Συντάχθηκε 29-04-2025 09:04
Τόπος: Εξ αποστάσεως - Με τηλεδιάσκεψη
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 08/05/2025 10:00
Λήξη: 08/05/2025 11:00
Τίτλος εργασίας: Παραγωγή Πορωδών Κεραμικών Υλικών από Πυριτικά Τέλματα Επίπλευσης.
Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή
1. Κων/νος Κομνίτσας, καθηγητής ΜΗΧΟΠ (Επιβλέπων)
2. Μιχαήλ Γαλετάκης, καθηγητής ΜΗΧΟΠ
3. Δρ. Άννα Κρητικάκη, μέλος ΕΔΙΠ σχολής ΜΗΧΟΠ
Περίληψη
Η αξιοποίηση των βιομηχανικών αποβλήτων για την παραγωγή κεραμικών αποτελεί σε αρκετές περιπτώσεις πιθανή επιλογή σύμφωνα με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας. Στην παρούσα πειραματική εργασία, πορώδη κεραμικά παράχθηκαν με ανάμειξη πυριτικών τελμάτων εμπλουτισμού από το ορυχείο Kevitsa της Φινλανδίας, με δύο διαφορετικούς παράγοντες σχηματισμού πόρων, ανθρακικό ασβέστιο (CaCO3) και φωσφορικό ασβέστιο (Ca3(PO4)2). Χρησιμοποιήθηκαν πέντε διαφορετικά ποσοστά, 0-12%. Διερευνήθηκε επίσης η επίδραση των συστάσεων των μιγμάτων και η επίδραση της θερμοκρασίας πύρωσης στο πορώδες, την πυκνότητα, την υδατοαπορροφητικότητα, την αντοχή σε θλίψη και τη θερμική αγωγιμότητα των παραγόμενων πορωδών κεραμικών. Τα μίγματα παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας την τεχνική επεξεργασίας, πιέστηκαν μονοαξονικά (40 MPa) σε κυβικές μήτρες (5×5×5 cm3). Τα δοκίμια στη συνέχεια πυρώθηκαν στους 900 oC, 950 oC, 1000 oC και 1020 oC αντίστοιχα.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη CaCO3 οδήγησε σε αισθητή αύξηση του πορώδους και της υδατοαπορροφητικότητας με τις τιμές τους να κυμαίνονται από 28% έως 51% και 12,5% έως 38,6% αντίστοιχα, ενώ η πυκνότητα μειώθηκε από 2,16 g/cm3 σε 1,29 g/cm3. Το CaCO3 δρα ως παράγοντας σχηματισμού πόρων και αντιδρά με τα πυριτικά τέλματα, προκαλώντας την απελευθέρωση αερίου (CO2) και την ανάπτυξη μεγαλύτερων πόρων, με αποτέλεσμα υψηλότερες τιμές πορώδους και απορρόφησης νερού. Η προσθήκη CaCO3 μείωσε επίσης τις τιμές θερμικής αγωγιμότητας, από 0,64 W/m·K σε 0,48 W/m·K, καθώς σχηματίστηκαν περισσότεροι πόροι κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης. Επιπλέον, η προσθήκη CaCO3 μείωσε τη δομική ακεραιότητα και την μονοαξονική αντοχή σε θλίψη, από 6 MPa σε 2 MPa, των παραγόμενων κεραμικών ακόμη όταν χρησιμοποιήθηκε υψηλότερη θερμοκρασία (1020 oC).
H προσθήκη Ca3(PO4)2 οδήγησε σε μικρή αύξηση τόσο του πορώδους όσο και της υδατοαπορροφητικότητας, από 28,4 % σε 31,9 % και από 13 % σε 14 % αντίστοιχα. Η πυκνότητα παρέμεινε πρακτικά ανεπηρέαστη (2,1 g/cm3). Η θερμική αγωγιμότητα αυξήθηκε με την αύξηση του ποσοστού Ca3(PO4)2, από 0,26 W/m·K σε 0,32 W/m·K, λόγω του γεγονότος ότι η ανάπτυξη και η πύκνωση των κόκκων προωθήθηκαν κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης, με αποτέλεσμα τη δημιουργία πιο συνεκτικής δομής. Η αντοχή σε θλίψη αυξήθηκε σημαντικά από 5 MPa σε 15,6 MPa.
