spalarnia odpadów, żużel, popiół, pył Ilona ŁĘGOWIK, Anna ZAWADA, Józef IWASZKO, Monika STRZELECKA OTRZYMYWANIE CERAMICZNYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH NA BAZIE ŻUŻLI, POPIOŁÓW I PYŁÓW ZE SPALARNI ODPADÓW STAŁYCH W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące zagospodarowania żużli, popiołów i pyłów pochodzących z procesów termicznego unieszkodliwiania odpadów. W procesie spiekania, w wyniku przekształcenia drobnofrakcyjnych substratów, uzyskano produkty w postaci ceramicznych materiałów kompozytowych, których właściwości zmieniały się w zależności od udziału procentowego poszczególnych składników zestawu i temperatury wygrzewania. Dla otrzymanych spieków oznaczono gęstość pozorną, nasiąkliwość oraz porowatość otwartą. Wyznaczono również odporność na ścieranie. Otrzymane wyniki wydają się być obiecujące. Należy sadzić, że powstałe produkty mogą znaleźć szerokie zastosowanie w branży materiałów ceramicznych. Ponadto powtórne wykorzystanie materiałów odpadowych przynosi szereg korzyści ekologicznych, związanych z efektywnym zagospodarowaniem odpadów niebezpiecznych, w tym zmniejszeniem kubatury składowisk odpadów oraz zaoszczędzeniem zasobów surowców naturalnych. 1. WPROWADZENIE Spalanie odpadów jest tematem kontrowersyjnym, często wywołującym obawy oraz sprzeciw społeczeństwa. Argumenty przeciwko budowie spalarni odpadów dotyczą emisji zanieczyszczeń (głównie dioksyn) z procesu spalania. Obowiązujące uregulowania prawne dotyczące norm emisji ze spalarni odpadów zakładają, iż poziom stężenia dioksyn nie może przekraczać 0,1 ng TEQ (ang. Toxic Equivalent) na metr sześcienny. Nowoczesne instalacje termiczne są tak skonstruowane, że wielkości emitowanych zanieczyszczeń są znacząco niższe od regulowanych prawem norm emisyjnych (0,001 ng TEQ/m 3 ) [1]. Zaawansowane technologie, wyposażone w systemy Politechnika Częstochowska Instytut Inżynierii Materiałowej ul. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa, ilonalegowik@wip.pcz.pl.
374 I. ŁĘGOWIK i in. oczyszczania spalin, zastosowana automatyka oraz narzucone wysokie standardy środowiskowe wykluczają jakąkolwiek możliwość negatywnego oddziaływania spalarni odpadów na środowisko. Spalarnie odpadów w znacznym stopniu rozwiązują problem z błyskawicznie rosnącymi górami śmieci, zmniejszając ich objętość. Ponadto poddając odpady termicznemu unieszkodliwianiu możemy uzyskać przy tym źródło energii (w postaci ciepła czy energii elektrycznej), mające charakter niewyczerpalny, bowiem odpady będą powstawać tak długo, jak długo będzie istnieć ludzkość [2]. Patrząc na ilość istniejących w Europie spalarni odpadów (około 500 zakładów termicznego unieszkodliwiania odpadów komunalnych) można stwierdzić, że ta metoda unieszkodliwiania jest powszechnie stosowanym elementem systemu gospodarki odpadami w krajach Unii Europejskiej. Najwięcej spalarni odpadów funkcjonuje we Francji (127), drugie miejsce zajmują Niemcy (68), na trzeciej pozycji znajdują się Włochy (51) [3, 4]. W chwili obecnej w Polsce istnieje tylko jedna spalarnia odpadów komunalnych (Warszawa). Ilość powstających odpadów w naszym kraju zasadniczo nie odbiega od średnich europejskich. Istotna różnica polega na sposobie zagospodarowania odpadów. W Polsce występuje tendencja do składowania ich, podczas gdy nasi sąsiedzi poddają je dalszemu procesowi przekształcania. Istnieje zatem realna potrzeba wdrażania rozwiązań prowadzących do likwidacji składowanych odpadów, w przeciwnym razie problem ten po 2013 roku będzie wyjątkowo kosztowny [5, 6]. W wyniku termicznego unieszkodliwiania odpadów w spalarniach powstają żużle, popioły, i pyły cechujące się dużym udziałem metali ciężkich i związków nieorganicznych. Ilość i rodzaj powstałych wtórnych odpadów stałych zależy od technologii spalania oraz oczyszczania spalin. Stwierdzono, że na jedną tonę spalonych odpadów przypada ponad 340 kg pozostałości stałych, a dokładniej: 5 kg popiołu, 300 kg żużlu, 5 kg popiołu lotnego, 20 kg pyłu z odpylania, 12 kg produktów z systemu oczyszczania spalin [7]. Wszystkie te produkty powstałe w wyniku spalania odpadów muszą być odpowiednio zagospodarowane, nie stwarzając przy tym zagrożenia dla środowiska naturalnego. Mając na uwadze ilość nowo powstających instalacji termicznego przekształcania odpadów w kraju, m.in. w Bydgoszczy, Szczecinie, Białymstoku, Krakowie, Poznaniu, Koninie, Łodzi oraz Katowicach, należy liczyć się z odpowiednio dużą ilością pozostałości stałych powstałych po procesie termicznego unieszkodliwiania. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Podejmując problem zagospodarowania odpadów ze spalarni, badaniom poddano żużel (rys. 1a) oraz odpad amorficzny w postaci włókna szklanego, uprzednio rozdrobnione do uziarnienia <0,063 mm (rys.1b). Z żużla oraz włókna szklanego sporządzono zestawy o zmiennym udziale surow-
Otrzymywanie ceramicznych materiałów kompozytowych na bazie żużli, popiołów i pyłów 375 cowym: I zestaw: 90% żużla 10% włókna szklanego; II zestaw: 70% żużla 30% włókna szklanego; III zestaw: 50% żużla 50% włókna szklanego; Rys. 1. Materiał do badań a) w postaci pierwotnej, b) odpad rozdrobniony <0,063 mm Zestawy poddano procesowi jednoosiowego prasowania na prasie hydraulicznej pod ciśnieniem 100 MPa. Otrzymane wypraski poddano obróbce termicznej w elektrycznym piecu silitowym. Temperaturę spiekania każdego zestawu dobrano doświadczalnie tj.: zestaw I - 1150 o C; zestaw II 1000 o C, zestaw III 950 o C. Dla otrzymanych spieków przeprowadzono analizę mikrostrukturalną, a także wyznaczono właściwości fizyczne tj. gęstość pozorną, nasiąkliwość i porowatość otwartą, jak również wykonano badanie odporności na ścieranie. 3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Do obserwacji próbek otrzymanych w wyniku procesu spiekania materiałów odpadowych użyto mikroskopu skaningowego (firmy JEOL JSM 5400) oraz optycznego (NEOPHOT 32). Na rysunkach 2-7 przedstawiono mikrostruktury spieków o zmiennej zawartości żużla oraz włókna szklanego. Wnikliwa analiza pozwoliła na ocenę morfologii próbki, głównie pod kątem rozkładu i wielkości porów. Widoczne na rysunkach pory mają charakter otwarty, jak i zamknięty. Kształt oraz wielkość porów jest ściśle uzależniony od udziału poszczególnych składników w zestawie. Wraz ze wzrostem udziału włókna szklanego obserwuje się tendencję wzrostu porowatości zamkniętej, i tak próbka zawierającą 90% żużla posiada najwyższy udział porów otwartych, natomiast zawierająca 50% żużla najwyższy udział drobnych porów
376 I. ŁĘGOWIK i in. zamkniętych, co również znalazło potwierdzenie w badaniu właściwości fizycznych spieków (tabela 1). Rys. 2. Mikrostruktury analizowanych spieków: a, b) 90% żużla i 10% włókna szklanego, mikroskopia optyczna Rys. 3. Mikrostruktury analizowanych spieków: a, b) 90% żużla i 10% włókna szklanego, mikroskopia skaningowa Rys. 4. Mikrostruktury analizowanych spieków: a, b) 70% żużla i 30% włókna szklanego, mikroskopia optyczna
Otrzymywanie ceramicznych materiałów kompozytowych na bazie żużli, popiołów i pyłów 377 Rys. 5. Mikrostruktury analizowanych spieków: a, b) 70% żużla i 30% włókna szklanego, mikroskopia skaningowa Rys. 6. Mikrostruktury analizowanych spieków: a, b) 50% żużla i 50% włókna szklanego, mikroskopia optyczna Rys. 7. Mikrostruktury analizowanych spieków: a, b) 50% żużla i 50% włókna szklanego mikroskopia skaningowa
