Strona główna | Techniki i technologieJak Feniks z popiołów

Jak Feniks z popiołów

 W starożytnej mitologii Feniks był ptakiem, który żył 500 lat, a następnie budował gniazdo i spalał się w nim doszczętnie, aby po trzech dniach zmartwychwstać i w ten sposób rozpocząć nowy cykl życia. Ta piękna literacka wizja mogłaby się we współczesnych czasach stać synonimem recyklingu. Wszak współczesne materiały są dużo trwalsze (zwłaszcza opakowania) niż ich starożytne odpowiedniki, czyli możemy powiedzieć, że żyją długo. Następnie budują gniazdo i spalają się na popiół, czyli są zbierane i usuwane z widoku publicznego. By po trzech dniach (czyli po jakimś czasie) znowu się odrodzić i pojawić na rynku jako pełnowartościowe wyroby.

Rzymskie Koloseum, wzniesione z wykorzystaniem starożytnego betonu, czyli pucolany

W współczesnej kulturze popiół jest synonimem nieodwracalnego zniszczenia. Zdanie: Spalić się na popiół, oznacza, że proces destrukcji zaszedł już tak daleko, że nie da się nic uratować. Chociaż już starożytni wykorzystywali popiół do celów gospodarczych – produkcji mydła i wyrobu szkła to słowo popiół i jego brzydszy brat żużel stały się synonimami materiałów, których nie da się wykorzystać gospodarczo. Współczesne technologie bardzo dobrze radzą sobie z wykorzystaniem tych „niepotrzebnych” surowców. Aby to naświetlić autor podjął się próby opisania najbardziej popularnych technologii bazujących na wykorzystaniu szczególnych własności popiołu i żużla. Będą to technologie wykorzystujące kolejno:
  1. pucolana,
  2. popiół lotny,
  3. mikrosfery,
  4. żużel hutniczy,
  5. żużel ciepłowniczy,
  6. żużel pomiedziowy,
  7. mikrokrzemionka.
Pucolana
Pucolana (wł. pozzolana) to pył lub bardzo drobny popiół pochodzenia wulkanicznego. Jej głównym składnikiem jest czysta krzemionka w postaci bardzo drobnych zaokrąglonych ziaren. Jej ważną cechą jest zdolność do wiązania wapna także pod wodą.

Już starożytni Grecy i Rzymianie odkryli bardzo korzystne właściwości pewnych osadów wulkanicznych, które drobno zmielone i zmieszane z wapnem oraz piaskiem dawały w efekcie nie tylko bardzo mocne, ale przede wszystkim trwałe zaprawy odporne na działanie wody morskiej. Technologicznie bardzo istotną cechą materiałów pucolanowych jest ich rozdrobnienie oraz zawartość fazy szklistej – ich reaktywność rośnie wraz ze wzrostem rozdrobnienia oraz ilością amorficznej krzemionki. Pucolany jako materiał o pewnych utajonych właściwościach wiążących nie twardnieją samodzielnie po zmieszaniu z wodą, natomiast drobno zmielone, reagują z wodorotlenkiem wapnia w środowisku wodnym w temperaturze otoczenia. Produktem tej reakcji są trudno rozpuszczalne  w wodzie uwodnione krzemiany wapnia, tzw. „faza CSH”. Te same krzemiany powstają również w wyniku hydratacji głównych minerałów klinkieru portlandzkiego – krzemianów wapnia. Tak więc starożytna mieszanka wapna, piasku, pucolany i wody była pełnoprawnym betonem – nie ustępującym wytrzymałością tym współczesnym. Starożytnego „betonu” użyto np. do budowy rzymskiego Koloseum.

