Wpływ rodzaju środka spieniającego na efektywność procesu spieniania surowców wtórnych

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017), Wpływ rodzaju środka spieniającego na efektywność procesu spieniania surowców wtórnych IWONA PRZERADA*, ANNA ZAWADA, MAŁGORZATA LUBAS, JÓZEF IWASZKO Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Armii Krajowej 19, Częstochowa * przerada@wip.pcz.pl Streszczenie Zagospodarowanie odpadów to bardzo istotne zadanie współczesnej gospodarki. Jego realizacja daje wielowymiarowe korzyści, dlatego zagadnieniom tym poświęca się coraz więcej uwagi. W procesie badawczym skoncentrowano się na opracowaniu sposobu utylizacji surowców wtórnych poprzez ich spienianie. Dobrano stosunki ilościowe składników w zestawie oraz ustalono optymalne warunki temperaturowo-czasowe. Zaproponowano użycie jako środka spieniającego odpadu z rozbiórki skrzydeł wiatraków. Otrzymane szkła piankowe zbadano pod kątem ich budowy wewnętrznej. Uzyskano bardzo zadowalające efekty spieniania materiałow zawierających w zestawie surowcowycm odpad z rozbiórki skrzydeł wiatraków, będący kompozytem na osnowie żywicy organicznej. Słowa kluczowe: zagospodarowanie odpadów, popioły lotne, szkła piankowe EFFECT OF THE TYPE OF FOAMING AGENT ON THE EFFICIENCY OF THE FOAMING PROCESS OF SECONDARY RAW MATERIALS Waste management is a very important task for the modern economy. Its realization gives multidimensional benefi ts, so attention is paid to this issue. The research process focused on developing a way to utilize recycled materials by foaming them. The quantitative ratios of ingredients in the set were chosen, and the optimum temperature and time conditions were determined. The use of the waste of wind turbine blades as a foaming agent was proposed. The obtained foam glass was tested for internal structure. Very satisfactory results were obtained for the foamed materials containing raw material waste from the waste of wind turbine wings, which is a composite of an organic resin matrix. Keywords: Waste utilization, Fly ash, Foam glass 1. Wprowadzenie Odpowiedzialne zagospodarowanie odpadów szczególnie uciążliwych dla środowiska naturalnego poprzez ich powtórne wykorzystanie znacząco zmniejsza zagrożenia dla ludzkiego zdrowia i przyczynia się do ochrony środowiska. Bardzo istotne są również korzyści ekonomiczne związane z pozyskiwaniem tanich surowców w postaci odpadów. Jednym ze sposobów utylizacji odpadów jest produkcja szkieł piankowych, czyli lekkich materiałów o szklanym szkielecie, wypełnionych w całej objętości porami [1, 2]. Własności takich szkieł dają szerokie możliwości zastosowań, zwłaszcza w budownictwie [3 5]. Kompozyt wykonany z żywic epoksydowych ze wzmocnieniem włóknem szklanym jest najpopularniejszym materiałem stosowanym do produkcji śmigieł wiatraka, ale również do produkcji kadłubów kajaków, żaglówek itp. Produkcja wyrobów z tego kompozytu systematycznie rośnie. Jego popularność i rozpowszechnienie, a także samych farm wiatrowych, generują duży problem w zakresie bezpiecznej utylizacji odpadów poprodukcyjnych i poużytkowych [6]. Największą elektrownią wiatrową jest obecnie, znajdująca się w Danii, Quantum Blade. Jest to największa i zarazem najlżejsza konstrukcja tego typu. Łopaty wiatraka wykonane są z żywic epoksydowych zbrojonych włóknem szklanym. Ich masa wynosi 25 ton, a rozpiętość 154 metry (rozpiętość śmigieł wiatraka przekracza długość skrzydeł największego airbusa) [7]. W pracy zaproponowano wykorzystanie odpadów z żywic epoksydowych zbrojonych włóknem szklanym do produkcji wysokowartościowych tworzyw spienionych. 2. Materiał i metodyka badań Do przygotowania próbek do badań wykorzystano następujące składniki: stłuczkę szklaną ze szkła opakowaniowego, popiół lotny ze spalania 100% biomasy, laminat z rozbiórki skrzydeł wiatraków, węglan wapnia, ISSN

