Závěrečná zpráva o řešení projektu v programu IMPULS v letech 2008- 2010 „Zpráva Z08-10”
Evidenční číslo projektu: FI-IM5/146 Název: „Využití a likvidace popelů ze spalování dřevních hmot a spalování bio-odpadů“
Řešitel: JUDr.Ing. Zdeněk Ertl Příjemce: Česká rozvojová agentura o.p.s. Spolupříjemci: ÚSMH AV ČR, v.v.i. VÚMOP, v.v.i. VŠB
CONTENTS Průvodní informace, splnění cílů, financování ................................................................................................... 2 Zpracování projektu ............................................................................................................................................ 4 Zpracování databáze ........................................................................................................................................... 4 Sestavení laboratoře ............................................................................................................................................ 7 VaV syntézy kompozitu ..................................................................................................................................... 9 VaV materialů................................................................................................................................................... 13 Zkoušení materiálů ........................................................................................................................................... 15 Vyhodnocení výsledků a projektu .................................................................................................................... 18 Závěr ................................................................................................................................................................. 26
1
PRŮVODNÍ INFORMACE, SPLNĚNÍ CÍLŮ, FINANCOVÁNÍ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 2008 Etapa 1. 2. 3. 2009 Etapa
Ev.č. projektu: FI-IM5/146 Název projektu: „Využití a likvidace popelů ze spalování dřevních hmot a spalování bio-odpadů“ Příjemce účelové podpory: Česká rozvojová agentura, o.p.s., Dykova 960/4, Praha 10, IČ: 27137554 Kontaktní osoba: JUDr.Ing. Zdeněk Ertl, tel: 602352480 Termín ukončení projektu: 12/2010 Plnění cílů a etap v jednotlivých letech: Činnost
Orientační termín ukončení
Plnění
Zpracování projektu Zpracování databáze Sestavení laboratoře
4/2008 9/2008 12/2008
splněno splněno splněno
Činnost
Orientační termín ukončení
Plnění
4. VaV syntézy kompozitu 10/2009 Splněno 5. VaV materiálu 07/2010 Přecházelo do 2010 Výsledek J – článek v odborném periodiku (Publikace:Hanzlíček T., Perná I.: Historické souvislosti – použití popelů z biomasy, Waste Forum 2, str. 65 – 69, ročník 2009) Výsledek D – článek ve sborníku z akce (Perná I., Hanzlíček T., Ertl Z.: Utilization of biomass ashes for construction purposes, Proceedings of Advances in Geomaterials and Structures AGS´10, 10.5. – 12.5.2010, Djerba, Tunisko, pp. 661-666, 2010 2010 Etapa
Činnost
Orientační termín ukončení
Plnění
5. VaV materiálu 07/2010 Splněno 6. Zkoušení materiálů 09/2010 Splněno 7. Vyhodnocení výsledků 11/2010 Splněno 8. Vyhodnocení projektu 12/2010 Splněno Výsledek E – uspořádání výstavy (ForArch 2010) Výsledek S – funkční vzorky (solidifikát hutný, solidifikát napěněný, panel z desek s vnitřní vrstvou polystyren) Výsledky O – ostatní výsledky, nad rámec stanovených cílů Užitné vzory - č. PUV 2009-21804 a PUV 2009-21809 Patenty - č. PV 2009 – 697 a PV 2009 – 698 Článek v odborném periodiku - Hanzlíček T., Perná I.: Anorganické odpady jako zdroj pro geopolymerní pojiva, Odpadové forum 6, str. 34-35, 2010 Prezentace - Mezinárodní konference American Ceramics Society, USA 2010, Universidad Medellin, Kolumbie 2010, German Institute of Technology and Science, Singapur 2010. 7. Seznam ročních zpráv (archiv firmy Česká rozvojová agentura, o.p.s.): „Zpráva R08“ (JUDr.Ing. Zdeněk Ertl, prosinec 2008) „Zpráva R09“ (JUDr.Ing. Zdeněk Ertl, prosinec 2009) „Zpráva R10“ (JUDr.Ing. Zdeněk Ertl, prosinec 2010) 8. Použití finančních prostředků: dle smlouvy č. FI-IM5/146 pro ev. č. projektu FI-IM5/146 za jednotlivé roky: Finanční prostředky 2008 Plánované Skutečné náklady náklady k 31.12.2008 Výše celkových nákladů na řešení projektu v r.08 6265 tis. Kč 6290,407 tis. Kč Neveřejné zdroje financování 3436 tis. Kč 3461,407 tis. Kč Z toho investice 0 Kč 0 Kč Učelová podpora 2829 tis. Kč 2829 tis. Kč Z toho investice 0 Kč 0 Kč 2
