RNDr. Petr Sulovský, Ph.D., Bc. Tomáš Opletal Alkalická aktivace - slibná možnost využití odpadního obrazovkového skla RNDr. Petr Sulovský, Ph.D., Bc. Tomáš Opletal Katedra geologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, třída 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc, petr.sulovsky@upol.cz, opletal.tomas@gmail.com

Cíl práce Experimentální ověření možnosti přípravy stavebních hmot (tvárnice, omítky a malty) z obrazovkového skla se zaměřením na metodu alkalické aktivace.

Obrazovkové sklo : problematický odpadní materiál dříve export do Číny globální produkce CRT obrazovek v roce 2002 = 245 mil. kusů v EU v roce 2003 vyrobeno 525.000 tun obrazovkového skla dle odhadů z roku 2007 připadlo v Evropě každý rok 500.000 až 1000.000 tun obrazovkového skla na likvidaci

Problém s recyklací CRT skla Problém opětovného užití kvůli celkovému chemickému složení CRT obrazovek: zvýšené obsahy toxických prvků (Pb, Ba, As, Se, Cd a Hg) => problém s výluhem i s obsahem v sušině (nad povolené limity) zvýšený obsah alkálií

Toxické prvky v TV obrazovkách a počítačových monitorech Olovo – kónusy, pájka Baryum – plochá část obrazovky Arzen – starší typy obrazovek Selen – integrované obvody, zdroje Sb2O3 – zpomalovač hoření (plastů) Kadmium - integrované obvody & polovodiče Rtuť – přepínače .

Stavba CRT obrazovky Zastoupení olova v jednotlivých skleněných částech obrazovky sklo barevné CRT černobílé CRT panel 0 % až 3 % kónus 24% 4% krček 30% Kromě Pb ještě Ba (až 10 hm.% ve stínítkovém skle)

Průměrné složení čelního (stínítkového) a kónusového skla oxid stínítko SiO2 63.87 Na2O 8.06 K2O 9.35 CaO 2.18 MgO 1.04 BaO 7.99 SrO 3.89 Al2O3 3.26 TiO2 0.2 CeO2 0.16 oxid konus SiO2 58 Na2O 7.03 K2O 8.57 CaO 3.64 MgO 2.18 BaO 3.47 PbO 12.99 Al2O3 4.12

Možné způsoby recyklace CRT skla Dříve recyklace obrazovkové „sklo na obrazovkové sklo“ Výroba minerálních vláken Výroba plochého skla Recyklace v hutích olova Výroba pěnového skla Recyklace na obalové sklo výroba pěnového skla na tovární lince

Idea geopolymerního betonu stínícího ionizující záření využití obtížného odpadu - drceného obrazovkového skla CRT sklo obsahuje značné množství Si potřebného pro alkalickou aktivaci vysoký obsah alkálií v CRT skle (Na2O a K2O) snižuje spotřebu alkalického aktivátoru K2O snižuje výskyt prasklin fixace toxických prvků v geopolymerní matrici

Možné výhody geopolymerního betonu stínícího ionizující záření vyšší pevnosti v tlaku (oproti běžným betonům) fixace toxických prvků většinu užitého materiálu představuje recyklát => úspora nákladů (oproti barytovým omítkám, betonům nebo Pb plechům) Obrazovkové sklo obsahuje 2 prvky s vysokou schopností stínit RTG záření (Ba, Pb) => levná náhražka BaSO4

Využití zdiva stínícího RTG záření zdravotnická radiodiagnostická zařízení průmyslová radiografie rekonstrukce pracoviště pozitronové tomografie Masarykova onkologického ústavu v Brně (Vítek et al. 2006)

Pojem geopolymer → anorganické polymerní látky připravované polykondenzační reakcí základních hlinito-křemičitanových materiálů v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku příprava geopolymerního materiálu

Proces alkalické aktivace ≡Si-O-Si ≡ + HOH → 2 ≡Si-OH (rozrušení vazeb Si-O-Si v silně alkalickém prostředí, pH >12)   ≡Si-OH + NaOH → ≡Si-O-Na + HOH (neutralizace silanolatové skupiny) Během reakce proniknutí atomů Al do předchozí Si-O-Si struktury → hlavní podstata reakce. Navazování Si a Al přes kyslíkové můstky → podobnost se zeolity

Faktory ovlivňující alkalickou aktivaci teplota a doba vytvrzování pH forma výchozího materiálu (kalcinovaný nebo nekalcinovaný) chemismus výchozího materiálu koncentrace alkálií obsah vody poměr Al2O3/SiO2

Obecné vlastnosti geopolymerů amorfní látky s velmi malým obsahem látek krystalických vynikající pevnost v tlaku (vydrží tlaky okolo 100 MPa) odolnost vůči vysokým teplotám (až 1000°C) odolnost vůči kyselému prostředí mrazuvzdornost (minimální smrštění) nízká tepelná vodivost nerozpustnost ve vodě

Hlavní ekologické výhody fixace odpadních materiálů (těžké kovy či radioaktivní odpad) při výrobě geopolymerů nízká produkce CO2 relativně nízká spotřeba tepelné energie při výrobě geopolymerních cementů (kalcinace kaolinu → teploty okolo 750 °C), popř. využití odpadní železářské strusky

Příprava tvárnic na bázi geopolymeru Hlavní přísady : Metakaolin a/nebo struska alkalický aktivátor (vodní sklo + NaOH, KOH) => zajistí silně alkalické prostředí => je zdrojem Si a alkálií skelná drt (obrazovkové sklo) o různé zrnitosti obsah Si + K2O a prvků stínících ionizující záření (Ba, Pb) složka dodávající potřebný Al

Dosavadní výsledky vzorky připravené s matricí na bázi metakaolínu a strusky disponují mechanickými pevnostmi v tlaku v rozmezí od 40 do 120 MPa při tuhnutí za pokojové teploty ve výluhových testech nebyl zjištěn nadlimitní obsah olova zaznamenány mírně zvýšené koncentrace antimonu ve výluhu potvrzena reakce obrazovkového skla s geopolymerní matricí

Shrnutí Provedené experimenty prokázaly možnost výroby stavebního materiálu z odpadního CRT skla alkalickou aktivací Dosažené pevnostní charakteristiky převyšují pevnosti běžného betonu Navrhovaný postup je šetrnější k životnímu prostředí (omezení emisí CO2) Dosažena fixace toxických prvků obsažených v CRT skle Vyrobenou hmotu bude možno použít ke stínění RTG záření (zatím ve fázi testování)

Použité zdroje J. L. Provis (Editor), J. S. J. van Deventer (2009): Geopolymers: Structures, Processing, Properties and Industrial Applications, vyd. CRC Press Davidovits J. (2008): Geopolymer chemistry and applications. Geopolymer institute, St. Quentin, 587 stran Yixin Shao Y., Lefort T., Moras S., Rodriguez D. (2000): Studies on concrete containing ground waste glass. Cement and Concrete Research 30 (2000) 91-100 Vítek L., Anton O., Blažková B. (2005): Stínící sendvičové konstrukce pro lékařská diagnostická pracoviště s pozitronovou emisní tomografií. Sborník 3. Konference Speciální betony, Malenovice 2005, str. 153-158 ICF Incorporated (1999): General Blackground Document on Cathode Ray Tube Glass-to-Glass Recycling. Ofiice of Solid Waste U.S. Environmental Protection Agency, 28 stran

Děkuji za pozornost