2 I. PRZERADA, A. ZAWADA, M. LUBAS, J. IWASZKO węgiel aktywny. Skład chemiczny stłuczki szklanej oraz popiołu lotnego przedstawiono w Tabeli 1. Laminat pozyskany z rozbórki skrzydeł wiatraków jest kompozytem o osnowie polimerowej wzmacnianym włóknem szklanym. Do określenia jego składu chemicznego (Tabela 2) wykorzystano analizator EDX. Stłuczkę szklaną oraz wstępnie rozdrobniony laminat zmielono w młynku laboratoryjnym fi rmy Fritsch. Uzyskane proszki przesiano przez sito o rozmiarze oczka 63 μm, następnie przygotowano siedem zestawów (mieszanek) proszków o składach podanych w Tabeli 3. Zestawy ujednorodniono w młynku laboratoryjnym przy prędkości 450 obrotów na minutę przez 60 sekund w celu pełnej homogenizacji. Za pomocą ręcznej prasy uformowano próbki w kształcie walców, a następnie przygotowane wypraski spieniano w piecu laboratoryjnym. Sposób nagrzewania wyprasek, czas i temperaturę spieniania z zakresu C dobrano empirycznie, aby osiągnąć najlepsze efekty spienienia. Badania mikroskopowe zrealizowano na mikroskopie stereoskopowym Opta-Tech i mikroskopie skaningowym JEOL JSM-6610LV. Rentgenowską analizę fazową przeprowadzono za pomocą dyfraktometru Seifert 3003 TT w zakresie kątowym 2θ wynoszącym z krokiem pomiarowym 0.05 (0.1 s/krok) przy użyciu lampy kobaltowej (λ = 0,17909 nm). Tabela1. Skład chemiczny stłuczki szklanej ze szkła opakowaniowego oraz popiołu lotnego ze spalania 100% biomasy. Table 1. Chemical composition of glass cullet from packaging glass and fl y ash from 100% biomass combustion. Tlenek stłuczka szklana Udział procentowy [%] popiół lotny SiO 2 71,18 44,15 MgO 2,65 3,77 CaO 9,53 20,98 Na 2 O+K 2 O 14,35 6,09 Al 2 O 3 1,46 8,27 Fe 2 O 3 0,05 3,78 SO 3 0,15 4,01 Straty prażenia 2,33 Tabela 2. Skład chemiczny laminatu wyznaczony za pomocą analizy EDX. Table 2. Chemical composition of laminate determined by EDX analysis. Lp. Pierwiastek [% at.] 1 węgiel C tlen O krzem Si wapń Ca 3,6 1,3 5 glin Al mangan Mn 0,4 0,25 7 potas K 0,14 0,05 Tabela 3. Skład surowcowy zestawów. Table 3. Raw material composition of mixtures. Nr zestawu stłuczka CaCO 3 popiół lotny laminat I II III IV 87,3-9,7-3 V VI VII węgiel aktywny 126 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017)

3 WPŁYW RODZAJU ŚRODKA SPIENIAJĄCEGO NA EFEKTYWNOŚĆ PROCESU SPIENIANIA SUROWCÓW WTÓRNYCH 3. Wyniki badań i ich omówienie W praktyce przemysłowej do spieniania szkła stosuje się często węglan wapnia (CaCO 3 ), dlatego spieniony zestaw I (98% stłuczka szklana + 2% CaCO 3 ) stanowił w pewnym sensie układ odniesienia (Rys. 1 i 2), do którego porównywano szkła piankowe uzyskane z pozostałych zestawów. Rys. 1. Wypraska i próbka szkła piankowego z zestawu I (98% stłuczka, 2% CaCO 3 ) [8]. Fig. 1. A compact and foam glass specimen from the mixture I (98% cullet, 2% Ca CO 3 ) [8]. Węgiel aktywny jako środek spieniający wykorzystano w zestawach II V (Tabela 3). W zestawach II i III węgiel dodano do stłuczki szklanej, a w zestawach IV i V do stłuczki szklanej wymieszanej z popiołem lotnym. Na Rys. 3 5 pokazano wpływ różnych ilości węgla jako środka spieniającego na strukturę otrzymanych w tych samych warunkach temperaturowo-czasowych szkieł piankowych. Na Rys. 3 i 4 wyraźnie widać, że przy większej ilości węgla, wprowadzonego jako środek spieniający, zwiększa się wymiar porów. W ściankach pomiędzy wielkimi porami (Rys. 5) rozmieszczone są bardzo liczne, drobne pory, podnosząc w konsekwencji całkowity poziom porowatości spienionego materiału. Taka budowa ścianek może skutkować, co bardzo istotne, wyższym poziomem wytrzymałości na ściskanie spienionego w ten sposób materiału w porównaniu do szkła piankowego spienionego za pomocą węglanu wapnia, mającego bardzo cienkie ścianki pomiędzy porami (Rys. 2b). Na Rys. 6 i 7 przedstawiono struktury szkieł piankowych otrzymanych z użyciem węgla, jako środka spieniającego, kiedy do zestawu wykorzystano kolejny surowiec wtórny, a mianowicie popiół lotny ze spalania biomasy (zestawy IV i V, Tabela 3). Ze względu na skład chemiczny popiołu, zwłaszcza zawartość tlenków CaO, Al 2 O 3 i MgO, koniecz- Rys. 2. Makrostruktura (a) i mikrostruktura (b) szkła piankowego uzyskanego z zestawu I (98% stłuczka, 2% CaCO 3 ) [8]. Fig. 2. Macrostructure (a) and microstructure (b) of foam glass from the mixture I (98% cullet, 2% CaCO 3 ) [8]. Rys. 3. Próbki po procesie spieniania w temperaturze 950 C: a) 100% stłuczki, b) 99% stłuczki i 1% węgla, c) 97% stłuczki i 3% węgla. Fig. 3. Samples after the foaming process at 950 C: a) 100% cullet, b) 99% cullet and 1% carbon, c) 97% cullet and 3% carbon. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017) 127

