Možnosti využití speciálně upraveného nebezpečného odpadu jako plniva do polymerní spárovací hmoty
Tato práce je zaměřena na ověření možnosti využití speciálně upraveného nebezpečného odpadu, solidifikátu, vzniklého z vybrané druhotné suroviny jako solidifikačního činidla a nebezpečného odpadu (end-produktu), jako plniva do polymerní spárovací hmoty. Celkově byly ověřovány dvě technologie solidifikace, přičemž jednou z nich bylo mokré sbalkování surovin a druhou byla suchá homogenizace. Jako výhodnější se jeví využití technologie suché homogenizace, která je ekonomicky méně náročná. Možnost použití speciálně upraveného plniva byla ověřována vybranými zkouškami, z jejichž výsledků bylo zjištěno, že spárovací hmota vykazovala vysoké pevnosti v tlaku, přibližně 50 MPa, pevnosti v tahu za ohybu až kolem 20 MPa. Vyvinutá hmota vykazuje taky velmi dobrou soudržnost s taveným čedičem.
Článek byl oceněn a vydán v rámci 21. ročníku odborné konference doktorského studia Juniorstav.
1 Úvod
Cílem této práce bylo ověřit možnost využití solidifikátu vytvořeného z vybrané druhotné suroviny jako solidifikačního činidla a nebezpečného odpadu jako plniva do polymerní spárovací hmoty. Tato hmota bude určena především pro spárování čedičových prvků v kanalizačních stokách a některých průmyslových provozech, kde bude vystavena silnému chemickému agresivnímu prostředí. V souvislosti s neustálou produkcí nebezpečných odpadů v průmyslu a snahou co nejvíce zamezit skládkování těchto materiálů je potřeba najít vhodné využití takovýchto nebezpečných odpadů. Nebezpečný odpad byl upraven vhodnou technologií solidifikace za účelem vzniku vhodného plniva použitelného do polymerní spárovací hmoty. V rámci provedeného výzkumu byly ověřovány celkem dvě technologie solidifikace. Jednou z nich byla suchá homogenizace surovin (solidifikační technologie 1 – ST1) a druhou bylo mokré sbalkování surovin (solidifikační technologie 2 – ST2). Solidifikace mokrým sbalkováním byla prováděna zkrápěním vodou směsi vytvořené z nebezpečného odpadu, fluidního popílku a cementu na granulačním talíři. Takto vytvrzené a následně vysušené sbalky byly pak pomlety a v závěru vzniklo velmi jemné plnivo v podobě solidfikátu. Solidifikace suchou homogenizací byla prováděna dokonalým mísením nebezpečného odpadu a fluidního popílku v homogenizátoru po dobu 24 hodin. Možnost využití takto speciálně upraveného plniva byla ověřována vybranými zkouškami, kterými bylo stanovení pevnosti v tlaku a pevnosti v tahu za ohybu, stanovení přídržnosti spárovací hmoty k čedičové dlaždici, stanovení pevnosti v tahu a poměrného prodloužení při přetržení, pomocí optického mikroskopu bylo sledováno rozložení plniva v epoxidové matrici a také rozhraní spojení spárovací hmoty s čedičovou dlaždicí. Z výsledků zkoušek pak bylo zjištěno, že spárovací hmota vykazovala velmi dobré pevnosti v tlaku okolo 50 MPa, pevnosti v tahu za ohybu okolo 20 MPa, pevnost v tahu okolo 18 MPa s poměrným prodloužením při přetržení okolo 0,50 % a také měla velmi dobrou přídržnost k čedičové dlažbě. Z důvodu možnosti uvolnění některých složek nebezpečného odpadu z plniva nelze tuto spárovací hmotu používat do hygienicky čistých provozů.
2 Literární přehled/popis současného stavu
Pro výrobu nejkvalitnějších spárovacích hmot do náročných průmyslových provozů se nejčastěji využívají pojiva na polymerní bázi, které se vyznačují velmi dobrou adhezí k většině materiálů [1]. Jedny z nejkvalitnějších pojiv jsou polymerní pojiva na bázi epoxidové pryskyřice (EP), které vynikají výbornou přilnavostí k většině materiálů, a po vytvrzení vynikají výbornými fyzikálně-mechanickými vlastnostmi, minimálním smrštěním a dobrou chemickou odolností [2][3]. Z tohoto důvodu byla pro tento výzkum jako pojivo vybrána právě polymerní hmota na bázi epoxidové pryskyřice (EP). Využitím EP jako pojiva pro správkovou hmotu se zabývali Hodul a kol. [4], kde sledovali možnosti využití denitrifikovaných elektrárenských popílků do správkových hmot. Aby bylo možné nebezpečný odpad (NO) použít jako plnivo do polymerních hmot, je potřeba ho nejprve vhodně upravit. Nejběžnějším typem úpravy nebezpečných odpadů (NO) je právě výše zmíněná solidifikace (stabilizace) [5]. Jedná se o smísení NO s reakčními činidly, která navážou nebezpečné látky do pevné matrice, aby nedocházelo k uvolňování kontaminovaných složek do životního prostředí. Nejčastěji používanými činidly jsou vápno, cement nebo elektrárenský popílek. Tímto typem úpravy se již také zabývali Hodul a kol. [6] v jejich experimentu, ve kterém se zabývali solidifikací neutralizačních kalů. Solidifikací dalších NO se zabývali i Lopéz a kol. [7], kteří se snažili stabilizovat NO obsahující velké množství rtuti. Snahou je maximálně využívat veškeré odpady, aby se co nejvíce omezilo jejich velice nákladné upravování a skládkování, což přispívá k ochraně životního prostředí.
3 Metodika
Obr. 1 Stanovování pevnosti v tahu za ohybu na zkušebním lisu
V této části jsou uvedeny zkušební postupy, kterými bylo ověřováno využití upraveného nebezpečného odpadu (NO), solidifikátu, jako plniva do polymerní spárovací hmoty.
Stanovení pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku
Tyto zkoušky byly prováděny podle normy ČSN EN 13892-2 Metody zkoušení potěrových materiálů – Část 2: Stanovení pevnosti v tahu za ohybu a v tlaku. Bylo zkoušeno 20%, 30% a 40% plnění spárovací hmoty plnivem ze suché homogenizace a plnivem z technologie sbalkování. Zkoušky byly prováděny na zkušebních trámečcích o rozměrech 20 × 20 × 100 mm (viz Obr. 1). Nejprve byla prováděna zkouška stanovení pevnosti v tahu za ohybu a na zlomcích trámečků byla prováděna zkouška stanovení pevnosti v tlaku.
Stanovení tahových vlastností
Tato zkouška byla prováděna podle normy ČSN EN ISO 527-1 Stanovení tahových vlastností – Část 1: Základní principy a ČSN EN ISO 527-2 Stanovení tahových vlastností – Část 2: Zkušební podmínky pro tvářené plasty. Zkouška probíhala podle uvedených norem na speciálních zkušebních tělesech ve tvaru oboustranných lžiček (viz Obr. 2) na zkušebním lise (viz Obr. 3). Zatěžování probíhalo rychlostí 5 mm/min. Z naměřených hodnot byly spočítány nejvyšší pevnost v tahu a poměrné prodloužení při nejvyšší pevnosti (přetržení).
Obr. 2 Zkušební tělesa pro stanovení tahových vlastností
Obr. 3 Zatěžování zkušebního tělesa tahovou sílou v testovacím zařízení
Stanovení soudržnosti s čedičovou dlažbou
Tato zkouška byla prováděna podle normy ČSN EN 1542 Výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí – Zkušební metody – Stanovení soudržnosti odtrhovou zkouškou. Na povrch spárovací hmoty byly nalepeny kovové terče o průměru 50 mm (viz Obr. 4), které se po vytvrzení lepidla ořezaly do osmiúhelníku až do podkladní čedičové dlažby. Následně byly pomocí odtrhového zařízení DYNA Proceq Z16 (viz Obr. 5) terče odtrženy a byla zjištěna soudržnost spárovací hmoty s čedičovou dlažbou (Obr. 6).
Obr. 4 Nalepené a ořezané kovové terče pro stanovení soudržnosti
Obr. 5 Provádění odtrhové zkoušky
Obr. 6 Odtržená spárovací hmota od povrchu dlaždice
Sledování kontaktní zóny mezi spárovací hmotou a čedičovou dlažbou
Detail spojení spárovací hmoty s povrchem čedičové dlažby byl sledován pomocí digitálního mikroskopu WHX-950F. Tento digitální mikroskop má obrazový snímač CMOS s virtuálními pixely 1600 (H) × 1200 (V), snímkovací frekvenci 50 F/s a umožňuje zvětšení až 200×. Kontaktní zóna byla pozorována při zvětšení 20× a 200×.
