www.claypolymers.com - Clay polymer

Chemická podstata hmoty

Chemická struktura základního geopolymeru Geopolymerní materiály syntetizované alkalickou aktivací aluminium-silikátových látek představují nový typ materiálů. Alkalicky aktivované materiály - geopolymery jsou materiály na rozhraní mezi klasickými hydratovanými anorganickými pojivy, skelnými a keramickými materiály. Suroviny pro přípravu geopolymerů mohou být převážně látky odpadního charakteru jako jsou elektrárenské popílky, strusky z metalurgických procesů a jiné anorganické odpady nebo přírodní materiály jako jsou jíly, kaolíny, aj. Metoda studených anorganických syntéz vychází z alkalických reakcí aktivovaných aluminium-silikátů při laboratorní teplotě a tlaku. Bylo ověřeno, že dvojvrstvý jílový minerál kaolinitického typu je schopen vytvářet anorganické polymerní prostorové sítě za vzniku nových pevných látek.

Geopolymery jsou tedy sloučeniny hliníku a křemíku (vazby -Si-O-Al-O) jsou pojícím stavebním prvkem chemických řetězců. Ke geochemickým syntézám dochází pomocí oligomerů (dimerů, trimerů), které tvoří strukturu jednotky třírozměrné makro- molekulární stavby.

Konverze se provádí na odpadových jílových materiálech z těžby a zpracování běžných keramických surovin kaolinitického typu, zpravidla znečištěných obsahem železnatých a železitých iontů přesahujícím 2,5% a zvýšeným obsahem oxidu titaničitého, případně organickými látkami. Tyto nečistoty v jílech brání využití ve stávajících technologiích a jejich množství přesahuje 250 000 tun ročně jen na území ČR.

Získané typy pevných látek jsou amorfní, dokazující jen minimální výskyt krystalických látek a mají řadu překvapivých vlastností:

nejsou rozpustné ve vodě,
nehoří ani nevytvářejí zplodiny,
jsou odolné k teplotám kolem 1000°C, (na rozdíl od betonu, který se začíná rozpadat při teplotách nad 300°C),
tepelná vodivost se různí podle druhu a množství plniva, polymer sám má velmi nízkou teplotní vodivost,
pevnost v tlaku prostém podle množství a druhu plniva je mezi 10 – 60 Mpa a zde záleží i na druhu přípravy,
(vibrování, vakuování připravené směsi, teplotě při které reakce proběhla).

Vznikající pevné látky anorganického polymeru jsou vytvářeny ze soustavy sol-gel. Prekursorem reakce je voda, která při procesu solidifikace pomalu a postupně odchází. Vliv odcházející vody má za následek otevřenou pórovitost mezzopórů (velikosti mezi 20 – 25 nm) v rozsahu 6 – 15%. Anorganické polymery lze plnit dalšími materiály ( písky z plavení kaolinu, odpadová slída, drcený stavební odpad, vápenec apod.) a to až do množství 85% k množství jílové složky. Podle množství plniva lze regulovat pórovitost vznikajících látek a tím definovat užití.

Vysvětlení principu solidifikace

zrna kameniva v geopolymerní síti Dvojvrstvé jílové materiály, jako jsou kaoliny, dickity a nacrity, mohou být konvertovány tepelnou úpravou pod teplotou 800°C na metakaolinitickou formu. Teplem, až do určité teploty před tím, než se začíná formovat mullit (teploty nižší než 1000 °C), se krystalická mřížka rozloží a při dostatečném času na takové teplotě se transformuje postavení hliníku v mřížce ze své pozice AlVI a AlIV koordinačního čísla. Potvrzení takové přeměny je v diagramech MAS-NMR (nukleární magnetická rezonance v pevném stavu) a byla důkladně prověřena prací prof. Sanza a jeho spolupracovníků. Taková příprava se nazývá aktivace a materiál v tomto stavu může být zpracováván alkalickými vodními roztoky.

Tvorba polymerní sítě

Tvořená třírozměrná a prostorová síť je elektricky vyvážena atomy sodíku, respektive draslíku, Základní schéma:

Tvorba anorganických polymerů proběhne za 12 – 16 hodin při normální teplotě a tlaku okolí. Směs neobsahuje ani cement ani vápno a je prosta organických pojiv. Následující obrázky demonstrují přípravu geopolymerní hmoty.

Příprava hmoty

Jílová surovina musí mít částice menší než 20 mikronů v množství alespoň 40% celkového objemu, teplotní aktivace při teplotě nižší než je 800 °C,
Příprava alkalického roztoku v molárních poměrech:
- SiO2 / Al2O3 / Na2O (K2O)
- 2-4 / 1 / 0,24 – 0,3
Obsah vody je počítán v molárních poměrech takto:
- H2O / Na2O (K2O)
- 14 – 20 / 1
příprava směsi v míchači se silnějším motorem pro vmíchání větších množství plniva,
nejdříve se mísí aktivovaný jíl s proporcionálně vypočteným roztokem alkálií – směs postupně houstne jak reakce pomalu nabíhá,
hotový základ (v konsistencimedu) lze plnit plnivy a získá se směs hustá, ale tekutá a homogenní,
naplnění formy k získání pevné hmoty je možné formu vibrovat, aby se vyloučily bubliny vzduchu.

Geopolymery versus portlandský cement

graf znázorňující rozdíl výroby portlandského a geopolymerního cementu Na obrázku vlevo je znázorněno tvrdnutí portlandského cementu, díky jednoduché hydrataci křemičitanu vápenatého za vzniku jeho dihydrátu a hydroxidu vápenatého.

Na obrázku vpravo potom vidíme vytvrzení geopolymerní pryskyřice díky polykondenzaci K-oligo-(sialate-siloxo) a vzniku K-poly-(sialate-siloxo).

Pro srovnání lze uvést některé hodnoty, které objasní výhody geopolymerních pojiv ve srovnání s portlandským cementem. Jde zejména o ekologický přínos:

spotřeba energie: výroba geopolymerního cementu 1230-1310 MJ/tunu (porovnáno s portlandským cementem, kde hodnoty dosahují 3500 MJ/tunu).
CO2 emise během výroby: 0,180 t/tunu pro geopolymerní cement (porovnáno s portlandským cementem 1,0 t/tunu).

Redukce CO2 v atmosféře

Obyčejný cement, často nazývaný oficiálně jako portlandský, je látka silně znečišťující životní prostředí. Studie ukázaly, že se do ovzduší vypustí jedna tuna oxidu uhličitého při produkci jedné tuny cementu kdekoliv na světe. Jedinou výjimkou jsou takzvané „směsné cementy“, používající ingredience jako jsou uhelný popílek, kde jsou emise CO2 mírně sníženy, maximálně však o 10 – 15 %. Neexistuje zatím žádná známá technologie pro redukci emisí oxidu uhličitého z produkce portlandského cementu.

planeta Země, zatížená emisemi CO2 Evropští výrobci cementu jsou zatíženi ekologickou daní pro emise CO2 a často lobují bruselskou administrativu. Prohlašují, že ekologická daň má negativní dopad na konkurenceschopnost evropského cementářského průmyslu. Je možné, že ekologická daň přiměje továrny k přestěhování do zahraničí mimo EU. Zástupce jedné z největších cementářských továren argumentuje: pokud bude Evropská unie jediná, kdo zavede ekologickou daň, bude více výhodné postavit továrny v Severní Africe, raději nežli v Marseille. Cena dopravy by se však vyrovnala zvýšeným nákladům ve výrobě včetně zmiňované daně. Tento názor však neodpovídá skutečnému stavu problému, který popsal jako jeden z autorů Joseph Davidovits na 5. mezinárodní konferenci globálního oteplování. Břemeno by se přeneslo do zemí třetího světa a mezinárodní produkce cementu by rostla dál.

Portlandský cement vzniká pálením vápence (uhličitan vápenatý) za velmi vysokých teplot, přibližně 1450 - 1500°C, a také křemičito-hlinitých materiálů podle druhu reakce:
5CaCO3 + 2SiO2 -->(3CaO, SiO2) + (2CaO, SiO2) + 5CO2

To znamená, že výroba 1 tuny cementu vygeneruje 1 tunu CO2 skleníkových plynů. Výroba portlandského cementu, jako mnoho dalších faktorů lidské činnosti, neustále zvyšuje emise CO2, a proto by se měly budoucí hodnoty atmosférického CO2 adekvátně snižovat v souladu se zásadami trvale udržitelného rozvoje.

Bereme-li v úvahu 5% roční růst emisí CO2, budou v roce 2015 představovat emise CO2 vypouštěných v Evropě (průmyslové aktivity, energie, doprava) 3500 miliónů tun. Uvedené množství představuje 65% celkových emisí CO2 v USA za zmíněný rok 2015. To vykresluje potřebu nových technologií, které by se v rozvinutých zemích měly zavést.

srovnávací graf emisí CO2 Pokud se v nebližší době neprovede drastická změna, atmosféra naší planety bude zničena díky produkci portlandského cementu, který je mnohem horší nežli jiný zdroj znečištění, nežli ropný průmysl nebo jakýkoliv jiný průmysl. Bohužel je nebezpečí pro světový ekosystém ze strany výroby portlandského cementu málo známé, jak pro politiky, tak pro veřejnost. To činí celý problém ještě závažnější, když nikdo nic neví, nikdo nic neudělá. Taková situace samozřejmě nemůže dále pokračovat, pokud hodláme zemi zachránit. Konverze existujících cementáren na čistou produkci geopolymerických cementů nevyžaduje nutně změnu vybavení. Pro nový proces se mohou používat stejná síta a stejné pece, ty však mohou běžet jen na poloviční teplotu. Na produkci geopolymerního cementu není zapotřebí teploty vyšší než 750°C, na rozdíl od portlandského cementu, kde je nutných až 1500°C. To znamená, že pro výrobu cementu by byla potřebíná jen asi třetina energie, chronologicky by se tak ušetřily dvě třetiny paliva. Dále to znamená výhody pro regiony, kde se jako palivo používá uhlí. Dojde ke snížení obsahu oxidů síry a oxidů dusíku, stejně jako přidružených látek toxického charakteru. Stěžejní výhoda ale spočívá ve snížení emisí CO2, protože samotný chemický proces geopolymerizace neprodukuje žádné CO2, a potřeba paliva je minimální. Dohromady dojde ke snížení emisí o 80 – 90%.

Zatím neexistuje žádná jiná a vyzkoušená technologie, nikde na světě, která by nabízela takovou šanci na záchranu světové atmosféry.

Přihlášení:
login:
heslo: