Hornicko-geologická fakulta VŠB–TUO V004 - „Aplikace jílových sedimentů pro ušlechtilé stavební hmoty (žáruvzdorná ostřiva a plniva)“ VEŘEJNÁ SOUTĚŽ VE VÝZKUMU A VÝVOJI Výzkumná centra - 1M poskytovatel - MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY

Definice dílčích cílů V004 Dílčí cíl - zhodnocení hlušiny doprovázející těžbu uhlí jako potenciální druhotné suroviny pro výrobu hlinito-křemičitých žáruvzdorných ostřiv a plniv s uplatněním především v keramickém průmyslu. Úkoly: vytipování lokalit obsahující vhodné jílové sedimenty pro výrobu žáruvzdorných ostřiv a plniv; posouzení obsahu a stupně kaustické metamorfózy kaolinitických jílovců vzniklých zahořením odvalů; prokázat vhodnost této druhotné suroviny pro výrobu žáruvzdorných ostřiv a plniv; návrh úpravy předmětných materiálů na surovinu srovnatelnou s průmyslově vyráběnými ostřivy; návrh technologie odtěžování a likvidace odvalů jako ekologické zátěže.

Výběr vhodných lokalit Kritéria výběru: vhodné petrografické složení hlušinového materiálu odvalu (velký podíl jílovců, prachovců, jílovitých hornin s uhelnou příměsí a uhelné hmoty); prokázaný endogenní požár na odvalu (teplota vyšší než 900 oC); množství přepáleného skládkovaného materiálu; vyřešené střety zájmů.

Výběr vhodných lokalit Studované oblasti: česká část hornoslezské pánve (především ostravská část OKR); limnické pánve lugika (především dolnoslezská pánev); kamenouhelné pánve středočeské oblasti (především kladenská pánev); rosicko oslavanská oblast; podkrušnohorské terciérní pánve.

Výběr vhodných lokalit Ostravská část OKR Vhodné lokality odval Dolu Heřmanice (17 mil. m3); odval Dolu Odra (3,75 mil. m3); odval Dolu Petr Bezruč (8 mil. m3). Heřmanice Odra Ema Šverma Podmínečně vhodné lokality odval Dolu Šverma (5 / 0,32 mil. m3).

Výběr vhodných lokalit Kladenská pánev Vhodné lokality odval Ronna (2,1 mil. m3); odval Tuchlovice (18,3 mil. m3); odval V Němcích (5,2 mil. m3); odval U Jiřího (2,15 mil. m3).

Výběr vhodných lokalit Podkrušnohorské terciérní pánve Poznatky na odvalech deponováno velké množství skrývkového materiálu / malé množství organické hmoty; odvaly s deponovaným materiálem z hořících uhelných slojí již rekultivovány nebo odtěženy; pozornost zaměřena na přírodní lokality výskytu porcelanitů. Vybrané lokality rekultivovaný odval Nové Dvory; rekultivovaný kamenolom Dobrčice; výchoz Sezemice; výchoz Nechranice.

Odběry vzorků Odběry vzorků Pozornost zaměřena na termicky modifikovaný materiál – makropetrografická klasifikace (Králík 1984). Určení místa maximální termické aktivity není možné (chybí dokumentace skládkového hospodářství, nebyl prováděn monitoring endogenních požárů). Vzorky odebírány z povrchu odvalů, z erozních rýh, starých zářezů nebo z partií odkrytých při rekultivaci. Odběry vzorků z větších hloubek pomocí mechanizace není možné provést – nebezpečí zažehnutí endogenního požáru (viz odval Heřmanice, Odra).

Laboratorní výzkum Laboratorní výzkumu byl zaměřen na: komplexní stanovení chemického složení; mineralogického složení tepelně alterovaného materiálu. Použité analytické metody: chemického složení - vlnově disperzní rentgenfluorescenční spektrometr - WD XRF (Spectroscan MAKC GVII) složení minerálních fází - RTG difrakční prášková analýza (Seifert – FPM (Co katoda 0,179026 nm) Celkem bylo analyzováno 47 vzorků.