4 I. PRZERADA, A. ZAWADA, M. LUBAS, J. IWASZKO a) a) b) b) Rys. 4. Makrostruktura szkła piankowego (temp. spieniania 950 C): a) zestaw II (99% stłuczki, 1% węgiel), b) zestaw III (97% stłuczki, 3% węgiel). Fig. 4. Macrostructure of foam glass (foaming at 950 C): a) mixture II (99% cullet, 1% carbon), b) mixture III ( 97% cullet, 3% carbon) c) Rys. 5. Mikrostruktura (SEM) szkła piankowego uzyskanego z zestawu III (97% stłuczki, 3% węgla) - temperatura spieniania 950 C [9]. Fig. 5. Microstructure (SEM) of foam glass from the mixture III (97% cullet, 3% carbon), after foaming at 950 C [9]. Rys. 6. Makrostruktury szkieł piankowych: a) zestaw IV (87,3% stłuczka, 9,7% popiół, 3% węgiel); 950 C, b) zestaw V (73% stłuczka, 24% popiół, 3% węgiel); 950 C, c) zestaw V (73% stłuczka, 24% popiół, 3% węgiel); 1000 C [9]. Fig. 6. Macrostructures of foam glasses: a) mixture IV (87,3% cullet, 9,7% fl y ash, 3% carbon); 950 C, b) mixture V (73% cullet, 24% fl y ash, 3% carbon); 950 C, c) mixture V (73% cullet, 24% fl y ash, 3% carbon); 1000 C [9]. 128 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017)

5 WPŁYW RODZAJU ŚRODKA SPIENIAJĄCEGO NA EFEKTYWNOŚĆ PROCESU SPIENIANIA SUROWCÓW WTÓRNYCH ne jest dla efektywnego spienienia zestawu zastosowanie wyższych temperatur spieniania, gdyż wymienione tlenki podwyższają temperatury spiekania, mięknięcia i topienia zestawu surowcowego. Jednak już temperatura 950 C jest wystarczająca do uzyskania silnie porowatej struktury. Zastosowana do spieniania zestawów z dodatkiem popiołu lotnego temperatura 950 C pozwoliła na osiągnięcie struktury porowatej, jednak pory były znacznie mniejsze w porównaniu do porów, które występowały w strukturze szkła piankowego uzyskanego w tej samej temperaturze spieniania i z takich samych składników lecz bez popiołu lotnego (Rys. 5, 7a i 7b). Lepszego efektu spienienia próbek z dodatkiem popiołu lotnego należy oczekiwać po podniesieniu temperatury spieniania (Rys. 6b i 6c). Bardzo korzystne wyniki spieniania (Rys. 8 i 9) uzyskano po zastosowaniu odpadu z rozbiórki skrzydeł wiatraka. Okazało się, że 20% wag. laminatu w zestawie zawierającym 80% stłuczki szklanej daje po procesie spieniania strukturę o bardzo regularnych, globularnych porach. Dodatkowo ścianki pomiędzy dużymi porami charakteryzowały się największą grubością ze wszystkich przebadanych próbek i zawierały wewnętrzne pory, co pozwala się spodziewać, oprócz małej gęstości, wysokiej wytrzymałości mechanicznej otrzymanych z wykorzystaniem laminatu szkieł piankowych. Na Rys. 10 pokazano dyfraktogramy szkieł piankowych otrzymanych z zestawów V (73% stłuczka, 24% popiół, 3% węgiel) i VI (80% stłuczka, 20% laminat), które wskazują na wyłącznie amorfi czny charakter badanych szkieł. c) d) Rys. 7. Mikrostruktury (SEM) szkieł piankowych (temperatura spieniania 950 C): a) i c) zestaw IV (87,3% stłuczka, 9,7% popiół, 3% węgiel), b) i d) zestaw V (73% stłuczka, 24% popiół, 3% węgiel) [9]. Fig. 7. Microstructures (SEM) of foam glasses (foaming at 950 C): a) and c) mixture IV (87,3% cullet, 9,7% fl y ash, 3% carbon), b) and d) mixture V (73% cullet, 24% fl y ash, 3% carbon) [9]. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017) 129

