Δομικές ιδιότητες προϊόντων σταθεροποίησης στερεών αποβλήτων

Abstract

Electric Arc Furnace Dust (EAFD) is a solid waste produced during process of steel in steel scrap recycling facilities. It consists mainly of the contaminants of steel and its main components are zinc oxides (ZnO), lead oxide (PbO), and zinc ferrite (ZnFe2O4). Manganese oxide (MnO) and magnesium oxide (MgO), are contained in smaller amounts as well. The huge amount of annual production of EAFD (15000 tones per year) in Greece, along with its toxicity have raised the issue of developing environmental safe and low cost methods for the management of these solid wastes. A continuously developing method of solid waste management is vitrification with the addition of batch materials. Through glassification, reduction of the volume of waste, destruction of the organic components and stabilization of the toxic ingredients are accomplished at the same time. The products of glassification can, with further thermal treatment (nucleation and crystallization), be converted into glass ceramics with interesting mechanical, thermal and chemical properties. The properties of the resulting glass ceramics are tailored by the initial composition of the glass and the heat treatment procedure. In an attempt to solve the problem of management of EAFD wastes, EAFD powder was mixed in various proportions with cheap raw materials, namely CaCO3, Na2CO3 and SiO2 powders, at ambient pressure. The vitreous products were converted into glass ceramics by a two-stage heat treatment (nucleation and crystallization). The main target of this work was the stabilization of the toxic elements of the waste, the production of glass ceramics with the best possible crystallization and minimum cost of energy and the possibility of using the resulting products into useful applications. Wollastonite (CaSiO3) and diopside (CaMgSiO3) appeared to be the dominant crystalline phases, which are important substances in ceramic and cement industries. The resulting products were studied, from the structural point of view, using a variety of techniques such as X-Ray Diffraction (XRD), Differential Thermal Analysis (DTA), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Energy Dispersive Analysis (EDS), in order to understand the differences in the crystalline behavior of the glass ceramics and the mechanism which favors the formation of the specific crystalline phases. Through comprehension of the mechanism of crystallization we can determine the crystalline phases that appear in the glass ceramics and consequently tailor their properties.

Η σκόνη σακκόφιλτρων ηλεκτροκαμίνου (Electric Arc Furnace Dust-EAFD) είναι ένα τοξικό στερεό απόβλητο το οποίο παράγεται κατά τη τήξη του σιδήρου ανακύκλωσης (scrap) στις ηλεκτροκαμίνους των χαλυβουργιών. Τα βασικά συστατικά του είναι το διοξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO), το οξείδιο του μολύβδου (PbO) και ο φερίττης (ZnFe2O4). Οξείδιο του μαγγανίου (MnO) και οξείδιο του μαγνησίου (MgO) περιέχονται επίσης αλλά σε μικρότερες ποσότητες. Ο τεράστιος όγκος της παραγόμενης σκόνης του αποβλήτου EAFD στην Ελλάδα (15000 τόννοι ετησίως) σε συνδυασμό με την τοξικότητά του, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης περιβαλλοντικά ασφαλών και χαμηλού κόστους μεθόδων διαχείρισης του στερεού αποβλήτου. Μια συνεχώς αναπτυσσόμενη μέθοδος διαχείρισης των στερεών αποβλήτων είναι και η υαλοποίηση με την προσθήκη πρώτων υλών. Μέσω της υαλοποίησης επιτυγχάνονται ταυτόχρονα μείωση του όγκου του αποβλήτου, καταστροφή των οργανικών συστατικών και σταθεροποίηση των τοξικών συστατικών του. Τα προϊόντα της υαλοποίησης μπορούν με περαιτέρω θερμική επεξεργασία (πυρηνοποίηση και κρυστάλλωση) να μετατραπούν σε υαλοκεραμικά με ενδιαφέρουσες ιδιότητες (μηχανικές, θερμικές, χημικές). Οι ιδιότητες των προκυπτόντων υαλοκεραμικών καθορίζονται από την αρχική σύσταση του γυαλιού και τις συνθήκες θερμικής επεξεργασίας. Σε μια προσπάθεια λύσης του προβλήματος διαχείρισης του αποβλήτου, η σκόνη EAFD αναμείχθηκε σε διαφορετικές αναλογίες με σκόνες CaCO3, Na2CO3 και SiO2 και χυτεύθηκε. Τα υαλώδη προϊόντα μετατράπηκαν σε υαλοκεραμικά με θερμική επεξεργασία δύο βημάτων σε διάφορες συνθήκες κρυστάλλωσης. Κύριος στόχος ήταν η σταθεροποίηση των τοξικών συστατικών του αποβλήτου, η δημιουργία υαλοκεραμικών με την καλύτερη δυνατή κρυστάλλωση και το μικρότερο ενεργειακό κόστος καθώς και η δυνατότητα χρησιμοποίησης των προκύπτοντων υαλοκεραμικών σε χρήσιμες εφαρμογές. Ο βολαστονίτης μόνος του ή μαζί με το διοπσίτη εμφανίστηκαν να είναι οι κύριες κρυσταλλικές φάσεις, υλικά που χρησιμοποιούνται ευρέως στην κεραμοποιεία και στην τσιμεντοβιομηχανία. Τα προϊόντα μελετήθηκαν με διάφορες τεχνικές όπως Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD), Διαφορική Θερμική Ανάλυση (DTA), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM), Hλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (TEM) και Στοιχειακή Μικροανάλυση (EDS), προκειμένου να μελετηθεί η κατανομή των στοιχείων EAFD στα υαλοκεραμικά, να κατανοηθούν οι διαφορές στην κρυσταλλική συμπεριφορά των υαλοκεραμικών, αλλά και ο μηχανισμός που διέπει το σχηματισμό των δεδομένων κρυσταλλικών φάσεων. Η κατανόηση του μηχανισμού κρυστάλλωσης, αποτελεί ένα σημαντικό βήμα, το οποίο επιτρέπει τον έλεγχο των κρυσταλλικών φάσεων που εμφανίζονται στα υαλοκεραμικά και κατ΄ επέκταση των ιδιοτήτων τους.