Post on 07-Apr-2018
transcript
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 1/14
Imobilizarea unor deşeuri cu potenţial poluant
în matrice ceramica
Cuprins
Introducere..............................................................................................................1
Matricea ceramica Synroc D..................................................................................2
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 2/14
Obtinerea Synroc D....................................................................................................4
Proprietatile Synroc D.................................................................................................5
Imobilizarea nichelului din deseuri de hidroxid de nichel in matrici
ceramice…………………………………….…5
Incapsularea deseurilor folosind o matrice de ceramica
fosfatica………………………………………………………….7
Imobilizarea unor deseuri cu un continut ridicat de PbCl2 si PbCO3 in matrici
ceramice fosfatice…………….8
Ceramici alternative.............................................................................................10
Concluzii.................................................................................................................11
Bibliografie.............................................................................................................12
Imobilizarea unor deşeuri cu potenţial poluant în matrice
ceramica
Introducere
In prezent,deseurile periculoase constituie importante surse de poluare a mediului, in
principal, datorita faptului ca depozitarea acestora se face intr-un mod impropiu.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 3/14
Apare problema radiatiilor emise de materialele radioactive, care sunt extrem de
periculoase, determinand ingrijorarea ca aceste deseuri generate de centralele nucleare
sa nu fie descarcate in mediul inconjurator.
Diverse metode, de a scapa de aceste deseuri au fost luate in considerare de-a lungul
timpului, unele mai revoltatoare ca altele. Urmatoarele sunt cateva dintre acestea:
• Depozitarea in recipiente etanse sub mare
• Ingroparea intre placile tectonice
• Depozitarea sub placile de gheata din Antarctica
• Depozitarea in spatiu
• Depozitarea geologica adanc sub pamant
• Injectarea directa a deseurilor lichide in formatiunile geologice de roci
Multe dintre aceste optiuni sunt fie imposibile din punct de vedere tehnic, fie sunt
considerate inacceptabile din punct de vedere ecologic si au fost interzise de acordul
international.
A trebuit a fi elaborate alte metode de tratament/neutralizare, in functie de continutul,
organic sau anorganic, al deseurilor. Astfel, pentru deseurile cu continut organic,
metodele de neutralizare sunt bazate pe incinerare si coincinerare, iar pentru cele cu
continut anorganic, metodele se bazeaza pe procesul de imobilizare fizico-chimica in
diverse sisteme.
Aceste deseuri pot fi inglobate intr-o serie de materiale, cum sunt: ceramicile,
vitroceramurile, sticlele, cimenturile si betoanele.
Matricile ceramice pot fi folosite pentru a incorpora diverse deseuri periculoase intr-o
forma solida, cu integritate structurala si rezistenta la degradarea chimica .
Desi costurile si consumurile de energie sunt mari comparativ cu alte metode de
tratament posibile,exista totusi o serie de avantaje ale acestei abordari:
•
Este posibil ca deseul sa fie tratat la fata locului si sa se obtina un material carenu este clasificat drept deseu periculos, si deci sa fie reduse costurile de
transport si depozitare.
• Produsul ceramic este in mod important mai usor decat lichidul in care se
depoziteaza deseurile, rezultand inca o reducere a costurilor de transport.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 4/14
• Produsul ceramic poate fi folosi pentru o serie de aplicatii, ca de exemplu filler
usor pentru betoane ori tigla pentru acoperisuri.
• Matricea ceramica este mai rezistenta la scurgeri ale diverselor metale grele
incorporate decat alte matrici.
In continuare vor fi discuate comportamentele unei serii de materiale ceramice ce pot fi
folosite la inglobarea de diverse deseuri considerate a fi toxice.
Matricea ceramica Synroc D
Synroc (sintetic rock) sunt matricile ceramice cel mai mult studiate pentru posibila
inglobare a deseurilor
Principale faze cristaline ale acestora sunt prezentate in figura1. Exista doua forme de
matrici ceramice Synroc, Synroc D si Synroc C.
Diferenta dintre ele este data de compozitie, datorita acesteia, forma Synroc D putand
ingloba deseuri cu o toxicitate mai crescuta.
Astfel in forma Synroc D, faza spinelica este formata din mari cantitati de aluminiu si
metale tranzitionale( in principal Fe, Ni si Mn). In al doilea rand in forma D , o faza
silicatica (nefelinul) este folosita ca gazda pentru Cs. In schimb, in forma de tip C, ca
gazda este folosita o faza de titanat, holandita fiind folosita ca gazda pentru Cs.
