DE69607381T2

DE69607381T2 - Anorganische bindemittelzusammensetzung

Info

Publication number: DE69607381T2
Application number: DE69607381T
Authority: DE
Inventors: C. Comrie
Original assignee: IB Technologies LLC
Current assignee: IB Technologies LLC
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: ATE190969T1; EA000871B1; US5820668A; JP2000505770A; KR19990076585A; ES2147656T3; CA2241224A1; DK0868406T3; DE69607381D1; BR9612262A; EA199800587A1; GR3033754T3; CN1209110A; IL125057A0; AU1089497A; IL125057A; EP0868406A1; EP0868406B1; WO1997023427A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine anorganische Bindersubstanz und die Herstellung einer solchen Bindersubstanz sowie die Verwendungen einer solchen Bindersubstanz. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine anorganische Bindersubstanz, die besonders nützlich für die Behandlung von Abfallmaterialien zum Recycling und für die sichere und gefahrlose Entsorgung ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Anorganische Bindersubstanzen wurden vorgeschlagen zur Festigung und Entsorgung schädlicher Abfallstoffe. In den Davidovits-Patenten Nr. 5,352,427; 5,349,118; 5,342,595; 4,859,367; 4,349,386; 4,472,199; 4,509,985; 4,522,652; 4,533,393; 4,608,795; 4,640,715; 4,642,137 wird ein Geopolymer mit Alumosilicatoxid beschrieben. Diese Geopolymere wurden entwickelt zur Einbringung in Bauziegel, erwiesen sich aber auch als nützlich zur Festigung von Abfallstoffen für die langfristige Entsorgung.
Alumosilikatbinder sind aus zwei Komponenten zusammengesetzt: einem feinen, trockenen Pulver und einer syrupartigen, stark alkalischen Flüssigkeit. Das Pulver ist ein lösliches Alkalipolysilikat, welches von der alkalischen Flüssigkeit dazu angeregt werden kann, Tetraeder von SiO&sub4; und AlO&sub4; zu bilden. Die Tetraeder sind vernetzt durch gemeinsame Sauerstoffmoleküle, um anorganische, polymere Netzwerke zu bilden. Eine leicht exothermische Reaktion in der alkalisch aktivierten Mischung wird begleitet von Härtung und Polykondensation.
Anorganische Binder sind gekennzeichnet durch mehrere eindeutige Eigenschaften, einschliesslich thermischer Stabilität, hoher Oberflächenglätte, präziser Mobilität und harter Oberflächen. Daraus ergibt sich, dass anorganische Binder besonders nützlich in speziellen Bauanwendungen sind, beispielsweise in salzigen oder wäßrigen Umgebungen.
Des weiteren hat sich gezeigt, dass die anorganischen Bindersubstanzen der älteren Technik langfristige Lösungen für gefährliche und schädliche Abfallstoffe bieten. Verschiedene organische und anorganische Abfallstoffe können mit den anorganischen Verbindungen gemischt werden, wodurch das normale Volumen der Aggregate unter Bildung eines monolithischen Feststoffs ersetzt wird. Während die Kristallstruktur wächst und die Lösung sich verfestigt, werden die Abfallkomponenten in einem Gitter eingebunden, wodurch der Abfall chemisch inaktiv und damit geeignet für Ablagerungen, Recycling in Baumaterialien oder Wiedereinbringung in einen Produktionsprozess wird. Die herausstechendsten Eigenschaften eines mit einem anorganischen Binder behandelten Abfalls sind die Fähigkeit, einem chemischen Angriff von sauren Bedingungen zu widerstehen, und die Fähigkeit, weichen, zerfallenen oder schlammigen Abfall in relativ kurzer Zeit in einen harten, zusammenhängenden Feststoff zu verwandeln.
Leider haben die Kosten der Rohstoffe verhindert, dass die anorganischen Bindersubstanzen der älteren Technik kommerziell wettbewerbsfähig mit anderen Technologien (und sogar mit gewöhnlichem Portlandzement) für die langfristige Entsorgung oder das Recycling von Abfallstoffen waren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Nachteile der älteren Technik können überwunden werden durch die Bereitstellung einer anorganischen Bindersubstanz, die kostengünstig in der Herstellung und in der Verwendung ist.
Es ist wünschenswert, eine anorganische Bindersubstanz zu schaffen, die in unterschiedlichen Umgebungen aushärtbar ist, einschließlich in salzigen, korrosiven, sauren, toxischen und radioaktiven Umgebungen.
Es ist wünschenswert, eine anorganische Bindersubstanz zu schaffen, die in der Behandlung gefährlicher und schädlicher Abfallstoffe einsetzbar ist und solche Stoffe für die langfristige Entsorgung inaktiv macht.
Die Erfindung betrifft eine Bindersubstanz nach der Definition in Anspruch 1. Unterschiedliche Aspekte der Erfindung werden in den Subansprüchen 2-9 definiert.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, wie es in Anspruch 10 definiert ist.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Verfahren der Rückgewinnung von Abfallstoffen von einem Schmelzofen Koksgrus, Ofenschlamm, Walzzunder und Hüttenstaub. Das Verfahren umfasst die Schritte: Mischen der Rücklaufmaterialien eines Schmelzofens mit 13¹/&sub2; bis etwa 17¹/&sub2; Gewichtsprozent der anorganischen Bindersubstanz und Kompaktieren der Mischung in ein Brikett zum Recycling in dem Ofen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Erfindung betrifft eine Bindersubstanz als Ersatz für oder Additiv zu Zement. Die anorganische Bindersubstanz des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung enthält einen ersten Bestandteil, bestehend aus folgenden Gewichtsanteilen:
20% Natriumoxid
60% Tricalciumsilikat;
10% Dicalciumsilikat;
6% Tricalciumaluminat;
1% Aluminiumoxid;
1% Eisen-III-Oxid;
1% Magnesiumoxid;
1% Schwefeltrioxid.
Der erste Bestandteil ist ein Poly(sialat) oder ein Poly(sialat-siloxo). Allerdings hat die Zusammensetzung des ersten Bestandteils der vorliegenden Erfindung Molverhältnisse von Komponenten, die sich von dem Poly(sialat) oder einem Poly(sialat-siloxo) der älteren Technik unterscheiden.

