Lapszámok

Az elsődleges (primer) ásványi nyersanyagok véges rendelkezésre állásának következtében az utóbbi évtizedektől kezdődően egyre szélesebb körben folynak kutatások arra vonatkozóan, hogy a környezetkímélőbb bányászati tevékenységek mellett a nyersanyagok hasznosításának takarékosabb megvalósítása és az ipari tevékenységek során keletkező melléktermékek – mint másodlagos nyersanyagok – újrahasznosítása minél szélesebb körben valósuljon meg. A fenntartható nyersanyag-gazdálkodás alapját képező másodlagos nyersanyagokkal való gazdálkodás jelentősen csökkenti a primer nyersanyagok iránti igényt, amely következtében a bányászati nyersanyagkészletek élettartama, rendelkezésre állásának ideje megnövelhető, ezáltal kiszolgálva a jövő generációinak nyersanyagigényét.

A Miskolci Egyetemen több hazai egyetemmel együttműködve a nemrég zárult „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című projekt keretében olyan kutatási eredmények születtek, amelyek különböző hulladékáramok innovatív, szinergikus felhasználására irányultak. Egyik ilyen szegmense a nagy tömegű ipari és bányászati hulladékok, valamint melléktermékek (pl. az erőműi pernye, vörösiszap) hasznosítása volt. E másodnyersanyagok egyik hasznosítási lehetőségét képezte a projektben a geopolimer alapanyagként való felhasználásuk.

A geopolimerek amorf vagy üveges aluminoszilikátok főként lúgos, esetleg savas közegben való oldásával állíthatók elő. A geopolimer szerkezetét tetraéderes koordinációjú Si- és Al-ionok építik fel hídállású oxigéneken keresztüli összekapcsolódással. Mivel az Al3+ 4-es koordinációs számmal vesz részt a szerkezet kialakításában, ezért az ebből fakadó negatív töltéstöbblet kiegyenlítésére kationok (elsősorban alkáli fémionok) épülnek be a szerkezetbe. A kiindulási alapanyagok nem, vagy csak kis mennyiségben tartalmaznak CaO-ot. Alapanyagként – megfelelő aktiválást követően – természetes aluminoszilikátok (kaolin, perlit) vagy kalcinált agyagásványok (metakaolin) használhatók. Emellett egyre szélesebb körben terjedt el az ipari melléktermékekből (pl. erőműi pernye, kohászati salak, vörösiszap, rizshéjhamu stb.) vagy ezek együttes használatával (kombinálásával) történő előállításuk. Amellett, hogy alapanyagként különböző ipari melléktermékek is használhatók, számos további előnyös tulajdonsággal is rendelkeznek a geopolimerek: alacsony kötési hőmérséklet, kiemelkedő mechanikai szilárdság, alacsony zsugorodás, jó, kopásállóság, tűz- és hőállóság, savakkal szembeni ellenállóképesség stb. Tulajdonságaiknak köszönhetően a geopolimereknek számos ipari alkalmazása ismert. Felhasználható például a jármű-, a repülő-, az építő-, vagy a műanyagiparban is bevonat, kötőanyag, előregyártott elem formájában, de akár 3D nyomtató alapanyagaként is.