In plus fata de fazele principale , forma Synroc D, poate contine diferite alte faze minorecristaline, precum si aliaje de Ni, Fe si faze vitroase intergranulare.Proportia diferitelor
faze este o functie de compozitia deseului si de conditiile de procesare. Existenta unor
varietati foarte stabile de faze cristaline, bazate pe Al, Fe si Ti, in forma Synroc D ii
imbunatateste acesteia flexibilitatea, precum si toleranta la variatiile procesului.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 5/14
Figura 1:fazele cristaline principale prezente
Pornind de la compozitia deseului de inglobat se adauga diversi aditivi pentru ca in
final sa se obtina forma ceramica Synroc D a carei compozitie oxidica este prezentata
in tabelul 3.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 6/14
Obtinerea Synroc D
Procesul de producere a Synroc este in prezent mai putin dezvoltat decat al altor
materiale. Acest lucru este de asteptat intrucat Synroc este un material relativ nou iar
aproape toate cercetarile au fost indreptate spre sinteza in laborator si testareaprodusului.In schema initiala de preparare, aditivii erau amestecati, si uneori macinati
impreuna cu deseul de inglobat. Dupa uscare, acest amestec era calcinat si suferea un
proces chimic redox in doua operatii separate. Deseori , amestecul era remacinat
pentru a putea fi presat, productivitatea initiala a procesului fiind de aproximativ numai
50g/zi. In prezent, in proces au intervenit o serie de modificari. Astfel toate operatiile de
macinare au fost eliminate. Deseul si aditivii sunt numai amestecati intr un malaxor.
Uscarea si calcinarea produsului se petrec intr-un calcinator in pat fluidizat. Aceasta
statie pliot poate ajunge la o productivitati mai mari de 100kg pe zi. In ceea ce priveste
fasonarea s-au realizat produse din Synroc D, ce cantaresc mai mult de 50 kg. prin
presare izostatica conventionala.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 7/14
Proprietatile Synroc D
S- a reusit o inglobare de 60-65 % de deseu in matricea ceramic de tip Synroc D.
Determinarea diverselor proprietati a scos la suprafata rezultate tipice pentru multe
materiale ceramice. Au fost determinate o serie de proprietati mecanice si termice cum
sunt: rezistenta mecanica, modulul de elasticitate, raportul Poisson, microduritatea,
densitatea, conductivitatea termica sau coeficientul de dilatare termica, ale caror valori
sunt prezentate in tabelul 4.
In urma testelor pentru a se determina rezistenta chimica a produsului a reiesit ca
Synroc D este un produs cu o rezistenta chimica ridicata. Cea mai rezistenta faza din
Synroc este , urmata de spinel si perovskit, si in final cea mai putin rezistenta faza este
nefelinul.
Imobilizarea nichelului din deseuri de hidroxid de nichel in matrici
ceramice
S-a obtinut o ceramica in care a fost imobilizat 10% hidroxid de nichel. S-au facut
determinari pe amestecul astfel obtinut care a fost impartit in patru probe. O prima
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 8/14
proba a fost lasata sa se usuce timp de 3 saptamani, iar celelalte trei probe au fost
tratate termic la 110, 250 respectiv 980 0C. Compozitia chimica a argilei folosita pentru
prepararea matricii ceramice in care a fost inglobat deseul de hidroxid de nichel este
prezentata in tabelul 1
Component %SiO2 58,78-67,9
Al2O3 13,12-17,9
Fe2O3 5,04-6,57
Cao 3,1
MgO 1,39
Na2O 0,35
K2O 1,27-2,24
TiO2 0,84
SO3 0,68
Probele astfel obtinute au fost analizate prin difractie de raze X. In figura 1 sunt
prezentate difractogramele pentru: (a)-o proba netratata termic, (b)-proba uscata 3
saptamani la temperatura ambianta, (c)-proba incalzita la 1100C timp de 6 ore ,
(d)-proba incalzita la 2500C timp de 6 ore, (e)-proba arsa la 9800C timp de o ora
Figura 1
In urma difractiei de raze X, in proba lasata sa se usuce timp de trei saptamani inmediul ambient s-a gasit βNi(OH)2 . Se observa in probele tratate timp de 6 ore la 110,
respectiv 250 0C, ca odata cu cresterea temperaturii cantitatea de βNi(OH)2 scade tot
mai mult , deoarece prin pierderea apei acesta este distrus. Astfel la 270-3000C Ni(OH)2
dispare, conducand la NiO, lucru care se observa si in proba arsa la 980 0C unde nu se
mai gaseste nici o urma de βNi(OH)2.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 9/14
Pentru a se testa stabilitatea chimica a probelor, acestea au fost introduse in solutii de
acid sulfuric de pH-uri de 1,9 respecti 2,8 si s-a urmarit comportarea acestora odata cu
trecerea timpului. In graficele de mai jos se poate observa evolutia fiecarei probe
introduse in solutiile de acid sulfuric. Se poate observa ca proba arsa la 9800C este cea
mai stabila din punct de vedere chimic, concentratia de ioni de Ni 2+ din solutie aflandu-
se sub nivelul detectabil. Odata cu scaderea temperaturii la care a avut tratamentul
termic se inregistreaza un schimb tot mai pronuntat de ioni de Ni 2+ si deci o scadere a
stabilitatii chimice.
In concluzie nichelul poate fi imobilizat intr-o matrice ceramic a carei stabilitate chimica
creste odata cu cresterea temperaturii la care este tratat produsul rezultat, cele mai
bune rezultate obtinandu-se pentru ceramica arsa la temperature de 9800C.
Incapsularea deseurilor folosind o matrice de ceramica fosfatica
Cu ajutorul ceramicilor fosfatice se pot imobiliza deseuri ce contin diverse substante
periculoase cum sunt metalele: Hg, Pb, Cr sau Ni.care sunt transformate in fosfatii
insolubili corespunzatori. De asemenea se pot incapsula si elemente radioactive,
rezultand fosfati cum sunt: Ca(U02)2(P04)2x10-12H20, YPO4, sau fosfatii de Ce ori La.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 10/14
Exemplu: imobilizarea unor deseuri cu un continut ridicat de PbCl 2 si PbCO 3 in
matrici ceramice fosfatice.
S-au folosit PbCl2 si PbCO3 deoarece acesti doi compusi periculosi se gasesc in
cantitati ridicate in cenusile rezultate prin incinerarea deseurilor solide municipale. S-a
obtinut o ceramica pornind de la MgO, Kh2PO4 si apa dupa schema urmatoare.
Rezulta o ceramica dura si densa care se comporta ca gazda pentru deseul folosit.
In urma analizei prin difractie de raze X se poate observa formarea unei ceramici
puternic cristalizata a carei compozitie este formata predominant dintr-o singura faza de
MgKPO4x6H2O si din MgO rezidual nereactionat.
MgKPO4x6H2O este o faza foarte stabila cu o solubilitate in apa extrem de redusa si cu
o stabilitate termica ridicata, singura transformare care are loc prin incalzire fiind
pierderea apei de cristalizare, rezultand MgKPO4 anhidru.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 11/14
Micrografia revela structuri sferice, reprezentate de silicea sferica din cenusa deseului.
Aceste sfere sunt acoperite si bine legate in matricea ceramica printr-o faza vitroasa,
care este de fapt responsabila de incapsularea fizica a particulelor de deseu.
Probele obtinute au fost supuse analizelor pentru a fi determinate o serie de proprietati
fizice cum sunt: densitatea, porozitatea si rezistenta la compresiune. Rezultatele
obtinute si prezentate in tablel indica obtinerea unui produs dens, cu o rezistenta la
compresiune ridicata si o porozitate redusa, aceasta accentuand ideea ca aceste tipuri
de deseuri pot fi imobilizate cu succes intr-o matrice ceramica de aceast tip.
Proprietate Ceramica fosfatica Ceramica cu deseu de
cenusa inglobat
Densitate (g/cm3) 1,73 1,83Porozitate (%vol.) 2,87 3,4
Rezistenta la
compresiune (psi)
3337 6734
Ceramici alternative
Unele proiecte bazate pe imobilizarea deseurilor de inalta radioactivitate, anterioare
conceptului Synroc presupunau producerea de materiale in general bazate pe silicat de
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 12/14
calciu. De asemenea, s-a evaluat posibilitatea utilizarii argilelor pentru imobilizarea
deseurilor. Au fost studiate numeroase faze minerale alternative, printre care si
perovskit, piroclor, monazit si nefelin pentru compozitii specifice de deseuri cu
radioactivitate crescuta . Ca rezultat, prin tehnici de presare izostatica la cald, au fost
obtinute ceramici dese, care puteau ingloba mari cantitati de deseuri
Recent, crichtonitul, SrM12O38 (M = Ti, Fe, Mg, Mn, Zn, Cr, Al, Zr, Hf, U, V, Nb, Sn, Cu,
Ni) a fost propus ca gazda atat pentru actinide cat si pentru produsul rezultat in urma
fisiunii. Un tip de matrice ceramica formata din zircona cubica si forme cristaline ale
Fe3O4 si BaZrO3 a fost sugerata pentru imobilizarea deseurilor purex cu concentratii
mari de Fe si Zr. De asemenea, zirconatul de lantaniu, La2Zr 2O7, impreuna cu un numar
de faze alternative de piroclor a fost propus ca gazda posibila pentru fazele bogate in
lantanide si actinide. Faze mixte de La2Zr 2O7 - 2CeO2 - 2ZrO2 s-au preparat prin presare
la rece si sinterizare la 1400o C in aer sau atmosfera reducatoare.
