DOLGOS Fanni1, PAPNÉ HALYAG Nóra 2, SZABÓ Roland3, MUCSI Gábor4
1tanszéki mérnök, ejtdolgf@uni-miskolc.hu
1, 2, 3, 4Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, Miskolci Egyetem
2 tanszéki mérnök, ejtpnora@uni-miskolc.hu
3tudományos segédmunkatárs, ejtszabor@uni-miskolc.hu
4egyetemi docens (Dr. habil), ejtmucsi@uni-miskolc.hu
Kivonat: A cikkben ipari hulladékból készült könnyű-geopolimer kompozit szerkezeti vizsgálatának eredményei kerülnek bemutatásra. A FT-IR spektroszkópia eredményei az alkáli aktiválás során keletkező, új geopolimerizációs reakciótermékek létrejöttét bizonyítják, amelyet a SEM felvételek is alátámasztanak. Az EDS analízis során a duzzasztott perlit szemcséken lejátszódó geopolimerizációs folyamatokra utaló eredményeket kaptunk. A továbbiakban XRD és XRF vizsgálatok szükségesek a reakciótermékek pontos meghatározása érdekében.
Kulcsszavak: geopolimer, kompozit, ipari hulladék, másodlagos nyersanyag
Abstract: In this paper the structural study results of lightweight geopolymer composite made from industrial waste are presented. The results of FT-IR spectroscopy proves the formation of new, geopolymerisation reaction products which is further supported by the SEM footages. From the EDS analysis results it can be observed that geopolymerisation process happened on the surface of the expanded perlite particles as well. For more details about the structure of the products XRD and XRF analysis is needed.
Keywords: geopolymer, composite, industrial waste, secondary raw material
1. BEVEZETÉS
A XXI. század egyik jelentős problémája a növekvő igények hatására a primer nyersanyag készletek egyre nagyobb mértékű csökkenése, valamint nagy figyelem irányul az energiatakarékosság szempontjából előnyős új technológiák és anyagok fejlesztése felé. Az egyik ilyen ígéretes megoldás – a hagyományosan metakaolinból készült – alkáli aktiválás során előállított geopolimer, továbbá annak könnyű adalékanyagokkal történő kombinálásával létrejövő könnyű (hőszigetelő) kompozitok. Kedvező fizikai és kémiai tulajdonságai mellett, a geopolimerben nagy arányban felhasználhatóak az ipari melléktermékekből származó szekunder nyersanyagok, valamint előállítása kevesebb CO2 keletkezésével jár, mint a hagyományos portland cementé [7].
Jelen tanulmány célja egy könnyű aggregátumot és hulladék alapú geopolimert tartalmazó kompozit szerkezetének vizsgálata.
2. MÉRÉSI MÓDSZEREK
Az általunk vizsgált anyag mechanikailag aktivált erőműi pernye-alapú geopolimer kötőanyag és duzzasztott perlit keverékéből készült. Az anyagszerkezeti méréseket JASCO FT-IR 4200 típusú spektrométerrel végeztük. A mikroszerkezeti morfológiai vizsgálatokat egy
78
Phenom ProX elektronmikroszkóp segítségével végeztük el, a felvételek készítése mellett energiadiszperzív spektroszkópia (EDS) vizsgálatot is elvégeztünk.
3. EREDMÉNYEK
3.1. FT-IR spektroszkópia
Az FTIR készülékkel mért minták: kompozit, a próbatestekből kivett duzzasztott perlit (DP) és geopolimer (GP).
Az 1. ábrán láthatóak a kompozitról, valamint a duzzasztott perlitről és a geopolimerről készített mérések eredményei. A 440 és 580 cm-1 közötti csúcsok az Al-O/Si-O kötések hajlító és nyújtó vibrációihoz köthetőek, utóbbiak félkristályos alumino-szilikátok kialakulására is utalhatnak [1, 2].
1. ábra. FT-IR spektroszkópia eredménye
Az 1010 cm-1 hullámszámnál megjelenő főcsúcsok a legfőképpen láncos szerkezetű SiQn (n=0-2) egységek jelenlétét jelentik. Ezen csúcsok megjelenése új reakciótermék (amorf aluminoszilikát gél) létrejöttének tulajdoníthatók [1, 2, 3]. Az 1455 és 1735 cm-1-nél jelentkező csúcsok a C-O és C=O kötésekre jellemző rezgések, amelyek karbonátos csoportok jelenlétére utalnak. Ezek jelenlétét alátámasztják az elektronmikroszkóppal elkészített felvételek és mikroanalízis eredményei is [4].
3.2. SEM felvételek
A felvételeken több, a geopolimerizációra és az abban résztvevő anyagokra jellemző alaktani jellegzetesség megfigyelhető. Érdemes kiemelni, hogy a néhány pernye szemcsén vagy geopolimeren felvett pontban a mikroanalízis Ti, Sb és Sn jelenlétét mutatja – ez az erőműi pernyében a szén tüzelése után visszamaradt nyomelem előfordulások.