Być może niektórzy Czytelnicy będą zdziwieni, że w artykule poświęconym zagospodarowaniu odpadów opisywany jest materiał pochodzenia wulkanicznego. Ale to nie pomyłka. Współcześnie mianem pucolany określa się materiały pochodzenia naturalnego (np. popioły wulkaniczne, łupki opalowe, rogowce) oraz przemysłowego (najczęściej pod postacią popiołów lotnych oraz mikrokrzemionki). Jako materiały o charakterze pucolany bardzo szeroko stosowane są popioły lotne odzyskiwane z gazów spalinowych w elektrowniach opalanych węglem. Materiał taki ma postać drobnych, kulistych cząstek zbudowanych głównie z reaktywnych tlenków krzemu, glinu i żelaza. I reaguje w niemal identyczny sposób jak jego wulkaniczny odpowiednik. Bez względu na to, czy pucolana jest pochodzenia naturalnego, czy sztucznego, odgrywa ważną rolę ze względu na jej praktyczne zastosowanie w budownictwie. Może zastąpić nawet 40% światowego zapotrzebowania na cement portlandzki.

Popioły lotne 

Popiół lotny jest drobnoziarnistą frakcją popiołów powstających w czasie spalania paliw stałych, zatrzymywanych w instalacjach oczyszczania spalin – np. w elektrofiltrach. W Polsce, której energetyka jest oparta w głównej mierze na węglu kamiennym, podaż popiołów lotnych jest szczególnie duża. Oprócz zastosowania w budownictwie jako składnik zapraw wiążących i betonu popiół lotny jest szeroko wykorzystywany przy produkcji wielu materiałów budowlanych.

Wyroby ceramiczne. Popioły lotne stosuje się do produkcji cegieł pełnych, cegieł kratówek, dziurawek oraz pustaków szczelinowych. Dodaje się je w celu zmniejszenia skurczu przy wysychaniu oraz poprawienia urabialności mieszanki i obniżenia ceny surowców. 

Produkcja tworzyw i farb. Aby popioły lotne można było stosować jako napełniacze w przemyśle tworzyw i farb, trzeba oddzielić od nich nadziarna, zwłaszcza frakcję powyżej 20 mm. Ponieważ popioły mają niezmienną barwę, wykorzystuje się je tylko w tych wyrobach, dla których nie jest wymagany odpowiedni stopień białości. Odpowiednio spreparowane popioły lotne są doskonałym materiałem do napełniania tworzyw i farb, a zwłaszcza wyrobów takich, jak: 

  • syntaktyczne pianki polimerowe, 
  • polimerobetony ciężkie, 
  • polimerobetony termoizolacyjne 
  • kity i szpachlówki, 
  • farby typu high-solid, 
  • farby o wysokiej odporności na ścieranie, 
  • farby o wysokiej odporności na korozję w warunkach przemysłowych, 
  • farby i tworzywa do zastosowań wojskowych. 
Popioły lotne z racji swoich bardzo cennych właściwości mogą być stosowane do wytwarzania napełnionych tworzyw oraz popiołowych spoiw specjalnych modyfikowanych polimerami. Zarówno napełnione tworzywa, jak i modyfikowane polimerami popiołowe spoiwa specjalne mogą być wykorzystane w różnych dziedzinach gospodarki – szczególnie zaś w gospodarce odpadami. Popioły lotne wprowadzane jako napełniacz do tworzyw sztucznych w ilości do 25% wagowych w znaczącym stopniu obniżają ich koszty oraz poprawiają właściwości mechaniczne, zmniejszają palność, powodują zmianę gęstości itp. Proces napełniania popiołami tworzyw (polimerów) prowadzony jest w taki sposób, że zachowują one w znacznym stopniu charakterystyczne cechy wyjściowego tworzywa lub nawet je polepszają. Materiały uzyskiwane z popiołowych spoiw specjalnych, poprzez dodatek lub domieszkę tworzyw sztucznych (polimerów) do mieszanin popiołowo-mineralnych, po procesie utwardzania (sieciowania) nie posiadają cech składników wyjściowych. W zależności od rodzaju stosowanej substancji polimerowej można uzyskać materiały o charakterze sztywnego polimerobetonu lub wysoko napełnione elastyczne masy nieprzepuszczające wody, które konsystencją przypominają gumę czy substancje ilaste.