BEISPIEL 1

Zwischen 62 und 90 Gewichtsprozent des ersten Bestandteils des ersten Ausführungsbeispiels der Bindersubstanz können gemischt werden mit:
5-10% Flugasche F;
4-10% rauchgasbeeinträchtigtes Siliziumdioxid;
1-8% Al&sub2;O&sub3;.
Die sich ergebende Substanz hat ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 5,2 bis etwa 7,6.
Die Substanz dieses Beispiels ist nützlich als Baumaterial, entweder als Teilersatz für oder zusammen mit Portlandzement. Die Flugasche F dient zusammen mit dem rauchgasbeeinträchtigten Siliziumdioxid als Portlandzement-artiges Material, wenn mit Al&sub2;O&sub3; kombiniert.

BEISPIEL 2

Zwischen 60 und 90 Gewichtsprozent des ersten Bestandteils des ersten Ausführungsbeispiels der Bindersubstanz können gemischt werden mit:
4-10% Puzzolanerde;
4-10% gemahlene Schlacke (Calciumoxid);
5-10% wasserfreies Aluminiumsilikat;
1-5% Kieselsäure;
1-5% Kalisalz.
Die sich ergebende Substanz hat ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 5,2 bis etwa 8, 9, von M&sub2; oder zu SiO&sub2; in der Größenordnung von etwa 0,07 bis etwa 0,11, von H&sub2;O zu M&sub2;O in der Größenordnung von etwa 5,0 bis etwa 10,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 0,30 bis etwa 0,45, wobei M&sub2;O ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Na&sub2;O, K&sub2;O und einer Mischung aus Na&sub2;O und K&sub2;O.
Die Substanz dieses Beispiels ist besonders nützlich für Anwendungen mit gefährlichen Abfallstoffen. Das wasserfreie Aluminiumsilikat liefert den Baustein für die Zeolitstruktur, wenn es sich mit der Kieselsäure und dem Kalisalz verbindet. Zusätzliche kristalline Struktur wird von den Calciumsilikatbindungen bereitgestellt. Die Bindung umschließt die Moleküle der gefährlichen Materialien auf wirksame Weise.