4 Výsledky
V následující sekci jsou interpretovány výsledky provedených zkoušek v podobě grafických výstupů a obrázků.
Obr. 7 Grafické zpracování výsledků pevnosti v tahu za ohybu
Obr. 8 Grafické zpracování výsledků pevnosti v tlaku
Obr. 9 Grafické zpracování výsledků pevnosti v tahu a poměrného prodloužení při přetržení
Obr. 10 Grafické zpracování výsledků soudržnosti spárovací hmoty k čedičové dlažbě
Obr. 11 Detail napojení vyvinuté spárovací hmoty (30% ST2) k tavenému čediči – zvětšení 20×
Obr. 12 Detail napojení vyvinuté spárovací hmoty (30% ST2) k tavenému čediči – zvětšení 200×
5 Diskuse
Z výsledků provedených zkoušek vyplynulo, že upravený nebezpečný odpad (NO) v podobě solidifikátu se jeví jako velice vhodné plnivo. V rámci provedeného výzkumu byl mimo jiné také sledován vliv různých solidifikačních technologií na výsledné vlastnosti spárovací hmoty. Bylo zjištěno, že ve většině případech vykazovala lepší vlastnosti spárovací hmota s plnivem vytvořeným mokrým sbalkováním. Tato skutečnost je pravděpodobně způsobena tím, že při mokrém sbalkování byl do solidifikační směsi přidán taky cement, který způsobil, že plnivo mělo vyšší pevnost a došlo k lepší inkorporaci polutantů. Při porovnání výsledných hodnot je ale vidět, že rozdíly v pevnostech jsou minimální, a vzhledem k složitější, časově náročnější a nákladnější technologii mokrého sbalkování, je ekonomicky výhodnější solidifikační technologie suché homogenizace. Z výsledků tříbodové pevnosti v tahu za ohybu (Obr. 7) a pevnosti v tlaku (Obr. 8) je vidět, že s rostoucím procentem plnění mají výsledné hodnoty spíše klesající tendenci, a proto bylo pro další zkoušení zvoleno 30% plnění, které zaručovalo relativně dobré vlastnosti a také poměrně vysoké procento plnění. Pevnosti v tahu za ohybu se pohybovaly u hmoty s 30% plněním okolo 25 MPa a pevnosti v tlaku byly přibližně 50 MPa. Posouzením výsledků pevnosti v tahu a poměrného prodloužení při přetržení (Obr. 9) je zřejmé, že lepší pevnost vykazovala spárovací hmota s plnivem připraveného mokrým sbalkováním, nicméně tento rozdíl je minimální. Pevnost v tahu se pohybovala okolo 18 MPa s poměrným prodloužením při přetržení 0,50 %. Při zjišťování soudržnosti spárovací hmoty s čedičovou dlažbou bylo zjištěno, že soudržnost je 3,48 MPa, což je poměrně vysoká hodnota soudržnosti, a také zde bylo zjištěno, že rozdíl mezi hmotami s různě připravenými plnivy je minimální (Obr. 10). Pro zjištění detailu napojení spárovací hmoty a čedičové dlažby byla pomocí digitálního mikroskopu sledována kontaktní zóna těmito materiály. Při zvětšení 20× (Obr. 11) byly pozorovatelné vzduchové póry ve spárovací hmotě vzniklé v důsledku míchání, ale v kontaktní zóně spárovací hmota-čedičová dlažba nebyly pozorovány žádné imperfekce. Pro ještě detailnější pozorování napojení spárovací hmoty na čedičovou dlažbu bylo zvoleno zvětšení až 200× (Obr. 12), kde bylo ještě lépe vidět dokonalé přilnutí spárovací hmoty k dlažbě, kdy hmota dokonale kopíruje nerovnosti povrchu dlažby. Mimo jiné při takovémto zvětšení je již poměrně dobře pozorovatelná struktura jak spárovací hmoty, tak čedičové dlažby. Ve struktuře spárovací hmoty je vidět, že plnivo je dokonale rozloženo v celém objemu epoxidové matrice a nedochází ke vzniku shluků.