Laboratorní výzkum Výsledky laboratorního výzkumu: Střední až nejvyšší stupeň tepelné alterace vykazují vzorky Heřmanice Hr-2 a Šverma Šv-1. Zjištěné minerály indialit, mullit, a cristabalit ve vzorcích, potvrzují teplotu výpalu kolem 1000oC.

Laboratorní výzkum Výsledky laboratorního výzkumu: Střední až nejvyšší stupeň tepelné alterace vykazují vzorky Heřmanice Hr-2 a Šverma Šv-1. Zjištěné minerály indialit, mullit, a cristabalit ve vzorcích, potvrzují teplotu výpalu kolem 1000oC. Nejvyšší stupeň tepelné alterace vykazují také vzorky Tuchlovice TU-1 a Ronna Rn-2. Zjištěné minerály indialit, mullit, a cristabalit ve vzorcích, potvrzují teplotu výpalu kolem 1100oC. Podle zjištěných obsahů novotvořených minerálů (indialit - až 31 %, mulit - až 25 %, cristabalit - až 28 %, tridymit - až 12,5 %) prošly nejvyšším stupněm výpalu přírodní porcelanity.

Laboratorní výzkum Požadavky na křemenný šamot: chemické složení 10 – 30 % Al2O3; minerální složení mulit, cristobalit, tridymit, křemen. Tuchlovice Ronna Odra Heřmanice Objem [mil. m3] 4,92 2,10 3,75 17 Uhelná hmota (odhad) [%] 7 14-17 15 Al2O3 [%] 26 20 21 SiO2 [%] 62 57 61 Průměrné hodnoty amorfní křemen mulit cordiérit-indialit cristobalit hematit muskovit ostatní % Tuchlovice 41.47 24.36 6.32 1.18 1.72 1.46 12.35 11.90 Ronna 59.28 18.10 3.75 0.00 0.83 4.81 3.54 9.68 Odra 36.90 25.39 3.56 3.03 24.38 6.73 Heřmanice 22.70 26.83 2.11 1.64 1.84 3.29 33.10 7.00 Zkoumaný materiál splňuje podmínky pouze s ohledem na chemické složení. Pro potřeby keramického průmyslu je nezbytné zájmový materiál zušlechtit.

Zušlechtění zájmového materiálu Stanovení nejoptimálnějšího postupu zušlechtění antropogenně přepáleného materiálu Dílčí úkoly: stanovení nejvhodnější přípravy vzorku pro výpal; stanovení nejvhodnější teploty a doby výdrže výpalu vzorků; zjistit u vzorků s vysokým podílem amorfní fáze teplotní úrovně novotvořených minerálních fází (především mulitu).

Zušlechtění zájmového materiálu Metodický postup Metodický postup vychází z podmínek zjišťování fyzikálních a keramicko - technologických vlastností porcelanitů (Tománek 1959) a normou ČSN 72 1082 (Vypalovací zkoušky keramických surovin). homogenizace a podrcení vzorků pod 4 mm; sítová analýza; rozdělení vzorků na podsítné a nadsítné (0,063 mm); rozdělení vzorků na kvarty; výpal jednotlivých kvartů na 900oC, 1100oC a 1400oC; stanovení váhového úbytku; zjištění minerálních fází pomocí RTG práškové difrakce; makropetrografický popis dílčích vypálených vzorků. Postup prací:

Zušlechtění zájmového materiálu Metodický postup postup prací byl testován na dvou referenčních vzorcích; experimentálně zjištěný postup byl ověřen na zbývajících vzorcích; výsledky byly statisticky vyhodnoceny.