Popiół jako zamiennik części cementu. 10% cementu portlandzkiego praktycznie bez wpływu na wytrzymałość i czas wiązania betonu można zastąpić 20% popiołu lotnego. Zwiększenie ilości popiołu w stosunku do zamienianej ilości cementu wynika z mniejszych zdolności wiążących pucolany. Zastępowanie większej ilości cementu (np. 25–30 %) w betonie zwykłym wiąże się z reguły z wydłużeniem jego czasu wiązania i powolniejszym narastaniem wytrzymałości. O ile jednak proces przyrostu wytrzymałości betonu zwykłego bez dodatku popiołu kończy się praktycznie po ok. 6 miesiącach, to przy zastosowaniu 25% popiołów trwa nawet do 2 lat.

Betony komórkowe. W procesie produkcji betonów komórkowych powszechnie wykorzystuje się popioły lotne. Spoiwo uzyskuje się przez przemiał na sucho w młynie kulowo-rurowym mieszaniny wapna, cementu, gipsu dwuwodnego i popiołów lotnych. Jako wypełniacz stosowane są niemielone popioły lotne. Uzyskiwany w ten sposób beton komórkowy (gazobeton) posiada następujące właściwości podstawowe: gęstość pozorną 450–750 kg/m3, wytrzymałość na ściskanie 3–5 MPa, nasiąkliwość 23–30%. Z uwagi na korzystne właściwości, powyższy gazobeton jest szeroko stosowanym materiałem budowlanym. 

Popiół lotny jako podstawowy składnik spoiwa. Popioły lotne, ze względu na ich właściwości pucolanowe, mogą stanowić główny składnik spoiw budowlanych. Z reguły, z powodu niewielkiej zawartości CaO w popiołach z węgla kamiennego, zachodzi konieczność uaktywnienia ich naturalnych właściwości wiążących przez dodatek wapna, gipsu, siarczanu żelazawego itp. Uaktywnienie popiołów lotnych dokonuje się również przez krótkotrwałe przemielenie zwiększające ich powierzchnię właściwą. Mielenie powoduje zniszczenie szklistych otoczek na wierzchu ziaren i ich chemiczne uaktywnienie. Właściwości tych spoiw zależą od proporcji składników w mieszance i od stopnia rozdrobnienia. Spoiwa zawierające duże ilości popiołów lotnych wykazują dłuższy czas wiązania i mniejsze tempo narastania wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia w stosunku do materiałów wiążących niezawierających popiołów. Te niekorzystne cechy spoiw pucolanowych można w znacznym stopniu wyeliminować poprzez stosowanie aktywnych dodatków plastyfikujących. Spoiwa wysokopopiołowe charakteryzują się dobrymi właściwościami pucolanowymi i hydraulicznymi i można je kwalifikować do materiałów wiążących hydraulicznych. Ponadto spoiwa te charakteryzują się niskim ciepłem hydratacji i niskim skurczem oraz dużą odpornością na działanie środowiska siarczanowego. Dlatego świetnie się sprawdzają w zastosowaniu do budowli hydrotechnicznych.

Popioły lotne jako składnik w produkcji cementu. Cement jest hydraulicznym spoiwem budowlanym, otrzymywanym z surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) wypalonych na klinkier w piecu cementowym, a następnie poprzez zmielenie otrzymanego spieku z gipsem, spełniającym rolę regulatora czasu wiązania. Oprócz tych składników do mieszanki wsadowej można dodawać popioły lotne i zmielony żużel. W zestawie dwuskładnikowym udział popiołów może stanowić 6–16%, a w zestawie 3-składnikowym 5–13%. Cementy, w których produkcji zastosowano dużą ilość żużla hutniczego nazywa się cementem hutniczym. Cement ten jest bardziej odporny na działanie siarczanów niż cement portlandzki. Ma wolniejszy niż cement portlandzki przyrost wytrzymałości w czasie i niższe ciepło hydratacji. Niższe ciepło hydratacji skutkuje mniejszą ilością rys skurczowych. Dzięki temu beton z cementu hutniczego lepiej nadaje się do formowania obiektów wielkogabarytowych, takich jak zapory wodne czy przyczółki mostów.

