J2-9197 Sinteza in karakterizacija alkalijsko aktiviranih pen na osnovi odpadnih materialov
Partnerji projekta:
| ZAG | Inštitut 'Jožef Stefan' |
 |
 |
Informacije o projektu
Vodja projekta: Vilma Ducman
Vodja projekta na ZAG: Vilma Ducman
Projektna skupina: na povezavi
Link na SICRIS: na povezavi
Trajanje projekta: 1.7.2018 - 30.06.2021
Višina financiranja ARRS:
2018: 0,67 FTE D cenovne kategorije
2019: 1,34 FTE D cenovne kategorije
2020: 1,34 FTE D cenovne kategorije
2021: 0,67 FTE D cenovne kategorije
Povzetek projekta (SLO)
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.
Project Summary (EN)
Alkali-activated materials, also called geopolymers, are an environmentally friendly and technically acceptable alternative to cement, concrete, and ceramics. In order to produce AAM, precursors containing (i) SiO2 and Al2O3 in sufficient quantities and in a reactive form-glassy state (e.g. ash, activated clay), and (ii) alkaline activators in a solution (mostly NaOH, KOH, Na-water glass, K-water glass) are needed. When these two components are mixed, firstly, the dissolution and transport of the components (Al, Si) in the alkaline activators takes place, and then, through poly-condensation of the Al and Si, an aluminosilicate network is formed, which can be amorphous or partially crystallized.
Suitable precursors for AAM are thermally activated clay, natural pozzolan (e.g. volcanic ash), as well as different kinds of industrial waste, such as ashes (fly ash, bottom ash, bio-based ashes) and various slags. Many products can be obtained by the alkaline activation process which could replace traditional construction products. They range from blocks, slabs, paving-stones, curbs, and partitions, to refractory materials and materials for specific industrial applications (e.g. insulation plates).
Foams, which are produced when appropriate foaming agents are added to an alkaline activated sludge, are one of the most promising types of alkali-activated materials due to potentially higher added value. Such foams are non-combustible and dimensionally stable, and have high strength and good insulation properties.
The main objective of this project is to develop new lightweight alkali-activated foams based on the mixture of various secondary raw materials (fly ash, slag and waste glass). Different foaming agents and stabilising agents (in varying proportions) will then be investigated in order to achieve the highest possible porosity (Al powder, H2O2, NaOCl, SDS). In addition to the use of waste materials, the additional advantage of such foams (in comparison to commercially available inorganic foams) will be that they will be produced at temperatures lower than 100 °C, and they will be stable also at elevated temperatures (expected up to 1000 °C).
To achieve these goals, focus of project will be on:
- identification of local waste flows to be used in alkali activated production,
- selection of proper combinations of solid waste precursors and alkaline activators by DOE (Design Of Experiment) approach to obtain optimal characteristics,
- finding of optimal foaming agents and foam stabilizing agents in order to obtain highly porous structure,
- characterization of foams at room temperature and at elevated temperature (up to 1000 °C),
- quantification of the environmental footprint of the new technology and products by life cycle assessment (LCA).
Project is divided into six work packages related to the specific goals of the project, and it will be performed by ZAG –Department of Materials and IJS - Department of Advanced Materials. Both groups are already highly experienced in the preparation and quantification of foamed materials of different origins.
The acquired knowledge will provide the basis for the development of various new products by using precursors that are currently landfilled and potentially harmful to the environment. Furthermore, new interdisciplinary knowledge, combining technical properties with environmental aspects will be obtained for the designing of alkali activated materials from different precursors (fly ash, slag, glass).