Název projektu
Vliv mikrovlnného záření na výtěžnost zeolitové fáze syntetizované z VEP a odpadů obsahujících hliník za přídavku různých chemických aditiv
Kód
SP2022/85
Předmět výzkumu
Projekt bude plynule navazovat na experimentální činnost projektu SP2021/61 Hydrotermální syntéza zeolitové fáze z vedlejších energetických produktů. Výsledky dosažené v rámci projektu budou zahrnuty do komplexní studie hydrotermální syntézy zeolitové fáze v rámci mojí disertační práce.
Finanční prostředky projektu SP2021/61 umožnily proplacení základní servisní prohlídky a proškolení na laboratorním autoklávu UltraCLAVE IV. Tím byl celý syntézní proces zefektivněn. První studie byla zaměřena převážně na stanovení vlivu fyzikálních proměnných na syntézní výtěžnost. Je-li HT syntéza chápána jako funkce, pak je potřeba její komplexnost doplnit i o parametry chemické. Zde se nabízí využití různých doposud neprozkoumaných chemických činidel, aktivátorů a zejména zdrojů hliníku, které budou v projektu zastoupeny průmyslovými odpadními materiály. Průmyslové odpady budou posouzeny jednak z hlediska chemických i mineralogických kvalitativních a kvantitativních analýz, jednak z hlediska jejich nebezpečných vlastností. Zde bude z důvodu syntézy v autoklávovaném systému s mikrovlnným zářením studována přednostně nebezpečná vlastnost HP 12, tedy Uvolňování akutně toxického plynu (v souladu s NAŘÍZENÍM KOMISE (EU) č. 1357/2014 ze dne 18. prosince 2014).
Jako příklad odpadu s obsahem hliníku uvádím solnou strusku z procesu recyklace hliníku. Větší množství vzorku bude na základě již probíhající domluvy se zástupcem společnosti poskytnuto brněnskou firmou, která se zabývá produkcí sekundárního hliníku. Jméno firmy bude v budoucnu uvedeno pouze se souhlasem jejího zástupce (jak již bylo z mojí strany přislíbeno). Další odpady s obsahem hliníku, které jsou prozatím v jednání, jsou odpadní materiály z firem zabývajících se zpracováním solné strusky nebo recyklací hliníkových odpadů.
Ve srovnání s konvenční hydrotermální syntézou i metodou tavení je příprava zeolitů pomocí mikrovlnného ohřevu z hlediska spotřeby energie i reakčního času ekologicky šetrnější metodou. Bylo prokázáno, že syntéze zeolitů pomocí mikrovlnného záření vede ke zvýšení syntézního výtěžku, a to v závislosti na snížení reakční doby i teploty.[1] Za stejných reakčních podmínek vykazoval produkt podrobený vlivu mikrovln vyšší obsah sodalitové fáze než produkt z konvenčního zahřívání. [2]
Dalšími přínosy působení mikrovln jsou urychlení nukleace během krystalizace a užší produkce distribuce částic i pokles rozmanitosti morfologických a nežádoucích struktur ve výsledném produktu.[3,4] Mikrovlnná syntéza tedy při minimalizaci negativních dopadů na životní prostředí nabízí pro koncové průmyslové aplikace ekonomičtější využití uhelných popílků. [1] Rovněž bylo prokázáno, že i poreakční roztok z HT syntézy, jakožto zdroj oxidu křemičitého a oxidu hlinitého, lze využít pro výrobu aluminosilikátových materiálů. Produkty vyrobené z odpadní matrice vykazovaly vysokou kvalitu, pevnost, čistotu i vynikajícími povrchové vlastnosti. Optimalizací podmínek se podařilo laboratorní výsledky dokonce přenést do poloprovozního měřítka. Analýzy potvrdili, že vlastnosti takto vyrobených zeolitů jsou podobné v laboratorních i poloprovozních podmínkách a lze tento proces využít i v průmyslové praxi. Tento způsob výroby je levnou a ekologickou alternativou k syntéze zeolitů z primárních chemických činidel a snižuje výrobní náklady i spotřebu chemikálií. [5] Možnost aplikace mikrovlnné syntézy zeolitů v průmyslovém měřítku potvrzují i jiné studie. Potenciál těchto metod pro komerční využití je zvýšen převážně vysokou krystalinitou produktů a zkrácením doby syntézy vlivem mikrovln [4]
Většina autorů při mikrovlnném rozkladu použila jako činidlo pouze NaOH. [1,2,4,6–13], kombinaci NaOH a NaCl [14] nebo KOH. [15] Rovněž při klasické HT syntéze a přípravě tavením byl nejčastěji aplikován pouze roztok NaOH. [5,16] Jako zdroje hliníku byl použit NaAlO2. [1,8,10,11] nebo hliníkové fólie [5]. Použití specifických činidel, aktivátorů nebo odpadních zdrojů hliníku v syntézních směsích doposud publikováno nebylo.