6 Závěr
Z provedeného výzkumu, který se zabýval zjištěním možností využitím speciálně upraveného nebezpečného odpadu (solidifikátu) jako plniva do polymerní spárovací hmoty vyplynulo, že takto upravený solidifikát se jeví, jako velice vhodné plnivo. Byly porovnávány celkem dvě navržené technologie solidifikace, přičemž jednou technologií bylo mokré sbalkování a druhou suchá homogenizace. Vzhledem ke skutečnosti, že výsledky s oběma takto připravenými plnivy byly velice podobné a druh solidifikační technologie neměl žádný výrazný vliv na výsledné fyzikálně mechanické vlastnosti spárovací hmoty, tak se jeví jako ekonomicky výhodnější technologie suché homogenizace. Jako ideální procento plnění bylo zvoleno 30% plnění epoxidové pryskyřice (EP), které zaručovalo dosažení velice dobrých výsledných pevností při použití poměrně značného objemu plniva obsahujícího nebezpečný odpad (NO). To má za následek snížení potřebného množství drahé EP, čímž dojde ke zlevnění celkové ceny hmoty. Využívaní vhodného NO a druhotných surovin dále přispívá k omezení skládkování těchto materiálů a snižování ekologických zátěží. Celkově bylo zjištěno, že zkoušená spárovací hmota s takto upraveným plnivem vykazovala velice dobré výsledné pevnosti a přídržnosti k velmi tvrdé a hladké čedičové dlažbě. Další fází řešeného výzkumu by mělo být ověření chemické odolnosti vyvinuté spárovací hmoty a také stanovení odolnost vůči obrusu.
Poděkování
Tato práce byla vypracována v rámci specifického výzkumu FAST-J-18-5265 „Výzkum speciální spárovací hmoty na polymerní bázi s využitím druhotných surovin a nebezpečných odpadů“ a v rámci projektu FV20303 „Progresivní polymerní hmoty s využitím druhotných surovin a nebezpečných odpadů do chemicky silně agresivního prostředí“.
Použité zdroje
- PROLONGO, Silvia G., ROSARIO, Gilberto del a UREŇA, Alejandro. Comparative study on the adhesive properties of different epoxy resins. International Journal of Adhesion & Adhesives. 2006, vol. 26, no. 26, pp. 125–132.
- MESHRAM, Prashant, SAHU, Sonika, ANSARI, Mohd. Zahid a MUKHERJEE, Sujoy. Study on mechanical properties of epoxy and nylon/epoxy composite. Materialstoday: Proceedings. 2018, vol. 5, no. 1, pp. 5925–5932.
- LEE, Henry a NEVILLE, Kris. Handbook of Epoxy Resins. New York: McGraw-Hill, 1967.
- HODUL, Jakub, DROCHYTKA, Rostislav a HODNÁ, Jana. Experimental verification of utilization of fly ash from the glue gas denitrification process as a filler to epoxy patching mortar. Procedia engineering. 2017, pp. 134–-141.
- BONE, Brian, BERNARD, Lindsay, BOARDMAN, David, CAREY, Paula, HILLS, Colin, JONES, Hilary, MACLEOD, Cecilia a TYRER, Mark. Review of scientific literature on the use of stabilisation/solidification for the treatment of contamined soil, solid waste and sludges. 2004.
- HODUL, Jakub, DOHNÁLKOVÁ, Božena a DROCHYTKA, Rostislav. Solidification of hazardous waste with the aim of material utilization of solidification products. Procedia Engineering. 2015, vol.108, pp. 639–646.
- LOPÉZ, Félix A., ALGUACIL, Francisco J., RODRÍGUEZ, Olga, SIERRA, Mária José a MILLÁN, Rocío. Mercury leaching from hazardous industrial wastes stabilized by sulfur polymer encapsulation. Waste Management. 2015, vol. 35, pp. 301–306.
This work is focused on the verification of the possibility of using specially modified hazardous waste, solidification product, formed from selected secondary raw materials as solidifying agent and hazardous waste (end-product) as a filler in polymer grout joint material. Totally, two solidification technologies were verified, the first one was wet granulation of raw materials and another one was dry homogenization. It is more advantageous to use dry homogenization technology, which is economically less demanding. The possibility of using a specially modified filler was verified by the appropriate tests, and results showed that the grout joint showed high compressive strength of approximately 50 MPa, flexural strength up to about 20 MPa. Developed material can also be characterized by very good cohesion with the cast basalt.