BEISPIEL 3

Zwischen 60 und 90 Gewichtsprozent des ersten Bestandteils des ersten Ausführungsbeispiels der Bindersubstanz können gemischt werden mit:
4-10% Puzzolanerde;
4-10% gemahlene Schlacke;
5-10% wasserfreies Aluminiumsilikat;
1-5% Kieselsäure;
1-5% Kalisalz.
Die sich ergebende Substanz hat ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 5,2 bis etwa 8, 9, von M&sub2;O zu SiO&sub2; in der Größenordnung von etwa 0,07 bis etwa 0,11, von H&sub2;O zu M&sub2;O in der Größenordnung von etwa 5,0 bis etwa 10,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 0,30 bis etwa 0,45.
Die Substanz dieses Beispiels ist ebenfalls nützlich für Anwendungen mit gefährlichen Abfallstoffen.

BEISPIEL 4

Zwischen 60 und 90 Gewichtsprozent des ersten Bestandteils des ersten Ausführungsbeispiels der Bindersubstanz können gemischt werden mit:
5-20% Flugasche C;
4-10% Puzzolanerde;
1-5% Kieselsäure;
1-5% Kalisalz oder Natriumsalz, vorzugsweise Kalium.
Die sich ergebende Substanz hat ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 7,4 bis etwa 14,3, von M&sub2;O zu SiO&sub2; in der Größenordnung von etwa 0,05 bis etwa 0,10, von H&sub2;O zu M&sub2;O in der Größenordnung von etwa 5,0 bis etwa 9,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 0,25 bis etwa 0,45.
Die Substanz dieses Beispiels ist nützlich als Baumaterial, entweder als Ersatz für oder zusammen mit Portlandzement.
Die Substanz dieses Beispiels ist relativ teurer als die der vorigen Beispiele. Flugasche C ist derzeit teurer als Flugasche F, ist allerdings auch von besserer Qualität.
Die Puzzolanerde ersetzt wasserfreies Aluminiumsilikat als Quelle für Al&sub2;O&sub3;.

BEISPIEL 5

Zwischen 40 und 60 Gewichtsprozent des ersten Ausführungsbeispiels der Bindersubstanz können gemischt werden mit:
4-10% Puzzolanerde;
4-10% Nephelensyenit;
1-5% wäßriges Aluminiumsilikat;
1-5% wäßriges Natriumhydroxid;
1-5% Kieselsäure;
1-5% Kalisalz oder Natriumsalz, entweder getrennt oder in Kombination.
Die sich ergebende Substanz hat ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 5,2 bis etwa 9,0, von M&sub2;O zu SiO&sub2; in der Größenordnung von etwa 0,50 bis etwa 2,00, von H&sub2;O zu M&sub2;O in der Größenordnung von etwa 5,0 bis etwa 9,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 1,75 bis etwa 3,50.
In diesem Beispiel können das Nephelensyenit und das wäßrige Aluminiumsilikat ersetzt werden durch 5-10% wasserfreies Aluminiumsilikat. Allerdings werden Nephelensyenit und wäßriges Aluminiumsilikat bevorzugt, da sie Abfallmaterialien und deshalb relativ billig sind.
Die Bindersubstanz dieses Beispiels ist besonders nützlich in der Stahlindustrie. Industrieabfall, wie etwa Koksgrus, Walzzunder, Hüttenstaub und andere Rücklaufmaterialien können zur Wiederverwendung im Stahlgewinnungsprozess brikettiert werden. Durch Rückgewinnung der Rücklaufmaterialien sinkt die Notwendigkeit, den Industrieabfall abzulagern und es werden wertvolle Eiseneinheiten wiedergewonnen.
In der Vergangenheit wurde das Rücklaufmaterial mit Bindern wie Stärke, Kalk, Teer, Zement oder Melasse gemischt. Das agglomerierte Material wird sodann für das Recycling brikettiert. Allerdings entstehen bei der Verbrennung der organischen Binder Toxine wie Phenole (Karbolsäure). Das Umweltbundesamt der Vereinigten Staaten hat kürzlich die Verwendung organischer Binder zum Recycling von Rücklaufmaterial verboten.
Die Bindersubstanz dieses Beispiels wird mit dem Rücklaufabfallmaterial gemischt. Der Anteil an Bindersubstanz im Binder- Abfallmaterial sollte bei etwa 131/2% bis etwa 171/2% liegen, wenn kalte Bindermasse zugeführt wird. Wird die Masse erhitzt, ist für zufriedenstellende Ergebnisse weniger Binder erforderlich. Wenn der Bindergehalt bei über 14% liegt, sollte das Binder-Abfallmaterial vor dem Komprimieren zu Briketts getrocknet werden.
Das Abfallmaterial kann gewichtsbezogen bis etwa 55% Koksgrus und Ofenschlamm, etwa 10% Hüttenstaub und etwa 20% rezyklierten Walzzunder enthalten.
Das Binder-Abfallmaterial wird sodann mit Hilfe einer herkömmlichen Brikettierungsmaschine zu einem Brikett komprimiert. Das Brikett wird bei einem Druck von zwischen 1800 und 2600 psi gepresst, vorzugsweise zwischen 14,47 MPa (2100 psi) und 17,92 MPa (2600 psi), wofür eine Radgeschwindigkeit zwischen 4 und 6 UpM zur Anwendung kommt. Das Brikett wird sodann wieder in den Ofen zur Verbrennung eingeführt.
Bei der Verwendung von Eisenerzpellets aus frisch hergestelltem Material in einem Blashochofen beträgt die Eisenausbeute etwa 85%. Bei der Recyklierungstechnik der älteren Technik liegt die Ausbeute bei etwa 40%. Unter Verwendung der Briketts der vorliegenden Erfindung kann die Eisenausbeute 78% erreichen.
Es ist ohne weiteres einzusehen, dass der hier beschriebene Prozess auch auf andere Verarbeitungen von Grundmetallen anwendbar ist, einschließlich des Schmelzens von Blei, Nickel und Zink.