Finanční prostředky z projektu by byly použity zejména na přepravu průmyslových odpadů a zakoupení chemických látek, které jsou specifické. Cílem projektu je obohacení syntézních směsí o chemické látky a odpadní zdroje hliníku, tedy aditiva, jejichž vliv na výtěžnost zeolitů v procesu hydrotermální syntézy s mikrovlnným zářením doposud nebyl publikováno.
Základní matricí pro přípravu zeolitových fází budou popílky, které byly získány ve spolupráci s Asociací pro využití energetických produktů a ČEZ. Konkrétně se jedná o vysokoteplotním popílky z Elektrárny Mělník a Teplárny Trmice.
1. etapa (leden–březen): Výběr, převoz a vyhodnocení vhodnosti odpadů obsahujících Al pro syntézu krystalických aluminosilikátů. Celková analýza vzorků odpadů (XRF; AAS – stanovení Al a Fe; XRD; SEM doplněná o EDX atd.). Vyhodnocení nebezpečných vlastností odpadů. Úprava vzorků (mechanická aktivace, magnetická separace). Provedení doplňujících analýz popílků (FT-IR, silikátová analýza).
2. etapa (duben–červen): Příprava syntézních směsí. Hlavní chemické proměnné syntézních reakcí jsou různá činidla, aktivátory a odpady jako zdroje Al. Hydrotermální syntéza zeolitů doplněná o mikrovlnný ohřev v laboratorním autoklávu UltraCLAVE IV.
3. etapa (červenec–srpen): Celková analýza produktů mikrovlnné syntézy – XRD, SEM doplněná o EDX, BET, atd.
4. etapa (září–prosinec): Zpracování naměřených dat. Vyhodnocení vlivu chemických aditiv na množství zeolitové fáze ve výsledném produktu HT syntézy s mikrovlnným ohřevem. Sepsání článků.
5. etapa (prosinec): Vypracování závěrečné zprávy
Použitá literatura:
1. Makgabutlane, B.; Nthunya, L.N.; Nxumalo, E.N.; Musyoka, N.M.; Mhlanga, S.D. Microwave Irradiation-Assisted Synthesis of Zeolites from Coal Fly Ash: An Optimization Study for a Sustainable and Efficient Production Process. ACS Omega 2020, 5, 25000–25008, doi:10.1021/acsomega.0c00931.
2. Fukui, K.; Kanayama, K.; Yamamoto, T.; Yoshida, H. Effects of Microwave Irradiation on the Crystalline Phase of Zeolite Synthesized from Fly Ash by Hydrothermal Treatment. Advanced Powder Technology 2007, 18, 381–393, doi:10.1163/156855207781389483.
3. Bukhari, S.S.; Behin, J.; Kazemian, H.; Rohani, S. Synthesis of Zeolite NA-A Using Single Mode Microwave Irradiation at Atmospheric Pressure: The Effect of Microwave Power. Can. J. Chem. Eng. 2015, 93, 1081–1090, doi:10.1002/cjce.22194.
