Syntéza zeolitů v geopolymerech využitelných v ekologii. Koloušek D.; Doušová B. Slavík R.; Urbanová-Čubová, M.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Syntéza zeolitů v geopolymerech využitelných v ekologii. Koloušek D.; Doušová B. Slavík R.; Urbanová-Čubová, M."

Dana Veselá
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Syntéza zeolitů v geopolymerech využitelných v ekologii Koloušek D.; Doušová B. Slavík R.; Urbanová-Čubová, M.

2 Co jsou geopolymery? Geopolymery jsou amorfní až semikrystalické 3D aluminosilikátové materiály. Základem jsou polymerní řetězce typu Si-O-Al-O vznikající v alkalických podmínkách kondenzací vhodných amorfních forem obsahující SiO 2 a Al 2 O 3. Polysilikátové řetězce tvoří zesíťované 3D struktury, které se vyznačují vysokými pevnostmi v tlaku a tepelnou stabilitou. Důvěryhodný vzorec: M n {-(SiO 2 ) z -AlO 2 } n wh 2 O M = Na +, K +, Ca 2+ (Li + ) n stupeň polykondenzace z 1,2 či 3 Struktura geopolymeru

3 Geopolymery se vyznačují vysokými pevnostmi v tlaku a termální stabilitou Dosažené pevnosti (MPa) geopolymerních směsí v závislosti na poměrech Si/Al a Na/Al (zrání 24h při teplotě 75 C a pak 7 dní při laboratorní teplotě).

4 Co jsou zeolity? Zeolity jsou hydratované aluminosilikáty, jejichž skelet je kompenzován ionty alkalických kovů či alkalických zemin. Obsahují dutiny, které jsou obsazeny právě hydratovanými kationty, přičemž obě složky jsou charakterizovány vysokou pohyblivostí, v jejímž důsledku jsou zeolity vhodné pro iontové výměny a reverzní hydratace Důvěryhodný vzorec: Me 2/n O.Al 2 O 3.xSiO 2.yH 2 O, kde n je valence alkalického kationtu, x je molární poměr SiO 2 /Al 2 O 3 a y je počet molekul H 2 O Struktura zeolitu klinoptilolitu (idealizované složení: 3Na 2 O.3Al 2 O 3 30SiO 2 ) Struktura geopolymeru

5 Jak se liší klasická syntéza zeolitů od přípravy geopolymerů? Klasická hydrotermální syntéza Záměsová H 2 O Příprava nestabilních geopolymerů Rozpouštědlo H 2 O Mineralizátor NaOH nebo KOH Al-Si zdroj metakaolinit popílek Mineralizátor NaOH nebo KOH Na nebo K vodní sklo Alkalický roztok Al-Si zdroj (soly křemičitanů, hlinitanů) metakaolinit, popílky Míchání směsi Syntézní produkty Tvarování geopolymeru Míchání Amorfní gel Syntéza Teplota ( C) až 840 hodin Filtrace (promytí) Sušení teplota 80 C

6 Jak připravit geopolymerní pojivo? Al 2 O 3 x(sio 2 ) + M 2 O y(sio 2 ) = pevná látka M = kation alkalického kovu Geopolymer Geopolymery (AAA) obsahují amorfní nebo semikrystalickou síť precipitátů Síť obvykle obsahuje nezreagované částice prášku prekursoru Geopolymerní pojivo

7 Geopolymer, geocement či nízkoteplotní keramika? Růže je růže je růže. Gertruda Stein, Sacred Emily (1913) Geocement Geopolymer - Gluchovskij Davidovits Nízkoteplotní aluminosilikátová keramika či sklo Rahier Keramika pojená alkáliemi Kriven Hydrokeramika Grutzek (hydrotermálně upravený metakaolinit v prostředí 15M NaOH) Metastabilní alkalický aluminosilikátový gel - Koloušek

8 Hydrotermální expozice geopolymerních pojiv Systém 4.0 SiO 2 : 1.0 Al 2 O 3 : 1.0 Na 2 O Kaoline calcination temperature 550 C Kaoline calcination temperature 750 C Compressive strength (MPa) ,88 52, Z 7,6 12,38 12,61 Y 16,27 15,23 12,62 36,16 AA/7d 18,34 100/+/7d 100/+/14d 100/+/21d 100/+/28d Treatment conditions

9 Hydrotermální expozice geopolymerních pojiv Systém 4.0 SiO 2 : 1.0 Al 2 O 3 : 1.0 Na 2 O Kaoline calcination temperature 550 C Kaoline calcination temperature 750 C Compressive strength (MPa) ,88 52, Z 7,6 12,38 12,61 Y 16,27 15,23 12,62 36,16 AA/7d 18,34 100/+/7d 100/+/14d 100/+/21d 100/+/28d Treatment conditions

10 dt ( C) dt ( C) Hydrotermální stabilita geopolymerů Systém 4.0SiO 2 : 1.0 Al 2 O 3 : 1.0Na 2 O Hmotnost (%) TGA pův. geopolymeru DTA pův. geopolymeru Teplota C Hmotnost (%) TGA vzorku 100/+/168h DTA vzorku 100/+/168h Teplota C Pevnost v tlaku 36 MPa Pevnost v tlaku 16 MPa

11 Transformace geopolymerů Geopolymerní pojivo po 90 dnech normálního zrání Bez zeolitové mineralizace Geopolymerní pojivo po hydrotermálním působení při 180 C po dobu 168 h. Úroveň zeolitizace cca 70-80% Pevnost v tlaku se snížila ze 16 MPa na 3 MPa

12 Jaké fáze vznikají v geopolymerních pojivech? Sum of scaled intensities Calcination temperature 550 C Zeolite P Chabasite Analcime Sum of scaled intensities Calcination temperature 750 C Zeolite P Chabasite Analcime AA/7d 100/+/7d 100/+/14d 100/+/21d 100/+/28d 0 AA/7d 100/+/7d 100/+/14d 100/+/21d 100/+/28d Experimental conditions of HT Experimental conditions of HT Systém 4.0 SiO 2 : 1.0 Al 2 O 3 : 1.0 Na 2 O Zeolit P: (2-5)SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.5H 2 O Analcim: 4SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.2H 2 O Chabazit: 4SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.6H 2 O

13 Geopolymerní systémy přiravené z metakaolinu Sedlec IA (750 C, 6 hod) s vodním sklem (Si/Al = 1.7, Na/Al= 1.0) Pevnosti v tlaku tělísek Doba hydrotermálního ošetření (140 C) (hodiny) Sedlec IA Pevnost v tlaku (MPa) 0 (NZ) 14,7 MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa

14 Geopolymerní systémy připravené z metakaolinu Sedlec IA (750 C, 6 hod) s vodním sklem (Si/Al = 1.7, Na/Al= 1.0) Doba hydrotermálního ošetření (140 C) (hodiny) Sedlec IA Pevnost v tlaku (MPa) 0 (NZ) 14,7 MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa Pevnosti v tlaku tělísek a rentgeny

15 Geopolymerní systémy metakaolinu Sedlec IA (750 C, 6 hod) s vodním sklem (Si/Al = 1.7, Na/Al= 1.0) Iontově-výměnná kapacita hydrotermálně ošetřených geopolymerů Celkova iontove-vymenna kapacita (meq/g) CEC pro K + -> Na + CEC pro Na + -> K + CEC metakaolinu Sedlec IA 0.06 meq/g CEC přírodního klinoptilolitu ~ meq/g Hydrotermální aktivace (hod)

16 Geopolymerní systémy připravené z metakaolinu Sedlec IA (750 C, 6 hod) s vodním sklem (Si/Al = 1.7, Na/Al= 1.0) Kinetika iontové výměny NH 4+ -> Na Zbytková koncentrace NH Sedlec 750 C, 0.5g/l 2 hodiny, 0.5g/l 4 hodiny, 0.5g/l 12 hodin 0.5g/l 16 hodin, 0.5g/l 72 hodin 0.5g/l Doba kontaktu (s)

17 Kinetika iontové výměny NH 4+ -> Na + přírodních zeolitů Zbytková koncentrace NH + (mg/l) Granofilter (Madarsko) 1g/l Klinomangan As (Madarsko 1g/l) Mikromletý klinoptilolit Slovensko 1.0 g/l Geopolymerní zeolit Sedlec (72h) 0.5g/l Čas (s)

18 Jaké fáze vznikají v geopolymerních pojivech? Systém 4.0 SiO 2 : 1.0 Al 2 O 3 : 1.0 Na 2 O Zeolit P: Analcim: (2-5)SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.5H 2 O 4SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.2H 2 O Chabazit: 4SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.6H 2 O Systém SiO 2 : 1.5 Al 2 O 3 : 0.7 Na 2 O Produkt zeolit A: 2SiO 2.Al 2 O 3.Na 2 O.2.25H 2 O

19 Syntéza zeolitu A v geopolymerních pojivech Systém SiO 2 : 1.5 Al 2 O 3 : 0.7 Na 2 O (90 C) Přestože zeolitu A v produktech není více jak 50%, změřená CEC produktů převyšuje CEC fázově čistého zeolitu A (5.5 meq/g).

20 Syntéza zeolitu A v geopolymerních pojivech Systém SiO 2 : 1.5 Al 2 O 3 : 0.7 Na 2 O (90 C) 29 Si MAS NMR Q 4 (4Al) Q 4 (3Al) 24 hod 2 hod ppm Proč? geopolymerní pojivo se hydrotermální aktivací přetransformovalo na síť obsahující zeolit A. - Síť je rentgenamorfní, ale chová se jako iontoměnič. Nanozeolity typu A?

21 Kinetika iontové výměny NH 4+ -> Na + přírodních zeolitů Zbytková koncentrace NH + (mg/l) Granofilter (Madarsko) 1g/l Klinomangan As (Madarsko) 1g/l Mikromletý klinoptilolit Slovensko 1.0 g/l Geopolymerní zeolit Sedlec (72h) 0.5g/l Zeolit A ~ 100% 1g/l "Amorfní" geopolymer 1g/l Čas (s) 1:7SiO 2 : Al 2 O 3 : Na 2 O SiO 2 : 1.5Al 2 O 3 : 0.7Na 2 O

22 Další možnosti využití geopolymerních zeolitů Vysoká selektivita vůči Cs + Schopnost dehydratovat etanol na absolutní alkohol Příprava chytrých beotnů Adsorpční schopnosti (čiření vína)

23 Co z toho všeho vlastně vyplývá? Na-geopolymery jsou svojí amorfní a reaktivní podstatou vhodnými materiály pro přípravu zeolitů in situ. Propojováním základních strukturních jednotek vznikají polykrystalické oblasti uvnitř geopolymeru za současného uspořádávání (stravování) okolní výztuže pro svůj vznik. Efekt vede ke snižování pevnosti pojiva. Zeolity vznikající v matrici jsou charakterizovány velmi úzkou distribucí velikostí krystalů či krystalitů. S velkou pravděpodobností vznikají nanozeolitové fáze. Změnou poměru Na 2 O/Al 2 O 3, dobou a teplotou hydrotermální expozice výchozího geopolymeru je možno řídit poměr SiO 2 /Al 2 O 3 zeolitu a tím ovlivňovat hloubku a kinetiku iontově-výměnné reakce.

Podobné dokumenty

JEMNOZRNNÉ BETONY S ČÁSTEČNOU NÁHRADOU CEMENTU PŘÍRODNÍM ZEOLITEM

JEMNOZRNNÉ BETONY S ČÁSTEČNOU NÁHRADOU CEMENTU PŘÍRODNÍM ZEOLITEM Pavla Rovnaníková, Martin Sedlmajer, Martin Vyšvařil Fakulta stavební VUT v Brně Seminář Vápno, cement, ekologie, Skalský Dvůr 12. 14.