Zweites Ausführungsbeispiel

Die Bindersubstanz eines zweiten Ausführungsbeispiels umfasst eine gewichtsbezogene Zusammensetzung von:
5-20% rauchgasbeeinträchtigtem Siliziumdioxid;
40-60% wasserfreiem Aluminiumsilikat;
1-10% Kieselsäure;
1-10% entweder Kalisalz oder Natriumsalz, oder Kombinationen derselben.
Wenn Kalisalz verwendet wird, hat die sich ergebende Substanz ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 0,24 bis etwa 2,2, von M&sub2;O zu SiO&sub2; in der Größenordnung von etwa 0,04 bis etwa 0,10, von H&sub2;O zu M&sub2;O in der Größenordnung von etwa 5,0 bis etwa 12,5 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 0,12 bis etwa 0,30.
Wenn Natriumsalz verwendet wird, hat die sich ergebende Substanz ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 2,5 bis etwa 3,4, von M&sub2;O zu SiO&sub2; in der Größenordnung von etwa 0,04 bis etwa 0,15, von H&sub2;O zu M&sub2;O in der Größenordnung von etwa 5,0 bis etwa 9,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von etwa 0,10 bis etwa 0,40.

Drittes Ausführungsbeispiel

Die Bindersubstanz eines dritten Ausführungsbeispiels umfasst eine gewichtsbezogene Zusammensetzung von:
10-20% rauchgasbeeinträchtigtem Siliziumdioxid;
40-50% wasserfreiem Aluminiumsilikat;
und gleichen Teilen von
15-25% Kieselsäure; und
15-25% entweder Kalisalz oder Natriumsalz, oder Kombinationen derselben.
Die Bindersubstanz dieses Ausführungsbeispiels ist besonders nützlich in der Stahlindustrie.
Es ist ohne weiteres einzusehen, dass jedes der hier beschriebenen Beispiele Anwendung im Recycling, im Bau und bei der Entsorgung gefährlicher Abfallstoffe findet. Allerdings wurde jedes aufgrund von Kosten und/oder spezifischer erforderlicher Eigenschaften für ganz spezifische Anwendungen erschlossen. Im allgemeinen hat sich der anorganische Binder der vorliegenden Erfindung als nichtschrumpfend und nichtsetzend herausgestellt, und es hat sich erwiesen, dass er eine hohe Frühfestigkeit, eine hohe Oberflächenhärte (> 6 auf der Moh-Skala) und eine hohe Druckfestigkeit im Vergleich zu Portlandzement und auch anderen anorganischen Bindersubstanzen aufweist.
Es ist nun für eine Fachperson offensichtlich, dass unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zahlreiche Kombinationen von Bindern hergestellt werden können. Da zahlreiche andere Modifikationen und Zwecke dieser Erfindung jedoch für Fachpersonen aus der Lektüre der voranstehenden Beschreibung ohne Schwierigkeiten offensichtlich werden, ist darauf hinzuweisen, dass bestimmte Änderungen bei Stil, Mengen und Komponenten innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche wirksam werden können.