W procesie produkcji cementu odbywa się jeszcze jeden recykling popiołowy, o którym niewielu zdaje sobie sprawę. Wypalanie wsadu na klinkier odbywa się w piecu obrotowym. Piec ten jest zwykle opalany za pomocą wdmuchiwanego do środka zmielonego węgla kamiennego. Obecnie coraz częściej zamiast węgla stosuje się odpady w postaci gumy lub tworzyw sztucznych. Guma i tworzywa zawierają takie surowce mineralne, jak mikrokrzemionka, kreda, talk. Minerały te w procesie spalania przechodzą do klinkieru i wzbogacają cement. Gdybyśmy wspomniane wcześniej odpady tworzyw sztucznych spalili w jakiejś ciepłowni, otrzymalibyśmy tylko popiół i żużel, a tak otrzymujemy cement o cennych własnościach…



Granulki pollytagu

Pollytag – jest to lekkie kruszywo wytwarzane z popiołów lotnych pochodzących z elektrociepłowni o uziarnieniu do 0,5 mm. W zależności od jakości popiołu, proces technologiczny wymaga dodania małych ilości miału węglowego i betonitu. Zawartość części palnych wynosi około 7%. Składniki są podawane do mieszarek, gdzie zostają wymieszane z wodą i następnie przekazane do granulatorów. Do procesu może być dodawany popiół mokry w ilości 10%. Zgranulowana mieszanina jest przekazywana na ruchomy ruszt spiekalniczy. Temperatura spiekania jest regulowana w granicach 1000–1300°C. Po schłodzeniu granulatu powietrzem jest on kruszeniu na łamaczu spieków. Następnie dzieli się kruszywo na poszczególne frakcje: 
  • kruszywo grube 4–8 mm – służy do produkcji drobnowymiarowych prefabrykatów betonowych o cienkich ściankach jak: pustaki stropowe, pustaki ścienne, pustaki ogrodowe, itp. oraz w połączeniu z innymi frakcjami do produkcji betonów konstrukcyjnych. Gęstość nasypowa kruszywa w stanie luźnym wynosi około 750 kg/m3,
  • kruszywo grube 6–12 mm – znajduje zastosowanie w produkcji betonów jamistych, lekkich bloczków i dyli betonowych oraz wylewek termoizolacyjnych na stropach. Stosuje się także w ogrodnictwie i małej architekturze, w przemyśle metalurgicznym oraz jako zasypki przy ściankach szczelnych i murach oporowych. Przeznaczony jest również na drenaże. Gęstość nasypowa kruszywa w stanie luźnym wynosi około 760 kg/m3,
  • kruszywo drobne 0,5–4 i 2–5 mm – służy do produkcji betonów i kształtek żaroodpornych a w kompozycji z grubszymi frakcjami do wylewania lekkich betonów zwartych oraz półzwartych. Gęstość nasypowa kruszywa w stanie luźnym wynosi około 720 kg/m3.
Mikrosfery 
Mikrosfery to sferyczne cząstki krzemianowo-glinowe wypełnione dwutlenkiem węgla i azotem, powstające w wyniku spalania węgla kamiennego w elektrowni. W czasie spalania węgla na obrzeżach strefy wysokotemperaturowej plastyczna szlaka tworzy w otoczeniu gazów granulki (banieczki) o średnicy 0–0,5 mm zawierające w swym wnętrzu gaz. Granulki (mikrosfery) odtransportowane razem ze szlaką do stawu osadowego, wypływają na powierzchnię wody. Wyłowione z wody kierowane są do komory ociekowej wykonanej z płótna brezentowego. Po odpowiednio długim leżakowaniu, gdy zawartość wody spadnie do ok. 20% mikrosfery pakowane są do worków polipropylenowych i w tej formie sprzedawane do dalszej przeróbki. 
Mikrosfery charakteryzują się bardzo ciekawymi właściwościami:
  • odpornością na wysoką temperaturę,
  • są neutralne dla środowiska naturalnego,
  • dobrze izolują termicznie i akustycznie,
  • mają niski ciężar właściwy.


