Промышленные и бытовые отходы содержат высокую концентрацию ядовитых соединений, тяжелых металлов, органичных соединений и растворимых солей. Их обработка методом уменьшения вредных и токсичных соединений является основным методом для сохранения окружающей среды.
Переработка вторичного сырья и герметизация химического отхода выполняется для защиты окружающей среды от загрязнения токсичными элементами. Вредные природные компоненты преобразуются в инертные технологическими процессами плавления, распыления, электрохимической вытяжки. Стеклянная фаза, которая является компонентом многих отходов, играет роль обволакивающего покрытия. Смешивая стекло с вредными природными веществами с последующей термической обработкой, образуются продукты со структурами подобными естественным минералам или стеклу.
Стекло характеризуется изотропностью и высокой вязкостью во всех фазах его образования, процессы плавления и кристаллизации обратимые. Стекло образуется путем быстрого охлаждения расплава смеси определенных окислов или их соединений. Стекла - аморфные не органические материалы, образованные путем плавления и охлаждения без кристаллизации. Они стойкие к коррозии.
Силикатное стекло по своей природе - это сложная система с силикатным модулем Si/O=0.39. Если в структуре есть Al-ионы и соотношение Na2O/Al2O3 >1, то стекла стойки к кислотным средам.
Промышленные и бытовые отходы стекла после переработки используется для производства стеклянных керамических материалов. Для этой цели используются оконные стекла, емкости, мониторы телевизоров. Во многих Европейских странах приблизительно 26% отходов оконного стекла, перерабатываются и возвращаются в производство.Для вторичного плавления стеклянные емкости перерабатывают как сырье, процент переработки изменяется в зависимости от его цвета: 82.0% для зеленого, 44.5% для коричневого и 43.8% для белого стекла. С экологической точки зрения оконные стекла и емкости безопасны и могут использоваться в качестве первоначального материала для блокирования вредных и опасных элементов в окружающей среде. Для стекла, используемого в производстве стеклянной керамики самой главной чертой является,наличие постоянного химического состава особенно в полномасштабном производстве. Стекло мониторов ТВ содержит Pb, Sb, Вр, и т.п. и может быть вредным для окружения.
Стекло компьютерных мониторов и телевизоров, может также содержать тяжелые металлы в своем составе в форме окислов Fe, Ni, Co, Cu, Mn, V, Ce, и т.п. Стекло - это превосходный материал для сцепления окислов тяжелых металлов. Они связываются с SiO2 в кристаллической решетке, которая держит их в себе и уменьшает их растворимость в кислотной среде.
Количество опасных окислов в составе отхода стекла проверяется до его использования.
Отходы стекла могут также использоваться в качестве добавки для глин; это уменьшает температуру синтеза, которая приводит к уменьшению браков в продукции черепицы. Смешанный бой стекла может также использоваться в производстве стеклянного асфальта (90%асфальт+10% бой).
Стеклянные керамические композиционные материалы, производимые из отходов стекла, обладают много раз лучшими механическими характеристиками, чем само стекло. Керамическое стекло - это керамический полукристаллический материал, производимый контролируемой кристаллизацией стекла. Оно сопротивляется химическому и атмосферному воздействию, особенно в случае стеклянной керамики на силикатной основе. Стеклянная керамика также называется vitro-керамикой.
Свойственная твердому телу пористость значительно воздействует на механические свойства материалов и структуру конечного продукта. Пористость последнего управляется гранулометрическим и химическим составами, механической прочностью, температурой синтеза, и т.п. Общая зависимость, которая соединяет стеклянную керамическую микроструктуру с его механическими свойствами, не известна. Согласно Рускевичу, прочность на изгиб (σ) уменьшается экспоненциально, когда пористость материала растет:σ=σ0·exp(-n·V) ,где: V – объем пор; n – константа, которая характеризует материал (n=4-7).
Прочность на изгиб зависит также от: размера зерна (σ зависит обратно пропорционально √dgrain, d – диаметр зерна), температуры взаимодействия между зернами, поверхности образца и т.д. Согласно Кингеру, поры имеют нулевой модуль Юнга, и изменение упругих свойств закрытых пористых систем в неопределенной решетке описывается по уравнению:E=E0·(1-1.9·θ+0.9·θ2 ), где: E – модуль Юнга; E0 – модуль не пористого тела; θ – коэффициент пористости.
Размер пор и их распределение непосредственно влияет на упругость стеклянной керамики: поры эллиптической формы - это причина высокой упругости материала, а сферической формы – относительно низкая упругость. Если размер и форма пор не воздействует непосредственно на модуль Юнга, они - причина для вторичных эффектов, самый главный из которых - это случай микротрещин. Присутствие микротрещин после синтеза зависит от размера зерна и приводит к уменьшению в несколько раз модуля Юнга.