In prezent, exista cateva informatii despre alternative la SYNROC, si constau in gazde
ceramice cristaline pentru imobilizarea uraniului si a plutoniului extras din arme nucleare
dezasamblate.
Intr-un studiu, Ewing si altii au propus utilizarea ZrSiO4, un mineral natural ce contine U
si Th radioactiv. Zirconul este cel mai adesea utilizat in datarea monstrelor de minerale
si in mod consecvent a fost studiata mineralogia sa. A fost recunoscut faptul ca Pu
poate substitui direct Zr, iar compusul PuSiO4 a fost sintetizat cu success. Mai multe
operatii de procesare pentru prepararea zirconului si a zirconului substituit cu Pu au fost
demonstrate la nivel de laborator, acestea incluzand metoda sol-gel si presarea la cald.
S-a mai studiat de asemenea posibilitatea utilizarii unor silicati complecsi ai
pamanturilor rare pentru a servi drept gazde actinidelor, inclusiv Ca2Nd8(SiO4)6O2.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 13/14
Concluzii
Poluarea mediului inconjurator cu diverse deseuri considerate periculoase a devenit in
ultimii ani o problema tot mai dezbatuta. S-a pus accent pe imobilizarea acestor deseuri
ce pot proveni din diverse surse cum sunt: centralele nucleare, diverse activitati
industriale, fabricarea armamentelor nucleare etc.
Multe dintre metodele gandite pentru a scapa de aceste deseuri pot avea fie un impact
negativ asupra mediului inconjurator, fie sunt imposibil de realizat din punct de vedere
tehnic. O optiune reala, ar putea fi incapsularea acestor deseuri in diverse tipuri demateriala ce pot servi drept gazda pentru aceste substante periculoase. Acest fapt a
condus la cresterea cercetarilor intreprinse in acest domeniu, cercetari ce au avut ca
rezultat descoperirea unei serii de materiala ce se pot folosi pentru inglobarea
diverselor substante periculoase, precum si studierea proprietatilor produselor astfel
obtinute.
O varianta accesibila pentru imobilizarea acestor tipuri de deseuri se dovedesc a fi
materialele de tip ceramic. Acestea se incadreaza intr-o gama larga de compozitii si pot
servi drept gazde pentru o serie intreaga de substante considerate a fi periculoase.
Metoda aceasta prezinta avantajul obtinerii unor forma solide, cu integritate structurala
si rezistenta la degradarea chimica, si care nu sunt incadrate in clasa deseurilor
periculoase.
Mai mult, aceste produse ceramice pot capata diverse utilizari, de la filler pentru
betoane, pana la tigle pentru acoperisuri, cercetarile in acest domeniu fiind insa
deocamdata insuficiente, fiind cercetata numai posibilitatea depozitarii lor in conditii de
siguranta pentru mediul inconjurator si pentru sanatatea celor aflati in apropierea lor, si
nu si posibilitatea le a le imprima o anumita functionalitate.
8/6/2019 imobilizare deseuri
http://slidepdf.com/reader/full/imobilizare-deseuri 14/14
Bibliografie
1. Ian W. Donald - Waste Immobilization in Glass and Ceramic Based Hosts:
Radioactive, Toxic and Hazardous Wastes
2. W. Donald, B. L. Metcalfe, R. N. J. Taylor - The immobilization of high level
radioactive wastes using ceramics and glasses
3. L. L. Hench and D. E. Clark, J. Campbell- High level waste immobilization
forms
4. Seung-Young Jeong, Arun Wagh, Dileep Singh- Stabilization of lead-rich low-
level mixed waste chemically bonded phosphate ceramic
5. Dileep Sing, Arun S. Wagh, Seung-Young Jeong- Metod for prodocinchemically bonded phosphate ceramics and for stabilizing contaminants
encapsulated therein utilizing reducing agents
6. Ma lgorzata Osinska, Tadeusz Stefanowicz ,Dominik Paukszta- Nickel
immobilization in ceramic matrix admixed with waste nickel hydroxide
7. Leckie, James O.- Heavy metals in ceramic matrix: heavy metals/clay
interactions in ceramic processing
8. Maddrell Ewan Robert- Encapsulation of waste
9. John Marra- Materials Science and The Global Nuclear Renaissance
10.A.Chernikov, S.Kurbakov- Encapsulating of high-level radioactive waste with
use of ceramic coatings