemičité suroviny (b) nebo směsi těchto surovin odpovídal rozmezí hodnot 0,04 až 0,10. Za stálého míchání se poté do směsi postupně přidává vstupní hlinitokřemičitanová surovina(y) pro dosažení hodnoty vodního součinitele (yv/b) 0,45 až 0,55, kde w představuje potřebnou dávku vody. Množství hlinitokřemičitanové suroviny se vypočte dle vztahu \yvi D) Hlinitokřemičitanovou surovinou je výhodně vysokopecní struska, elektrárenský popílek nebo metakaolin nebo jejich směs. Systém se poté důkladně promíchá a následně nechá ztuhnout při laboratorní teplotě. Zvýšená teplota kolem 60 °C urychluje proces tuhnutí. Do směsi se před ztuhnutím může dále výhodně přidat kamenivo, čímž se získá bezslínkový beton.

Objasnění výkresu

Obr. 1: Předpokládaná struktura kopolymeru

Vynález je dále popsán pomocí příkladů provedení, které však žádným způsobem neomezují jiná možná provedení v rozsahu nároků na ochranu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Příprava anorganického pojivá

Technologické odpadní kaly z výroby vodního skla se smísí za laboratorní teploty se záměsovou m₂o vodou v takovém množství, aby hmotnostní podíl alkálií v odpadních kalech b s vodou (M = Na, K), vztažený na hmotnostní množství dále přidané hlinitokřemičité suroviny (b) nebo směsi těchto surovin odpovídal rozmezí hodnot 0,04 až 0,10. Za stálého míchání se poté do směsi postupně přidává vstupní hlinitokřemičitanová surovina(y) pro dosažení hodnoty vodního součinitele (w/b) 0,45 až 0,55, kde w představuje potřebnou dávku záměsové vody. Množství hlinito křemičitanové suroviny je vypočteno dle následujícího vztahu \^W,Ď) Systém se poté důkladně promíchá a následně nechá ztuhnout při laboratorní teplotě. Zvýšená teplota kolem 60 °C urychluje proces tuhnutí.

Příklad 2

Výroba bezslínkového betonu

Technologické odpadní kaly z výroby vodního skla se smísí za laboratorní teploty se záměsovou M₂O vodou v takovém množství, aby hmotnostní podíl alkálií v odpadních kalech b s vodou (M = Na, K), vztažený na hmotnostní množství dále přidané hlinitokřemičité b suroviny (b) nebo směsi

-2CZ 305909 B6 těchto surovin odpovídal rozmezí hodnot 0,04 až 0,10. Za stálého míchání se poté do směsi postupně přidává vstupní hlinitokřemičitanová surovina(y) pro dosažení hodnoty vodního součinitele (w/b) 0,45 až 0,55, kde w představuje potřebnou dávku záměsové vody. Množství hlinito křemičitanové suroviny je vypočteno dle následujícího vztahu \wl b) Dále j_e (j_{0 sm}ěsi přidáno optimální množství kameniva. Betonová záměs se důkladně promíchá. Poté lze čerstvý beton transportovat na požadované místo, kde se následně ponechá ztuhnout při laboratorní teplotě.

Průmyslová využitelnost

Bezslínkové hydraulické geopolymemí materiály získané z odpadních technologických kalů jsou využitelné především k výrobě bezslínkových betonových dílců. Náhrada drahého alkalického aktivátoru (NaOH, KOH, vodní skla alkalických kovů) odpadními technologickými kaly z výroby vodního skla zlevní výsledný produkt minimálně o třetinu v porovnání s výrobkem na bázi běžného portlandského cementu a to při zachování stejných, v řadě případů lepších mechanických vlastností. Použití odpadních kalů k výrobě bezslínkových hydraulických geopolymemích materiálů výhodně nahradí jejich finančně náročnou ekologickou likvidaci.

Claims

1. Způsob výroby bezslínkových hydraulických geopolymemích materiálů, vyznačující se tím, že technologické odpadní kaly z výroby vodního skla se smíchají s vodou v takovém množství, aby hmotnostní podíl alkálií v odpadních kalech s vodou ku hmotnostnímu množství následně přidané hlinitokřemičité suroviny nebo směsi těchto surovin odpovídal rozmezí hodnot 0,04 až 0,10 a za stálého míchání se poté do směsi přidá hlinitokřemičitanová surovina v takovém hmotnostním množství, aby bylo dosaženo hodnoty vodního součinitele 0,45 až 0,55 a výsledná směs se nechá ztuhnout.

2, Způsob výroby podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlinitokřemičitanovou surovinou je vysokopecní struska, elektrárenský popílek nebo metakaolin.

3. Způsob výroby podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že do směsi se před tuhnutím dále přidá kamenivo.