1. ábra Geopolimer habmintákról készült képek eltérő pernyefinomság esetén

A Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében végzett kutatásaink tárgyát olyan technológiák és termékek fejlesztése jelentette, amelyek tulajdonságai eljárástechnikai műveletekkel szabályozhatók, így a termékjellemzők előre megtervezhetők. Elsődleges célunk erőműi pernye felhasználásával olyan hőszigetelő és teherbíró geopolimerek létrehozása volt, amelyek megfelelő szilárdságuk (~1 MPa) mellett légáteresztők, nem éghetők és olcsóbbak, mint más ásványi eredetű hőszigetelő anyagok. Habszerkezetű geopolimereket az előállításukhoz leggyakrabban alkalmazott habosítási módszerrel, azaz a geopolimer pasztához kevert habosítószerrel (pl. alumíniumporral, H2O2-oldattal) valósítottuk meg. Kutatásaink során a habosítóanyag koncentrációja mellett a geopolimer paszta folyási viselkedését (reológiáját) is vizsgáltuk, amely nagymértékben befolyásolja a geopolimer paszta habosodásának mértékét, ezáltal a késztermék porozitását, amelyet az alapanyag őrlési finomságával (szemcseméret csökkentésével, fajlagos felület növelésével) tudatosan szabályozni lehet (1. ábra). Emellett az alapanyag finomságának növelésével annak reakcióképessége is fokozható, amely a termék nyomószilárdságára is kedvezően hat. Ugyanakkor a termék mechanikai tulajdonságait jelentős mértékben befolyásolják a hőkezelési és tárolási körülmények is, melyek szintén vizsgálataink tárgyát képezték.

2. ábra Pásztázó elektronmikroszkópi felvétel a geopolimer géllel bevont biomasszáról

Szintén kiemelt kutatási területeink közé tartozott könnyű geopolimer kompozitok előállítása a geopolimer pasztához adagolt faipari őrlemény (biomassza) felhasználásával. Mivel a szilikátalapú geopolimer magas hőmérsékletnek is ellenáll, ezért a megfelelően bevonatolt biomassza tűzállósága jelentősen fokozható. A kísérletek kezdetben a geopolimer paszta és a biomassza kompatibilitására fókuszáltak, mely során sikeresen megvalósult a kompozitok előállítása. Pásztázó elektronmikroszkóppal történő vizsgálatok kimutatták a geopolimer gél és a szálas biomassza közötti adhéziót (2. ábra). Ezután a geopolimer-biomassza kompozit mechanikai és szerkezeti tulajdonságait vizsgáltuk, a biomassza arányát egészen 75 m/m%-ig növelve (a pernye tömegéhez képest). Az eredmények alapján megállapítható volt, hogy nagy mennyiségű biomassza-tartalom mellett csökkent a kompozitok egytengelyű nyomószilárdsága, valamint hajlító-húzószilárdsága is, azonban a biomassza-tartalom hatására a kompozitok relatíve nagy alakváltozásra voltak képesek, és a törés után is fel tudtak venni további terhelést. Mivel a kompozitok jelentősen alacsonyabb testsűrűséggel rendelkeztek, mint a standard geopolimerek, így megfontolandó lehet a hang- és hőszigetelő anyagként történő alkalmazásuk.

A kutatások a „Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodási Tematikus Hálózat – RING 2017” című EFOP-3.6.2-16-2017- 00010 azonosító számú projekt keretében valósultak meg.

Irodalom:
Szabó, R., Gombkötö, I., Svéda, M., Mucsi, G. (2017): Effect of grinding fineness of fly ash on the properties of geopolymer foam. Archives of Metallurgy and Materials, 62, pp. 1257-1261.

Mucsi, G., Szenczi, Á., Nagy, S. (2018). Fiber reinforced geopolymer from synergetic utilization of fly ash and waste tire. Journal of Cleaner Production, 178, 429-440.

Mucsi, G., Lakatos, J., Molnár, Z., Szabó, R. (2014). Development of geopolymer using industrial waste materials. The 9th International Conference “ENVIRONMENTAL ENGINEERING”: Book Series: International Conference on Environmental Engineering (ICEE,) Selected papers, Vilnius, Litvánia: Vilnius Gediminas Technical University, Paper: 39.

Mucsi, G., Szabó, R., Rácz, Á., Kristály, F., Kumar, S. (2019). Combined utilization of red mud and mechanically activated fly ash in geopolymer. Rudarsko-geološko-naftni zbornik - Mining Geological Petroleum Engineering Bulletin, 34 (1) pp. 27-36.