Claims

1. Eine anorganische Bindersubstanz, bestehend aus einem ersten Bestandteil, der Natriumoxid, Trikalziumsilikat, Dikalziumsilikat, Trikalziumaluminat, Aluminiumoxid, Eisen-III-Oxid, Magnesiumoxid und Schwefeltrioxid enthält und der mit einem zweiten Bestandteil gemischt ist, welcher eine oder mehrere Substanzen aus einer Gruppe mit Flugasche F, Flugasche C, rauchgasbeeinträchtigtem Siliziumdioxid, Al&sub2;O&sub3;, Puzzolanerde, gemahlener Schlacke, Nephelensyenit, wasserfreiem Aluminiumsilikat, wasserhaltigem Aluminiumsilikat, wäßrigem Natriumhydroxid, Kieselsäure, Kalisalz und Natriumsalz enthält, wobei das besagte Gemisch ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; zwischen etwa 5,2 bis etwa 14,3 hat.

2. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 1, worin besagte Substanz zwischen 40 und 90 Gew.-% des ersten Bestandteils enthält.

3. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 1 bis 2, worin das besagte Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 5,2 bis ungefähr 7,6 liegt.

4. Eine anorganische Substanz nach Anspruch 1 bis 3, worin das besagte Gemisch ungefähr 60 bis 90 Gew.-% des ersten Bestandteils enthält, der mit einem zweiten Bestandteil aus 4-10% Puzzolanerde, 4-10% gemahlener Schlacke, 5-10% wasserfreien Aluminiumsilikats, 1-5% Kieselsäure und 1-5% Kalisalz gemischt ist.

5. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 4, worin die besagte Substanz ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 5,2 bis ungefähr 8,9, ein Molverhältnis von M&sub2;O zu SiO&sub2; im Bereich von ungefähr 0,07 bis ungefähr 0,11, ein Molverhältnis von H&sub2;O zu M&sub2;O im Bereich von ungefähr 5,0 bis ungefähr 10,0 und ein Molverhältnis von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 0,30 bis ungefähr 0,45 hat, wobei M&sub2;O aus der Gruppe aus Na&sub2;O, K&sub2;O und einem Gemisch aus Na&sub2;O und K&sub2;O ausgewählt wird.

6. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 1 bis 3, worin das besagte Gemisch ungefähr 60 und 90 Gew.-% des ersten Bestandteils enthält, der mit einem zweiten Bestandteil aus 4-20% Flugasche C, 4-10% Puzzolanerde, 1-4% Kieselsäure, 1-5% Kali- oder Natriumsalz gemischt ist.

7. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 6, worin das besagte Gemisch ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 7,4 bis ungefähr 14,3, von M&sub2;O zu SiO&sub2; im Bereich von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,10, von H&sub2;O zu M&sub2;O im Bereich von ungefähr 5,0 bis ungefähr 9,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 0,25 bis ungefähr 0,45 hat, wobei M&sub2;O aus der Gruppe aus Na&sub2;O, K&sub2;O und einem Gemisch aus Na&sub2;O und K&sub2;O ausgewählt wird.

8. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 1, worin das besagte Gemisch ungefähr 40 und 60 Gew.-% des ersten Bestandteils enthält, der mit einem zweiten Bestandteil aus 4-10% Puzzolanerde, 1-5% wasserhaltigen Aluminiumsilikats, 1-5% wäßrigen Natriumhydroxids, 1-5% Kieselsäure und 1-5% Kali- oder Natriumsalz gemischt ist.

9. Eine anorganische Bindersubstanz nach Anspruch 8, worin das besagte Gemisch ein Molverhältnis von SiO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 5,2 bis ungefähr 9,0, von M&sub2;O zu SiO&sub2; im Bereich von ungefähr 0,50 bis ungefähr 2,0, von H&sub2;O zu M&sub2;O im Bereich von ungefähr 5,0 bis ungefähr 9,0 und von M&sub2;O zu Al&sub2;O&sub3; im Bereich von ungefähr 1,75 bis ungefähr 3,50 hat, wobei M&sub2;O aus der Gruppe aus Na&sub2;O, K&sub2;O und einem Gemisch aus Na&sub2;O und K&sub2;O ausgewählt wird.

10. Ein Verfahren zur Rückgewinnung von Materialien aus Schmelzofenabfall, das die Schritte enthält: Beimischen von Rücklaufmaterial zu der in den Ansprüchen 1-9 genau bezeichneten anorganischen Bindersubstanz und Kompaktieren des Gemisches zu Brikettform für die Rückgewinnung im besagten Ofen.