378 I. ŁĘGOWIK i in. Skład: żużel/włókno szklane [%] Tabela 1. Właściwości fizyczne badanych spieków Temperatura spiekania [ C] Gęstość pozorna [g/cm 3 ] Nasiąkliwość [%] Porowatość otwarta [%] 90/10 1150 1,46 27,73 40,51 70/30 1000 1,51 22,72 34,38 50/50 950 1,72 5,37 9,27 Gęstość pozorną, nasiąkliwość oraz porowatość otwartą wyznaczono metodą ważenia hydrostatycznego wg normy PN-70/B-12016 [8]. W badaniu użyto wodę destylowaną, która zapewniła dobre właściwości zwilżające oraz nie wykazała reakcji chemicznej z badanym materiałem. Gęstość pozorna badanych materiałów wahała się w granicach od 1,46 g/cm 3 (dla spieku 90% żużla/10% włókna szklanego) do 1,72 g/cm 3 (dla spieku 50% żużla/50% włókna szklanego). Wartości nasiąkliwości i porowatości otwartej otrzymanych produktów zmniejszały się wraz z udziałem włókna szklanego. Najniższą nasiąkliwość, a zatem najmniejszą porowatość otwartą posiadały spieki o 50% zawartości żużla i włókna szklanego. Rys. 8. Wyniki testów odporności na ścieranie przy użyciu Kulotestera dla spieków: a) 90% żużla i 10% włókna szklanego; b) 70% żużla i 30% włókna szklanego; c) 50% żużla i 50% włókna szklanego
Otrzymywanie ceramicznych materiałów kompozytowych na bazie żużli, popiołów i pyłów 379 Badania odporności na ścieranie przeprowadzono przy użyciu Kulotestera. Badanie przeprowadzono za pomocą swobodnie obracającej się stalowej kulki na powierzchni próbki w ciągu jednej godziny. Kuliste ślady wytarcia na powierzchni spieków zaznaczono na poszczególnych mikrostrukturach (rys. 8). Widoczny ciemny obszar wokół wytarcia powstał na skutek ścierającej się utlenionej warstwy powierzchniowej kulki. Przedstawione wyniki oraz ocena miejsc wytarcia, pozwalają stwierdzić, iż dużo wyższą odporność na ścieranie posiadają spieki charakteryzujące się wysoką zawartością żużla (rys. 8a). Wynik ten wskazuje na dużą twardość tego odpadu. 3. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono koncepcję zagospodarowania produktów pochodzących z procesów termicznego unieszkodliwiania odpadów. Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, iż zastosowanie procesu spiekania względem materiałów odpadowych może okazać się bardzo dobrym rozwiązaniem i sposobem zagospodarowania odpadów z instalacji termicznych. LITERATURA [1] Dyrektywa 2000/76/WE z dnia 4 grudnia 2000 r. w sprawie spalania odpadów (Dz. Urz. WE L 332 z 28.12.2000, str. 91, z późn. zm.). [2] JAGIEŁŁO R., KACZMARSKI K. K., ŁOWKIS J. M., SUROWIEC M., Termiczna utylizacja odpadów przemysłowych i jej oddziaływanie na środowisko, Ochrona Środowiska, 1994, 3-4, 57 64. [3] FOROWICZ K., Spalarnie krok do przodu, Odpady i Środowisko, 2011, 4, 65 73. [4] Energy from Waste. State of the Art. Report. Statistics. 5 th Edition, ISWA, Copenhagen 2006. [5] WIELGOSIŃSKI G., Wybór technologii termicznego przekształcania odpadów komunalnych, Nowa Energia, 2012, 1, 66 79. [6] FOROWICZ K., Zielone światło dla spalarni, Odpady i Środowisko, 2010, 6, 71 76. [7] MOKROSZ W., Ekologiczne aspekty oczyszczania spalin ze spalarni odpadów komunalnych i przemysłowych, X Konferencja Współczesne osiągnięcia w ochronie powietrza atmosferycznego POL-EMIS, Polanica-Zdrój 2010, 263 272. [8] Norma PN-70/B-12016: Wyroby ceramiki budowlanej. Badania techniczne.
380 I. ŁĘGOWIK i in. OBTAINED OF CERAMICS COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIC SLAG, ASH AND DUST FROM WASTE INCINERATION PLANTS The paper attempts to evaluate the materials produced by sintering fine fraction waste materials (slag, ash and dust from waste incineration plant), in terms physical properties, as well as mechanical strength, scratch and abrasion resistance. The tests were performed on cylindrical samples obtained in the process of pressing, with variable amount of raw materials. Microstructural analysis allowed to evaluate the morphology of the examined sinters specifying the size and shape of individual pores. Definitely a much higher wear resistance of sintered materials showed high slag content. This is confirmed by the results of scratch tests conducted on Scratch-tester. The research led to characterize slag as raw material, for which, despite diverse chemical composition, it is possible to obtain stable, reproducible levels of the final product properties, so that they are useful for the production of many glass-crystalline building materials. Many aspects related mainly to environment protection, suggest the proper use and management of industrial and hazardous waste being the alternative to natural materials.