Mikrosfery w dużym powiększeniu

Zastosowania mikrosfery
Dzięki swym specyficznym cechom mikrosfery znajdują zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach: 
  • w przemyśle samochodowym przy produkcji: kompozytów, podkładów, opon, form odlewniczych, klocków ciernych hamulcowych, listew ozdobnych, wypełniaczy nadwozia, materiałów wygłuszających,
  • w przemyśle energetycznym i techniki kosmicznej – przy wytwarzaniu: cementów do szybów naftowych, płuczek wiertniczych, powłok przemysłowych, materiałów szlifierskich, powłok i kompozytów statków kosmicznych, materiałów wybuchowych, ramion śmigieł dla wiatraków,
  • w budownictwie – przy wytwarzaniu: aluminiowych paneli dla budownictwa wysokiego, cementów specjalnych, zapraw murarskich, tynków, materiałów dachowych, paneli wygłuszających, powłok, betonów natryskowych, tworzyw sztucznych, tłoczyw BMC i SMC, podłóg PCV,
  • w sporcie i rekreacji – przy produkcji: łodzi, sprzętu pływającego, kuli do kręgli, desek surfingowych, kajaków, sprzętu do gry w golfa, obuwia, trawników i elementów do dekoracji ogrodów,
  • w przemyśle ceramicznym – przy wytwarzaniu: materiałów ogniotrwałych, mas lejnych, dachówek, cegieł ognioodpornych, cementu glinowego, materiałów izolacyjnych. 
Jako przykład ilustrujący wykorzystanie mikrosfer w przemyśle ceramicznym można przytoczyć technologię produkcji cegły termoizolacyjnej na bazie mikrosfer. Polega ona na: przygotowaniu mieszanki mikrosfer z gliną i pyłem bazaltowym,  załadunku i mieszaniu w mieszalniku do uzyskania jednorodnej konsystencji, formowaniu, suszeniu i wypalaniu. Dzięki mikrosferom taka cegła jest doskonałym i odpornym na wysokie temperatury izolatorem ciepła.


Mikrokrzemionka

Mikrokrzemionka 
Pył krzemionkowy (microsilica, silica fume) jest mineralnym dodatkiem, otrzymywanym jako odpad przy produkcji krzemu oraz żelazokrzemu. Po dodaniu do betonu, mikrokrzemionka reaguje w betonie, polepszając fizyczną strukturę poprzez wypełnianie przestrzeni pomiędzy cząsteczkami cementu a kruszywem. Beton z dodatkiem mikrokrzemionki jest idealnym materiałem do konstrukcji podziemnych parkingów, tuneli, systemów kanalizacyjnych zbiorników wody, basenów, nabrzeży portowych. 
Mikrokrzemionka sprawia, że:
  • wzrasta wytrzymałość betonu na ściskanie,
  • materiał staje się ognioodporny,
  • zużycie cementu spada o 10%,
  • wzrasta trwałość betonu przy twardnieniu w normalnych warunkach,
  • podwyższa się antykorozyjność betonu,
  • dodatek mikrokrzemionki obniża pochłanianie wody o 50%,
  • wzrasta trwałość betonu (odporność na działanie kwasów, morskiej wody, siarczanów).
Żużel hutniczy
Produkt uboczny (odpad) powstający przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu. 
Wykorzystanie żużla hutniczego:
  • Do produkcji wełny żużlowej.
  • Do celów budowlanych.
  • Jako posypka do pap.
  • Do produkcji cementu.
  • Do produkcji cegieł żużlowych.
Żużel paleniskowy
To surowiec powstający w wyniku spalania węgla kamiennego w elektrowniach i ciepłowniach, jego własności fizyko-chemiczne pozwalają na jego gospodarcze wykorzystanie:
  • do produkcji materiałów budowlanych, 
  • do rekultywacji i makroniwelacji terenów, 
  • do budowy dróg i nasypów. 
Kruszywo z żużla paleniskowego otrzymanego z węgla kamiennego zaliczane jest do kruszyw lekkich. Dawniej, przed uruchomieniem produkcji innych sztucznych materiałów porowatych było ono jedynym sztucznym kruszywem lekkim używanym do betonów. Masowe zastosowanie kruszyw lekkich w budownictwie nastąpiło dopiero po drugiej wojnie światowej. W Polsce powstało wiele wytwórni produkujących te kruszywa. Przemysł budowlany wykorzystywał je w większości w fabrykach domów do produkcji prefabrykowanych ścian zewnętrznych.