Με βάση τα αποτελέσματα των φυσικών, μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων, συμπεραίνεται ότι τα παραγόμενα κεραμικά είναι κατάλληλα για διάφορες χρήσεις όπως μονωτικά τούβλα, κεραμίδια για θερμομονωτικά πάνελς και ελαφρά αδρανή για σκυρόδεμα.
Η έκπλυση δυνητικά επικίνδυνων στοιχείων (potentially hazardous elements, PHEs) από τα πορώδη κεραμικά διερευνήθηκε με τη χρήση δοκιμών τοξικότητας TCLP (Toxicity Characteristics Leaching Procedure) (US EPA, 1992) και EN 12457-2 (CEN, 2002) με τα αποτελέσματα να δείχνουν ότι δεν παρουσιάζουν τοξικότητα. Διάφορες αναλυτικές τεχνικές, όπως περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ (X-Ray Diffraction, XRD), φασματοσκοπία υπερύθρων μετασχηματισμού Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR), και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (Scanning Electron Microscope, SEM) χρησιμοποιήθηκαν επίσης για τον χαρακτηρισμό των πρώτων υλών και των παραγόμενων κεραμικών.
Abstract
The valorization of industrial wastes for the production of ceramics is in several cases a feasible option and in line with the principles of circular economy. In the present experimental study, porous ceramics were produced by mixing silicate tailings from Kevitsa mine, Finland, with two different pore forming agents namely calcium carbonate (CaCO3) and calcium phosphate (Ca3(PO4)2): five different addition %, varying form 0-12 % were used. The effect of binary mixture compositions and calcination temperatures on porosity, water absorption, density, compressive strength and thermal conductivity of the produced porous ceramics was also investigated. The binary mixtures were prepared using the powder processing technique and uniaxially pressed (40 MPa) into cubic specimens (5 cm edge). All specimens were calcined at 900 oC, 950 oC, 1000 oC and 1020 oC respectively.
The results indicated that the addition of CaCO3 resulted in a noticeable increase of porosity and water absorption from 28% to 51%, and 12.5% to 38.6 % respectively, while density decreased from 2.16 g/cm3 to 1.29 g/cm3. CaCO3 acts as flux and reacts with the silicate tailings, promoting the release of gas (CO2) and the development of larger pores, resulting in higher values of porosity and water absorption. The addition of CaCO3 also lowered thermal conductivity values, from 0.64 W/m·K to 0.48 W/m·K, as more pores were formed during sintering. Furthermore, the addition of CaCO3 reduced structural integrity and compressive strength (from 6 MPa to 2MPa) of the produced ceramics even when higher calcination temperature was used (1020 oC).
On the other hand, the addition of Ca3(PO4)2 resulted in a slight increase of both porosity and water absorption, from 28.4 % to 31.9 % and from 13% to 14% respectively. Density remained practically unaffected (2.1 gr/cm3). Thermal conductivity increased with increased % of Ca3(PO4)2 addition, from 0.26 W/m·K to 0.32 W/m·K, due to the fact that grain growth and densification were promoted during sintering, and a more porous structure was obtained. The compressive strength increased significantly from 5 MPa to 15.6 MPa.
Based on the results of the physical, mechanical and thermal properties, it is deduced that the produced ceramics are suitable for several uses such as insulating bricks, roof tiles for thermal insulation panels and lightweight aggregates for concrete.
The leaching of potentially hazardous elements (PHEs) from porous ceramics was also investigated with the use of Toxicity Characteristics Leaching Procedure (TCLP) and EN 12457-2 tests and the results indicate that they exhibit no toxicity. Several analytical techniques namely X-ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscope (SEM) were also used for the characterisation of raw materials and the produced ceramics.
Λέξεις κλειδιά (Ελληνικά): Πορώδη κεραμικά, πυριτικά τέλματα, ανθρακικό ασβέστιο, φωσφορικό ασβέστιο
Λέξεις κλειδιά (Αγγλικά): Porous ceramics, silicate tailings, calcium carbonate, calcium phosphate