Размеры зерна, также как и другие характеристики микроструктуры стеклянной керамики непосредственно воздействуют на термическое расширение. Термическое расширение микротрещин воздействует на расширение композиционного материала.
Материалы с высокой пористостью (θ>70%) характеризуются: высокой твердостью и растяжением, сопротивлением к тепловому эффекту, химической и термической стойкостью, большой удельной поверхностью, низкой теплопроводностью, низкой диэлектрической константой и т.п.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Химический состав сырьевых материалов определяется атомным спектрофотометром абсорбции Rank Hilger, Atom-Spek H-1580.
Удельная поверхность была определена BET методом с помощью аппарата Micromerits Gemini. Азот использовался в качестве носителя газа. Структура порошка изучалась электронным микроскопом SEM Leica S 440i в увеличении 50-2000 раз.
Дифференциальные тепловые и термогравиметрический анализы проводились в воздушной среде деривотогрофом Netzsch STA-409 в диапазоне 20-1400°C со скоростью нагрева 10°Cмин-1. Аппаратура Philips PW 1820 с применением CuK-излучения и Ni-фильтра была применена для выполнения рентгеновского структурного анализа Рентгеновского Луча порошка в диапазоне 2·θ=6-50°.
Измельчение и механическая активация сырьевых материалов выполнялась в шаровой мельнице Fritsch pulverisette 5 (шары Al2O3; время помола – 1-3 часа; вещество – алкоголь + вода). Разделение на фракции на грохоте Retsch STR 36 D-42781 Haan осуществлялся для определения гранулометрического состава порошка. Одноосный пресс Weber Pressen KIP 100 с прессовым усилием 10-400 MПa использовался для прессования образцов для утельного обжига. Форма матрицы, которая использовалась: параллелепипед (размеры: a=60 миллиметров, b=c=4-6 миллиметров) и цилиндер (Ø=35 миллиметров).
Термо-микроскоп Leitz 5 (скорость нагрева - 10°Cмин-1, диапазон – 20-1500°C) использовался для определения интервала спекания и температур размягчения и плавления сырьевых материалов.
Механический контрольно-измерительный прибор Netzsch 401/3 использовался для определения модуля упругости и прочности на изгиб. Исследование дилатометром Netzsch 402E образцов выполнялся в диапазоне 20-500-20°C со скоростью нагрева/охлаждения 2°C мин-1.
Плотность образца была определена гидростатическим методом в воде как эксплуатационной жидкости. Плотность определили по формуле:θ=1-ρ/ρt, где: ρ – фактическая плотность. ρt- теоретическая плотность отхода стекла.
РЕЗУЛЬТАТЫ И БСУЖДЕНИЕ
Три вида стекла использовались в качестве стеклянного фазового источника: мониторов ТВ, окон и контейнеров.
Оконное и контейнерное стекла непосредственно были подвержены дроблению и помолу. Стекло монитора предварительно обрабатывалось 12% раствором HF для того, чтобы исключить химические включения, появляющиеся на каждом экране телевизора.
Химический анализ стекла монитора показал в составе вредный окисел свинца (PbO=8.18%).
В SEM и оптических микроснимках видно, что частицы имеют неравномерную форму, острые края и различные размеры в диапазоне от 5 50 µм.
Во всех стеклах свыше 50% частиц имеют размеры < 0.063 миллиметра. Оконное стекло имеет самую высшую степень геометрической активности, потому что почти 80% частиц имеют размер < 0.045 миллиметра.
Тепловые характеристики отходов стекла показывают, что стекло ТВ имеет меньшее спекание и самую низкую температуру плавления из-за присутствия PbO и K2O в нем. Поэтому стекло ТВ более подходит для последующего использования.
Фракция порошка с размером частиц < 45 µм использовалась для усиления мех. свойств отходов стекла. пластификатор ПВА использовался для подготовки пресс-порошка и прессования под давлением 30 MПa. Сырая пресс-форма в виде параллелепипеда с размерами 60×5×5 мм обжигалась в камерных печах при температуре 600-800°C (воздушная среда, скорость нагрева - 10°C мин-1 и охлаждение в течение 1 часа).
Модуль упругости, прочность на изгиб (σ), плотность (ρ) и технический коэффициент линейного расширения (α) - приведены в Таблице 1.
Таблица 1 - пористость, механические свойства и технический коэффициент теплового линейного расширения исследуемых стекол.
| Вид стекла | ρ, g/cm-3 | E-модуль, ГПa | σ, MПa | α, 10-6 °C-1 |
|---|---|---|---|---|
| Стекло ТВ | 2.61 | 72±8 | 136±10 | 10.6 |
| Оконное стекло | 2.66 | 50±7 | 125±10 | 10.1 |
| Стекло контейнера | 2.54 | 52±7 | 136±10 | 10.8 |