6 I. PRZERADA, A. ZAWADA, M. LUBAS, J. IWASZKO Rys. 8. Makrostruktury szkieł piankowych: a) zestaw VI (80% stłuczka, 20% laminat), b) zestaw VII (50% stłuczka, 50% laminat) [8]. Fig. 8. Macrostructures of foam glasses: a) mixture VI (80% cullet, 20% laminate), b) mixture VII ( 50% cullet, 50% laminate) [8]. Rys. 9. Mikrostruktura (SEM) szkła piankowego otrzymanego z zestawu VI (80% stłuczka, 20% laminat): a) widok ogólny, b) detale budowy ścianki [8]. Fig. 9. Microstructure (SEM) of foam glass obtained from the set VI (80% cullet, 20% laminate): a) general view, b) details of wall microstructure [8]. Rys. 10. Dyfraktogramy szkieł piankowych otrzymanych z zestawów VI (80% stłuczka, 20% laminat) i V (73% stłuczka, 24% popiół, 3% węgiel). Fig. 10. Diffractograms of foam glasses obtained from the mixture VI (80% cullet, 20% laminate) (a) and mixture V (73% cullet, 24% fl y ash, 3% carbon). 130 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017)

7 WPŁYW RODZAJU ŚRODKA SPIENIAJĄCEGO NA EFEKTYWNOŚĆ PROCESU SPIENIANIA SUROWCÓW WTÓRNYCH 4. Podsumowanie Przeprowadzone badania wskazują na zróżnicowane właściwości szkieł piankowych, wytworzonych z użyciem różnych środków spieniających. Szkła piankowe wykazywały różnice w grubościach ścianek porowatej struktury, rozłożeniu i rozmiarze porów. Te cechy decydują o przydatności materiałów porowatych oraz ich przeznaczeniu. Użyte do badań środki spieniające wpływały ponadto na barwę szkła piankowego. Węglan wapnia nadawał barwę białą, węgiel aktywny czarną, a laminat, w zależności od zawartości, od ciemnożółtej po ciemnoszarą. Spienianie stłuczki szklanej z wykorzystaniem materiału odpadowego (laminatu), pochodzącego z rozbiórki skrzydeł wiatraków, dało efekt bardzo podobny do tego, kiedy jako środka spieniającego użyto węgla aktywnego. Struktura spienionej rozdrobnionym laminatem stłuczki szklanej jest mocno sporyzowana; pory mają globularny, najbardziej korzystny dla poziomu wytrzymałości kształt, a ścianki pomiędzy dużymi porami są wypełnione porami mniejszymi. Dodatkowo fakt, że ścianki pomiędzy porami mają największą grubość pozwala oczekiwać większej wytrzymałości szkieł piankowych uzyskanych z wykorzystaniem zastosowanego materiału odpadowego (laminatu) w porównaniu do szkieł piankowych uzyskanych z dodatkiem węgla lub CaCO 3 jako środków spieniających. To predysponuje je do dalszych badań i późniejszego wdrożenia do produkcji przemysłowej. Literatura [1] Lewandowski, G., Wróblewska, A., Milchert, E.: Zagospodarowanie odpadów komunalnych i przemysłowych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin (2006). [2] Zawada, A., Przerada, I., Lubas, M.: Szkło piankowe otrzymane na bazie popiołów lotnych ze spalania biomasy, Szkło i Ceramika, 1/(2017), [3] Osiecka, E.: Materiały budowlane, Ofi cyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa (2010). [4] Miros, A.: Izolacje techniczne - określanie minimalnej grubości izolacji oraz charakterystyka współczesnych materiałów izolacyjnych, Izolacje, 3/(2013), 72. [5] Wysocki, K.: Docieplanie budynków, Wydawnictwo KaBe, Krosno (2008). [6] Grądkowski, M.: Technologie recyklingu materiałów odpadowych, w tym włókienniczych i kompozytów polimerowych, grupy/zadanie.php?zad=45 ( ). [7] Żelaziński, J.: Jak postępować ze zużytymi laminatami typu: żywica/włókno szklane, PlastNews, (2012), [8] Poltacha, M.: Wpływ rodzaju surowca spieniającego na właściwości szkła piankowego, praca dyplomowa, PCz, Częstochowa [9] Wójcik, G.: Węgiel jako środek spieniający do produkcji porowatych materiałów budowlanych, praca dyplomowa, PCz, Częstochowa Otrzymano 17 lipca 2017, zaakceptowano 27 lipca MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 69, 2, (2017) 131