Projekti / Programi
Sinteza in karakterizacija alkalijsko aktiviranih pen na osnovi odpadnih materialov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.01.00 |
Tehnika |
Gradbeništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.01 |
Tehniške in tehnološke vede |
Gradbeništvo |
odpadno steklo, žlindre, elektrofitrski pepel, alkalijska aktivacija, alkalijsko aktivirane pene
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Alkalijsko aktivirani materiali (AAM), imenovani tudi geopolimeri, so okolju prijazna in tehnično sprejemljiva alternativa cementu, betonu in keramiki. Za pripravo AAM so potrebni (i) izhodni materiali, ki vsebujejo SiO2 in Al2O3 v zadostnih količinah in v reaktivni obliki in (ii) alkalni aktivatorji v raztopini (večinoma NaOH, KOH, Na-vodno steklo, K-vodno steklo). Ko se ti dve komponenti mešata, najprej poteka raztapljanje in transport elementov (Al, Si) v alkalnih aktivatorjih, nato pa s polikondenzacijo Al in Si nastane alumosilikatno omrežje, ki je lahko amorfno ali delno kristalizirano.
Primerni izhodni materiali za AAM so termično aktivirana glina, naravni pozzolani (npr. vulkanski pepel) ter različne vrste industrijskih odpadkov, kot so pepel (elektrofiltrski pepel, pepel iz rešetk…) in različne žlindre. S procesom alkalne aktivacije je možno pridobiti raznovrstne materiale, ki bi lahko nadomestili tradicionalne gradbene proizvode, kot so denimo bloki, plošče, tlakovci, robniki, proizvodi,ki morajo prenesti visoke temperature in materiali za določene industrijske namene (npr. izolacijske plošče).
Alkalijsko aktivirane pene se pridobijo tako, da dodamo ustrezna sredstva za penjenje k alkalijsko aktivirani gošči. Tovrstne pene so tudi ena najbolj obetavnih vrst alkalijsko aktiviranih materialov zaradi potencialno višje dodane vrednosti. Takšne pene so negorljive in dimenzionalno stabilne ter imajo visoko trdnost in dobre izolacijske lastnosti.
Glavni cilj tega projekta je razviti nove, lahke alkalijsko aktivirane pene na osnovi mešanice različnih sekundarnih surovin (elektrofiltrski pepel, žlindra in odpadno steklo). V sklopu projekta bomo proučili tudi različna sredstva za penjenje ter stabilizatorje (oboje v različnih razmerjih) za dosego visoke poroznosti (Al prah, H2O2, NaOCl, SDS). Poleg tega, da se kot izhodni material uporabijo odpadni materiali, je dodatna prednost takšnih pene (v primerjavi s komercialno dostopnimi anorganskimi penami), da se proizvaja pri temperaturah, ki so nižje od 100 ° C. Tako dobljen proizvod pa je stabilen tudi pri povišanih temperaturah (pričakovano do 1000 °C).
Za doseganje teh ciljev se bo projekt osredotočil na:
- identifikacijo lokalnih odpadkov, ki bi se lahko uporabili pri proizvodnji alkalno aktiviranih materialov,
- izbiro primernih kombinacij izhodnih materialov in alkalijskih aktivatorjev s pristopom DOE (Design Of Experiment) za doseganje optimalnih lastnosti,
- identifikacijo primernih penilcev in sredstev za stabilizacijo pene za dosego visoko porozne strukture,
- karakterizacijo AAM pene pri sobni temperaturi in pri povišani temperaturi (do 1000 ° C),
- kvantifikacijo okoljskega odtisa tovrstne tehnologije in izdelkov s pomočjo LCA analize.
Projekt je razdeljen na šest delovnih sklopov vezanih na specifične cilje projekta, izvajal pa ga bo ZAG - Oddelek za materiale in IJS - Oddelek za napredne materiale. Obe skupini imata že veliko izkušenj pri pripravi in kvantifikaciji penjenih materialov iz različnih izhodnih komponent.
Pridobljeno znanje bo podlaga za razvoj različnih novih izdelkov na osnovi odpadkov, ki se trenutno odlagajo na deponije in so potencialno škodljivi za okolje. V projektu bomo tako pridobili novo interdisciplinarno znanje, kjer bodo tehnični vidiki tehnologije in proizvodov združeni z okoljskimi vidiki.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave geopolimerov oz alkalno aktiviranih materialov so iz znanstvenega vidika v zadnjem času zelo aktualne, kar dokazujejo številne objave, citati, patenti, projekti,prenosi v industrijo…
V okviru našega projekta ocenjujem,da bo največji doprinos k znanosti dosežen z oceno in določitvijo vplivnih parametrov odpadneg stekla in odpadne žlindre za process alkalne aktivacije. Za sam process penjenja pa bo pomembno razumevanje procesa stabilizacije pen za dosego stabilne uniformno porozirane strukture in tudi delovanje različni penilcev. Za dosego optimiziranih lastnosti je namreč pomembno načrtovanje sestav, kjer so ključni izhodni materiali, alkalijski aktivatorji, delovanje stabilizatorjev, učinek penilcev in nega, ki je običajno pri rahlo povišani temperature (do 80 oC).