Bryła żużlu


Hałda żużla paleniskowego

Dzisiaj najczęściej stosowanym przez drobnych inwestorów kruszywem lekkim jest żużel paleniskowy, używany jako wypełnienie do stropów i stropodachów oraz jako kruszywo do betonów. Z żużlobetonów wykonywane są drobnowymiarowe elementy ścienne oraz stropy. W rejonach, gdzie dostęp do żużla paleniskowego jest łatwy, wiele nowo budowanych obiektów ma stropy wykonane z belek stalowych z płytą żużlobetonową zbrojoną.

Żużel paleniskowy jest atrakcyjnym kruszywem o stosunkowo małym ciężarze i niskiej cenie. Jednak posiada on również wady, takie jak: duża skłonność do zmian objętościowych, duża zawartość związków siarki i niespalonego węgla. W praktyce do celów budowlanych można wykorzystywać wyłącznie żużel posiadający odpowiednie cechy fizykochemiczne ujęte w normie. W związku z tym istnieje konieczność wykonania badań laboratoryjnych tych cech, a więc:

  • zawartość ziaren poniżej 0,125 mm, 
  • zawartość obcych zanieczyszczeń, 
  • oznaczenie strat przy prażeniu, 
  • oznaczenie zawartości związków siarki SO3, 
  • badanie zmian objętości, 
  • badanie uziarnienia.
Uważa się, że żużel paleniskowy, który był składowany na hałdzie przez kilka lat, utracił już swoje złe cechy i stał się materiałem bezpiecznym do zastosowań budowlanych. Ostrzeżenia dotyczą więc głównie żużla paleniskowego świeżego.

Żużel pomiedziowy 

Kruszywo pomiedziowe – kruszywo produkowane w wyniku recyklingu żużla pomiedziowego, powstającego w trakcie procesu wytapiania miedzi w piecach szybowych, a następnie przesiewanego w sitach wibracyjnych na poszczególne frakcje o różnej granulacji.
Materiał w 96,5% stanowią składniki skałotwórcze, m.in. złożone tlenki. Składem chemicznym przypomina on bazalt i naturalne surowce używane w budownictwie drogowym. Twardość (wielkość 6 w skali Mohsa), odporność na ścieranie i podatność na kruszenie czynią z żużla pomiedziowego szybowego doskonały surowiec do produkcji budowlanych kruszyw łamanych.


Kruszywo pomiedziowe używane jako ścierniwo

Zastosowanie:
  • roboty hydrotechniczne i melioracyjne, regulacja rzek, umocnienia brzegów, budowa wałów przeciwpowodziowych,
  • budowa dróg i autostrad – grysy do produkcji asfaltobetonów, mieszanki na podbudowy, warstwy mrozoodporne, odsączające i jako składnik odziarniający, podbudowy z chudego betonu, podbudowy pomocnicze nawierzchni przydatnych i półsztywnych, nasypy drogowe, warstwy nasypów w strefie przemarzania,
  • żużel pomiedziowy łamany (polgrit) to ścierniwo, które główne zastosowanie znajduje w czyszczeniu metodą strumieniowo-ścierną. Ponieważ jest mniej trwałe (i tańsze) od elektrokorundów, świetnie nadaje się do prac na wolnym powietrzu, takich jak czyszczenie dużych powierzchni metalowych (mosty, statki, kontenery).
Współczesne gospodarcze wykorzystanie żużli i popiołów jest coraz większe. Nie tylko jako wypełniacz pustek w wyrobiskach górniczych czy na podbudowy dróg, ale też jako ważny składnik współczesnych materiałów niezbędnych w prawie wszystkich dziedzinach gospodarki. Zastosowanie tych odpadów odbywa się na taką skalę, że zaczyna się wykorzystywać materiał składowany do tej pory na hałdach. ?
W następnym numerze Nowoczesnej Gospodarki Odpadami spróbujemy znaleźć złoto.

Jerzy Żelaziński
Nowoczesna Gospodarka Odpadami 1(4) 2014
DODAJ KOMENTARZ
Wymagane: Zaloguj się aby dodać komentarz > Zaloguj się