A 2. ábra a) képén geopolimerrel (GP) körülvett duzzasztott perlit (DP) szemcse látható, ez a szemcsén levő töretben látszó, a DP-re jellemző szerkezetből könnyen megállapítható. A
79
szemcse felületén a törésből származó törmelék látható. Ezen és a mellette lévő törött DP-n felvett pontokban az EDS analízis a DP-re jellemző értéknél magasabb Na tömegkoncentrációt mutatott: ebből arra következtethetünk, hogy a használt alkáli aktiváló oldat a DP szemcsék és töretek felületén reakcióba lépett azzal. Papa és társai (2018) hasonló eredményekre jutottak DP kálium-szilikátos aktiválása során: megállapították, hogy a keverés által keletkezett töredékeken és vékony falú szemcséken GP nano-termékek keletkeztek, amelyek a részben reagált DP szemcsék közötti kötőanyagként is szolgálnak [5].
A b) képen egy DP szemcsén levő GP bevonat látható, az ezekben a pontokban mért oxidos összetétel a DP-re jellemző magas SiO2 és alacsony Al2O3 tömegkoncentrációt jelez. Itt is megnövekedett Na tartalom volt megfigyelhető, amely a perlit geopolimerizációjára utal. A felületen nem vagy részben reagált, az őrlés ellenére nagyméretű pernye szemcsék is láthatóak.
2. ábra. SEM felvételek: (a) geopolimerrel körbevont duzzasztott perlit szemcse, (b) geopolimer, (c) részben geopolimerizálódott szenoszfér, (d) zeolit híd.
A c) ábrán részben reagált pernye szenoszfér látható, amelyet a mikroanalízis alapján megállapított magas alumínium-oxid tartalom (22 wt%) is alátámaszt. A szemcse felületén látható termékek feltehetőleg, a geopolimerizációs folyamatok során kialakuló zeolitos fázis. A d) képen látható tűs-rostos felépítésű anyagot előzetesen egy karbonátos terméknek feltételeztük, azonban az EDS analízis nem mutatta szén jelenlétét a termékben: ezért
80
feltehetően ez is zeolittá átalakult GP gél [6]. Az ezekre vonatkozó pontosabb eredmények érdekében XRD és XRF vizsgálatok elvégzése szükséges.
A zöld nyíllal jelölt pontokban észlelhető szén, és esetenként magas Si, Na és O koncentráció: ezek a pernyében visszamaradt el nem égetett szén és/vagy a légkörben található karbonát NaOH oldattal történő reakciója során keletkezett karbonátos termékek jelenlétére utal.
4. ÖSSZEFOGLALÁS
Mind az FT-IR spektroszkópia, mind az elektronmikroszkóppal elkészített felvételek és EDS analízis bizonyítja, hogy az általunk vizsgált kompozitban kialakultak a geopolimerizációra jellemző termékek és szerkezetek. A SEM felvételeken jól elkülöníthetőek a pernye és duzzasztott perlit szemcsék. A mikroanalízis során a duzzasztott perlit szemcséken és törmelékeken felvett pontokban mért, a jellemzőnél magasabb Na koncentráció alapján elmondhatjuk, hogy azok felületén is végbementek geopolimerizációs folyamatok. A kompozit szerkezetének jobb megismerése érdekében a továbbiakban XRF és XRD vizsgálatok elvégzése szükséges.
5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP-3.6.1-16-2016-00011 jelű „Fiatalodó és Megújuló Egyetem – Innovatív Tudásváros – a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése” projekt részeként – a Széchényi 2020 keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. A laboratóriumi kísérletek egy részét az Innovatív finomőrlési-szemcsetervezési technológiák laboratóriumban végeztük el.
6. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] KUMAR, S., KRISTÁLY, F., MUCSI, G.: Geopolymerization behaviour of size fractioned fly ash. Advanced Powder Technology, 26, 24-30, 2015., ISSN: 0921-8831 [2] KUMAR, S., MUCSI, G., KRISTÁLY, F., PEKKER, P.: Mechanical activation of
fly ash and its influence on micro and nano-structural behaviour of resulting geopolymers. Advanced Powder Technology, 28, 802-813, 2017., ISSN: 0921-8831 [3] PANIAS, D., GIANNOPOULOU, I. P., PERRAKI, T.: Effect of synthesis
parameters on the mechanical properties of fly ash-based geopolymers. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 301, 246-254, 2007., ISSN: 0927-7757 [4] CHUKANOV, N. V., CHERVONNYI, A. D.: Infrared Spectroscopy of Minerals and
Related Compounds, Springer International Publishing, 2016., ISBN 978 3 319 25347 3
[5] PAPA, E., MEDRI V., MURRI, A. N., LAGHI L., DE ALOYSIO, G., BANDINI, S., LANDI, E.: Characterization of alkali bonded expanded perlite. Construction and Building Materials, 191, 1139-1147, 2018., ISSN:0950-0618
[6] KUMAR, S., KUMAR, R.: Mechanical activation of fly ash: Effect on reaction, structure and properties of resulting geopolymer. Ceramics International, 37, 533-541, 2011., ISSN: 0272-8842
[7] MUCSI, G. (szerk.): CriticEl Monográfia sorozat 6.: Erőműi pernye komplex hasznosítása, 45-52, 67-79, 152-166, 2014., ISSN: 2064-3195
81