4. Aldahri, T.; Behin, J.; Kazemian, H.; Rohani, S. Effect of Microwave Irradiation on Crystal Growth of Zeolitized Coal Fly Ash with Different Solid/Liquid Ratios. Advanced Powder Technology 2017, 28, 2865–2874, doi:10.1016/j.apt.2017.08.013.
5. Panek, R.; Madej, J.; Bandura, L.; Słowik, G. Recycling of Waste Solution after Hydrothermal Conversion of Fly Ash on a Semi-Technical Scale for Zeolite Synthesis. Materials 2021, 14, 1413, doi:10.3390/ma14061413.
6. Fukui, K.; Arai, K.; Kanayama, K.; Yoshida, H. Phillipsite Synthesis from Fly Ash Prepared by Hydrothermal Treatment with Microwave Heating. Advanced Powder Technology 2006, 17, 369–382, doi:10.1163/156855206777866164.
7. Inada, M.; Tsujimoto, H.; Eguchi, Y.; Enomoto, N.; Hojo, J. Microwave-Assisted Zeolite Synthesis from Coal Fly Ash in Hydrothermal Process. Fuel 2005, 84, 1482–1486, doi:10.1016/j.fuel.2005.02.002.
8. Fukasawa, T.; Karisma, A.D.; Shibata, D.; Huang, A.-N.; Fukui, K. Synthesis of Zeolite from Coal Fly Ash by Microwave Hydrothermal Treatment with Pulverization Process. Advanced Powder Technology 2017, 28, 798–804, doi:10.1016/j.apt.2016.12.006.
9. Matlob, A.S.; Kamarudin, R.A.; Jubri, Z.; Ramli, Z. Using the Response Surface Methodology to Optimize the Extraction of Silica and Alumina from Coal Fly Ash for the Synthesis of Zeolite Na-A. Arab J Sci Eng 2012, 37, 27–40, doi:10.1007/s13369-011-0149-2.
10. Bukhari, S.S.; Behin, J.; Kazemian, H.; Rohani, S. A Comparative Study Using Direct Hydrothermal and Indirect Fusion Methods to Produce Zeolites from Coal Fly Ash Utilizing Single-Mode Microwave Energy. J Mater Sci 2014, 49, 8261–8271, doi:10.1007/s10853-014-8535-2.
11. Makgabutlane, B.; Nthunya, L.N.; Musyoka, N.; Dladla, B.S.; Nxumalo, E.N.; Mhlanga, S.D. Microwave-Assisted Synthesis of Coal Fly Ash-Based Zeolites for Removal of Ammonium from Urine. RSC Adv. 2020, 10, 2416–2427, doi:10.1039/C9RA10114D.
12. Sivalingam, S.; Sen, S. An Ultra-Fast Non-Conventional Waste Management Protocol to Recycle of Industrial Fly Ash into Zeolite X. Environ Sci Pollut Res 2019, 26, 34693–34701, doi:10.1007/s11356-018-3664-9.
13. Tauanov, Z.; Shah, D.; Inglezakis, V.; Jamwal, P.K. Hydrothermal Synthesis of Zeolite Production from Coal Fly Ash: A Heuristic Approach and Its Optimization for System Identification of Conversion. Journal of Cleaner Production 2018, 182, 616–623, doi:10.1016/j.jclepro.2018.02.047.
14. Derkowski, A.; Franus, W.; Beran, E.; Czímerová, A. Properties and Potential Applications of Zeolitic Materials Produced from Fly Ash Using Simple Method of Synthesis. Powder Technology 2006, 166, 47–54, doi:10.1016/j.powtec.2006.05.004.
15. Patuwan, S.Z.; Arshad, S.E. Important Synthesis Parameters Affecting Crystallization of Zeolite T: A Review. Materials 2021, 14, 2890, doi:10.3390/ma14112890.
16. Liu, R.; Zou, L.; Huang, Q.; Cao, X.; ChuoYang Synthesis of Analcime from Fly Ash and Its Adsorption of Cs+ in Aqueous Solution. J Radioanal Nucl Chem 2021, 329, 103–113, doi:10.1007/s10967-021-07799-5.
Rok zahájení
2022
Rok ukončení
2022
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel