Full text - Vodní zdroje Ekomonitor spol. s ro

APPLICATION OF INNOVATIVE METHODS IN WASTE SOLIDIFICATION
VYUŽITÍ INOVATIVNÍCH POSTUPŮ PŘI SOLIDIFIKACI ODPADŮ
Jiří Hendrych1), Jiří Kroužek1), Martin Kubal1), Pavel Špaček2)
1) Institute of Chemical Technology Prague, Faculty of Environmental Technology, Technická 5,
166 28 Praha 6, Czech Republic, e-mail: [email protected]
2) CHEMCOMEX Praha a.s., Elišky Přemyslovny 379, 156 00 Praha 5, Czech Republic,
e-mail: [email protected]
Abstract:
Process development of the waste stabilization/solidification method is directed to the use of effective
agents and mixtures. The pressure on the efficacy of the process together with the requirements arising
from the use of bulk-byproducts cause that the applications of innovative practices in a relatively
established processes are asserted. The research direction in the field of the procedures optimalization
for the application of modern waste stabilization/solidification techniques in terms of application
of various raw materials, process conditions and additives is presented.
Keywords:
Stabilization, solidification, waste, binder, additive, geopolymer
Abstrakt:
Vývoj v oblasti metody stabilizace/solidifikace odpadů směřuje k použití účinných činidel a směsí.
Tlak na efektivitu procesu společně s požadavky na využití velkoobjemově vznikajících vedlejších
produktů vedou k uplatňování inovativních postupů u relativně zavedených procesů. Příspěvek
představuje směr výzkumu při optimalizaci podmínek a uplatňování moderních postupů
při stabilizaci/solidifikaci odpadů z hlediska uplatnění různých výchozích surovin, příměsí
a podmínek procesu.
Klíčová slova:
Stabilizace, solidifikace, odpad, pojivo, přísada, geopolymer
Úvod
Veškerá výrobní a spotřební činnost člověka je nedílně spjatá s produkcí odpadů, z nichž značnou část
tvoří odpady průmyslové. Řada odpadů vznikajících ve výrobních odvětvích nese nebezpečné
vlastnosti a problematika nakládání s odpady je aktuální tematikou pro průřez různými průmyslovými
odvětvími, ať už se jedná o jejich využívání, nebo odstraňování. Na základě požadavků zakotvených
v legislativě dochází k nakládání s těmito odpady tak, aby došlo k omezení interakce škodlivých
složek s životním prostředím. Uplatněné způsoby nakládání s těmito materiály mají za cíl odstranění
nebo omezení nebezpečných vlastností odpadů. Jedním ze způsobů, jak je možné splnit předchozí
požadavek, je stabilizace odpadu. Stabilizace představuje specifický způsob fyzikálně-chemické
úpravy odpadu, kdy dochází k převedení odpadu do méně toxické podoby s přispěním chemických
reakcí. Ve většině případů dochází zároveň k solidifikaci odpadu, kdy materiál nabývá zpevněné
podoby. Výsledkem je materiál s omezenou vyluhovatelností toxických látek a vhodnými
mechanickými vlastnostmi a dobrou manipulovatelností (Kuraš a kol., 2008).
Řešená problematika
Aplikace procesu stabilizace/solidifikace je používaná a rozšířená řadu let, zejména ve smyslu použití
hydraulických pojiv na bázi cementu s přídavkem různých aditiv, retardérů či aktivátorů. Metoda je
dobře prozkoumána pro mnoho kombinací konkrétních tuhých či polotekutých odpadů a z hlediska
přípravy různých stabilizačních činidel a jejich směsí (Kafka, Punčochářová, 2004). Metodou
stabilizace/solidifikace lze zpracovat celou řadu anorganických i organických škodlivých látek
přítomných v materiálu (Matějů, 2006).
Tento způsob zpracování odpadů však vzhledem k použití různých druhů cementu není zcela ideální
(výroba cementu zatížená značnou produkcí oxidu uhličitého, nutnost dosahování vysokých teplot
v cementářských pecích, cena produktu). Proto dochází postupně v oblasti aplikace klasického
způsobu stabilizace/solidifikace odpadů k použití velkoobjemově produkovaných materiálů, které
mohou cement ve stabilizačních směsích nahrazovat. Jedná se především o využití vedlejších
energetických produktů. Například vhodně vybrané fluidní popílky lze úspěšně používat pro
stabilizaci/solidifikaci odpadů, neboť vykazují některé vlastnosti, díky nimž je lze v solidifikačních
směsích v určitém poměru používat a cement do jisté míry nahrazovat tímto nebo podobným
materiálem anebo směsí podobných materiálů. To vede k nespornému ekonomickému zatraktivnění
dotčené metody. Řada receptur pro směsná stabilizační činidla je pod patentovou ochranou.
Popílky a jiné vedlejší produkty (například odprašky, struska atd.) vznikající ve velkém množství,
mohou být s výhodou využity k přípravě anorganických polymerních matric, tzv. geopolymerů. Vedle
těchto materiálů lze využít k tvorbě geopolymerů přírodní hlinitokřemičitany po vhodné předúpravě.
Jako suroviny lze s výhodou využít materiály kaolinitického typu, které pro zpracování na keramiku
nevykazují vhodné vlastnosti zejména z důvodů obsahu různých příměsí. První aplikace geopolymerů
ve stavebnictví pocházejí ze 70. let dvacátého století, výzkum těchto materiálů zaznamenal zejména
v poslední dekádě velký rozmach, kdy byla pozornost zaměřena na výrobu dlažby a stavebních
prefabrikátů, umělého kamene, kompozitních materiálů, využití při zpracování odpadů, či výrobu
žáruvzdorných a izolačních materiálů a k jejich uplatnění došlo také v oblasti restaurátorství.
Vzniklé vyzrálé produkty mají vynikající mechanické vlastnosti, nízkou porozitu, odolávají vysokým
teplotám, korozi, časově jsou velmi stálé a přinášejí oproti použití klasických materiálů řadu dalších
výhod. V oblasti zhotovování stavebních prvků je možné do směsi přidávat nejrůznější plniva,
v oblasti solidifikace nebezpečných odpadů je cílem začlenění co největšího množství odpadu
do materiálu při dosažení požadovaných mechanických a zejména pak vyluhovacích vlastností.
Největší přínos však spočívá v oblasti zpracování nebezpečných odpadů metodou
stabilizace/solidifikace v tom, že solidifikát může být v případě geopolymerů tvořen z materiálu
původně nižší užitné hodnoty v porovnání s různými druhy cementu. Principem tuhnutí těles
solidifikátu v případě cementových směsí je hydratace, zatímco principem geopolymerace
je kondenzace následující po alkalické aktivaci prekurzorů, proces obsahuje několik kroků.
Při působení silně alkalického prostředí na původní alumosilikátové materiály dochází ke vzniku
polymeru s dvoj až trojrozměrnou amorfní nebo semikrystalickou strukturou několika typů, podle
poměru atomů křemíku a hliníku. Vzniklý produkt představuje materiál na rozhraní mezi skelnými
a keramickými materiály a klasickými anorganickými pojivy (Škvára, 2010) a jeho vlastnosti jsou
závislé na výchozích surovinách a jejich poměru, koncentraci alkalického aktivátoru a konkrétních
podmínkách přípravy.
Literatura přináší řadu informací o úspěšnosti imobilizace například těžkých kovů v geopolymerní
matrici (Fernández-Pereira et al., 2009; Bankowski et al., 2004), pro jednotlivé kovy se údaje liší
a záleží na vlastnostech materiálu a podmínkách geopolymerace. Přesný mechanismus inhibice není
zcela objasněn, soudí se, že probíhá pomocí více mechanismů: chemické vazby látek s matricí,
adsorpce a fyzikální inhibice. (Koplík, 2012) Rovněž v oblasti tvorby geopolymerů a jejich aplikace
pro zpracování nebezpečných či radioaktivních odpadů existuje řada řešení s patentovou ochranou
(Straka a kol., 2008; Davidovits, 1992), nicméně tato oblast stále přináší prostor pro inovace.
Dílčím cílem výzkumu je tedy aplikace zmíněné procedury na materiály s obsahem nebezpečných
látek s uplatněním různých výchozích surovin, podmínek tvorby solidifikátu a aplikací aditiv tak,
aby bylo dosahováno co nejlepších vlastností produktu z hlediska vyluhovatelnosti kontaminantů.
Materiály podléhajícími procesu stabilizace/solidifikace budou matrice, které jsou touto metodou
zpracovávány nebo ke zpracování touto metodou vykazují potenciál.
Závěr
Uvedený příspěvek naznačuje dílčí náplň projektu aplikovaného výzkumu, podává základní náhled
na směr, kterým se řešitelé ubírají ve snaze zefektivnění metody stabilizace/solidifikace nebezpečných
odpadů. Spoluvyužití vedlejších energetických produktů a přírodních materiálů, které mohou podléhat
geopolymeraci je žádoucí a spolu s modifikací podmínek při tomto procesu a hledáním vhodných
komponent, které lze do solidifikačních směsí přidávat za vzniku produktů vymezených vlastností,
jsou jednou z oblastí zájmu a činnosti řešitelů.
Poděkování
Příspěvek byl připraven v rámci výzkumu realizovaného s podporou projektu „Aplikace moderních
postupů a materiálů při stabilizaci odpadů“ (TAČR - TA02021344).
Literatura:
Bankowski P., Zou L., Hodges R. 2004. Reduction of metal leaching in brown coal fly ash using
geopolymers. Journal of Hazardous Materials 114 (1-3), 59 – 67.
Davidovits J. 1992. Method for obtaining a geopolymer binder allowing to stabilize, solidify and
consolidate toxic or waste materials, patent WO9204298.
Fernández-Pereira C., Luna Y., Querol X., Antenucci D., Vale J. 2009. Waste
stabilization/solidification of an electric arc furnace dust using fly ash-based geopolymers. Fuel 88 (7),
1185-1193.
Kafka Z., Punčochářová J. 2002. Pojiva a aditiva pro chemickou stabilizaci nebezpečných odpadů.
Chem. Listy 96, 800-804.
Koplík J. 2012. Inhibice nebezpečných látek v alumináto-silikátových systémech. Disertační práce,
VUT v Brně.
Kuraš M., Dirner V., Slivka V., Březina M. 2008. Odpadové hospodářství. Vodní zdroje Ekomonitor,
s.r.o., Chrudim. ISBN: 978-80-86832-34-0.
Matějů V. (ed.). 2006. Kompendium sanačních technologií. Vodní zdroje Ekomonitor, s.r.o., Chrudim.
ISBN: 80-86832-15-5.
Straka P. a kol. 2008. Způsob solidifikace a stabilizace radioaktivních odpadů, patent CZ299909.
Škvára F. 2010. Aluminosilikátové polymery (geopolymery). Sklář a keramik 60, 61-63.