Zušlechtění zájmového materiálu Výsledky testů: přítomnost alkálií a vyššího podílů oxidu železa způsobují tavení směsi při nižších teplotách, než uvádějí fázové diagramy - krystalizace mulitu při teplotách do 1100 °C; při výpalu na 1400 °C vzrůstá podíl mulitu již nepatrně; vyšší podíl oxidů železa způsobil ve vzorcích vypálených na 1400 °C značnou pórovitost případně roztavení vzorku; nejvhodnější teplota výpalu pro tvorbu mulitu je 1250 °C; prodloužení doby výpalu na 3 hodiny při teplotě 1250 °C prokázalo pozitivní vliv na zvýšení množství mulitu. Upravený výpal referenčních vzorků Výpal: 400 °C/h 800 °C /h 1000 °C/h 1250 °C/h Výdrž: 3 h Ochlazení: samovolné chladnutí pece

hodnoty před zušlechtěním hodnoty po zušlechtění Zušlechtění zájmového materiálu Průměrné hodnoty před zušlechtěním amorfní křemen mulit cordiérit-indialit cristobalit hematit muskovit ostatní % Tuchlovice 41.47 24.36 6.32 1.18 1.72 1.46 12.35 11.90 Ronna 59.28 18.10 3.75 0.00 0.83 4.81 3.54 9.68 Odra 36.90 25.39 3.56 3.03 24.38 6.73 Heřmanice 22.70 26.83 2.11 1.64 1.84 3.29 33.10 7.00 Průměrné hodnoty po zušlechtění amorfní křemen mulit cordiérit-indialit cristobalit hematit muskovit ostatní % Tuchlovice 45.30 11.33 35.66 0.48 5.36 1.88 0.00 Ronna 40.22 6.59 38.98 0.30 9.12 4.54 0.24 Odra 62.24 5.25 26.47 0.47 5.58 Heřmanice 67.85 6.01 19.63 2.66 0.82 3.04

Zušlechtění zájmového materiálu Tuchlovice Ronna Odra Heřmanice Objem [mil. m3] 4,92 2,10 3,75 17 Uhelná hmota (odhad) [%] 7 14-17 15 Al2O3 [%] 26 20 21 SiO2 [%] 62 57 61 Po zušlechtění zkoumaný materiál splňuje podmínky kladené na ostřivo a plnivo do křemenného šamotu.

Návrh technologie odtěžování a likvidace odvalů jako ekologické zátěže selektivní odtěžení termicky modifikovaného materiálu; drcení, mletí a homogenizace; tepelné zpracování v rotačních pecích při teplotě 1250 °C a snížené rychlosti posunu suroviny; drcení výsledné suroviny na požadovanou zrnitost.

V004 - „Aplikace jílových sedimentů pro ušlechtilé stavební hmoty (žáruvzdorná ostřiva a plniva)“ Výsledky: Byly vybrány čtyři nejvhodnější odvaly. Předmětný materiál bez úpravy nesplňuje podmínky kladené na průmyslové ostřivo - je nutné jeho zušlechtění. Byl navržen a experimentálně vyzkoušen postup zušlechtění zájmového materiálu na úroveň parametrů průmyslově vyráběných ostřiv. Výzkumem byla prokázána vhodnost použití této zušlechtěné druhotné suroviny pro výrobu žáruvzdorných ostřiv a plniv. Byla navržena technologie odtěžování a průmyslového zušlechtění předmětných materiálů.

V004 - „Aplikace jílových sedimentů pro ušlechtilé stavební hmoty (žáruvzdorná ostřiva a plniva)“ Výsledky: Výsledky řešení tohoto dílčího cíle byly dosud prezentovány na mezinárodních konferencích a publikovány v zahraničních odborných periodikách. V přípravě je kapitola do monografie a souhrnná publikace v zahraničním odborném recenzovaném periodiku. Výsledky tohoto dílčího cíle budou aplikovány v návazném výzkumu CVVP při studiu využití vedlejších produktů z těžby, úpravy a zpracování energetických surovin (VEP) jako výchozích surovin pro přípravu nových geopolymerních materiálů.

V004 - „Aplikace jílových sedimentů pro ušlechtilé stavební hmoty (žáruvzdorná ostřiva a plniva)“ Děkuji za pozornost.