Naši članki vezani na to tematiko v pepelih že dosegajo v roku enega leta od objave zaznavno citiranost in ocenjujemo ,da bomo s poglobitvijo razumevanje procesov in aplikacije na druge izhodne materiale ( v našem primeru žlindre in odpadno steklo) lahko pripravili kvalitetne znanstvene publikacije. Članki na temo penjenih alkalijsko aktiviranih materialov se namreč pojavljajo šele v zadnjih letih, zato je ne tem področju še prostor za poglobljene raziskave, kejr pričakujemo tudi odmevnost preko citiranja in možnost vključevanja v mednarodne projekte.
Ker bo sestavni del projekta tudi okoljska analiza preko t.i. ocene življenjskega cikla (“life cycle assessment”- LCA) tovrstih proizvodov,kjer ocenjujemo,da bo zaradi uporabe odpadnih materialov in sinteze pri nizkih temperaturah, okoljsko sprejemljivejša alternativa kot denimo penjena stekla ali porozirana keramika. Tovrstne analize bodo podale tudi konkretne primerjave oz vplive na toplogredne pline in ostale parameter znotraj LCA. Tudi ta interdisciplinarni pristop bo preko podrobnih analiz in primerjav doprinos k znanosti na področju okolja in LCA ocen.
Dodatno pa bomo k razvoju znanosti in stroke doprinesli z mednarodnim delovanjem na tem področju, predvsem preko aktivnosti v Rilemovem združenju, to je združenju vrhunskih strokovnjakov iz področja gradbeništva (https://www.rilem.net/ ) in njegovih tehničnih odborov (TC DTA Durability testing of alkali activated materials in TC CCC Carbonation of concrete with supplementary cementitious materials); vodja projekta V.Ducman je članica teh odborov. Na podlagi rezultatov testov in medlaboratorijskih primerjav, pridobljenih v okviru teh odborov, in tudi dodatnih raziskav in analiz, bomo lahko ocenili dolgoročno obnašanje tovrstnih materialov v različnih pogojih in tudi prispevali k Rilemovim smernicam za preskušanje tovrstnih materialov in proizvodov.
Pomen za razvoj Slovenije
Over the last few years research into alkali geopolymers has intensified. In fact, this specialized field is of high topical importance, proven by the publishing of numerous papers and citations, projects and industry transfers…
Within our project the scientific contribution will be related to the determination of the influential parameters of waste glass and waste slag for the process of alkali activation.
For the foaming process itself, however, an important understanding of the stabilization process of the foams and implementation of this knowledge will result in a stable uniformly porous structure, together with the various foaming agents. For design of optimal performance, the most important factors are starting materials (precursors, based on waste), alkaline activators, stabilizers, foaming agents and curing regime, which is usually performed at a slightly elevated temperature (up to 80 oC).
Our published articles related to the topic of foaming in fly ashes have already achieved noticable citation within a period of one year from the publication, and we estimate that by deepening the understanding of processes and applications on other starting materials (in our case, slag and waste glass), we can prepare scientific publications of high quality. Articles on the phenomenon of foamed alkali-activated materials have only been appearing in recent years; therefore, this is still a niche area for an in-depth research. Activities in this field can further improve impact trough citations, and offer the possibility of joining to the international projects.
Since an environmental analysis will also be part of the project through i.e. life cycle assessment (LCA) of such products, where it is estimated that due to the use of waste materials and low temperature synthesis, alkali activated foams will be an environmentally acceptable alternative to similar products, such as foamed glass or porous ceramics. Such analyzes will also provide bench mark comparisons to the existing products, and provide the information on the impacts on greenhouse gases and other parameters within the LCA. This interdisciplinary approach will also contribute to environmental sciences.
In addition, we will contribute to the development of science and profession through international activities in this field, primarily through the activities of the Rilem Association, an association of top experts in the field of construction (https://www.rilem.net/) and its technical committees (TC DTA Durability testing of alkali activated materials and TC CCC Carbonation of concrete with additional cementitious materials); project leader V.Ducman is a member of these committees. Based on the results of the tests and inter-laboratory comparisons obtained within these committees, as well as additional research and analysis, we will be able to evaluate the long-term behavior of such materials under different conditions and also contribute to Rilem's guidelines for testing such materials and products.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