Finanční prostředky 2009 Výše celkových nákladů na řešení projektu v r.09 Neveřejné zdroje financování Z toho investice Učelová podpora Z toho investice Finanční prostředky 2010 Výše celkových nákladů na řešení projektu v r.10 Neveřejné zdroje financování Z toho investice Učelová podpora Z toho investice Finanční prostředky za celý projekt
Plánované náklady 22300 tis. Kč 11150 tis. Kč 0 Kč 11150 tis. Kč 0 Kč
Výše celkových nákladů Neveřejné zdroje financování Z toho investice Učelová podpora Z toho investice
Plánované náklady 8060 tis. Kč 3818 tis. Kč 0 Kč 4242 tis. Kč 0 Kč
Skutečné náklady k 31.12.2009 8073,359 tis. Kč 3831,359 tis. Kč 0 Kč 4242 tis. Kč 0 Kč
Plánované náklady 7975 tis. Kč 3896 tis. Kč 0 Kč 4079 tis. Kč 0 Kč
Skutečné náklady k 31.12.2010 8055,821 tis. Kč 3976,821 tis. Kč 0 Kč 4079 tis. Kč 0 Kč
Skutečné náklady celkem 22419,587 tis. Kč 11269,587 tis. Kč 0 Kč 11150 tis. Kč 0 Kč
rozdíl 119,587 tis.Kč 119,587 tis.Kč 0 Kč 0 Kč 0 Kč
9. Celková charakteristika plnění projektu: Projekt FI-IM5/146 proběhl v souladu s plánem a odpovídal harmonogramu plnění dle smlouvy. Cíle byly splněny, projekt přinesl i výsledky nad rámec stanovených cílů. Podrobná charakteristika v jednotlivých ročních zprávách. (Roční zpráva R08-10). Bylo dosaženo stanovených cílů, tj. realizace ověřeného vzorku a nového odzkoušeného technologického postupu na výrobu nového kompozitního materiálu na bázi popelů ze spalování dřevních hmot a bio-odpadů, dale získání a vyhodnocení údajů o produkci, množství a chemickém složení popelů a sestavení laboratoře. Výsledkem řešení projektu je užitný vzor na výrobek z nového kompozitního materiálu na bázi popelů ze spalování dřevních hmot a bio-odpadů a ověřená technologie jeho výroby. Nová technologie bude mít přínos v oblasti kvality, snížení nákladů a konkurenceschopnosti v porovnání se srovnatelnými produkty na trhu. Využití dosažených výsledků řešení projektu formou poskytování know-how na výrobu nových kompozitních výrobků. Smlouva o poskytování know-how bude platná minimálně po dobu 3 let od ukončení projektu, tj. do 31.12.2013. Hmoty a výrobky z nich, které jsou výsledkem tohoto projektu, vykázaly výborné mechanické vlastnosti, zejména pevnosti v tlaku. Technologie výroby, která je stále vylepšována, počítá s jednoduchými postupy a strojním vybavením, tak aby bylo průmyslové uplatnění snadno realizovatelné. Úspěchy projektu se mohou pozitivně promítnout do řady odvětví, včetně nabídky technologie cementovému a betonovému průmyslu jako alternativy ke stávajícím výrobkům. 10. Změny během projektu nenastaly 11. Kontrola ze strany poskytovatele proběhla dne 25.11.2009, bez výhrad.
Datum:
JUDr.Ing. Zdeněk Ertl řešitel Česká rozvojová agentura, o.p.s.
Zpracoval:
Přílohy: Roční zprávy : Roční zprávy: R08, R09, R10 Oponentské posudky 2x
3
Popis etap projektu
Zpracování projektu Zpracování databáze Sestavení laboratoře VaV Syntéza kompozit VaV Příprava materiálů Zkoušení materiálů Vyhodnocení výsledků Vyhodnocení projektu
2008 ● ● ●
2009
● ●
2010
● ● ● ●
ZPRACOVÁNÍ PROJEKTU V rámci první přípravné etapy proběhla hlubší analýza známých technologií a existence, resp. dostupnost příslušných norem. Byl založen stacionární a elektronický archiv pro ukládání interních rešerší, průběžných a ročních zpráv. Stanovil se způsob vnitřní a vnější komunikace, vzhled dokumentace a prezentace projektu. Vznikly internetové stránky se základní prezentací projektu na adrese www.biomassash.nolimit.cz. Zde jsou průběžně umísťovány novinky z průběhu projektu, informace ze světa a plánujeme, že celý web se stane informačním zdrojem v oblasti speciálních geopolymerů. Přípravná fáze v podobě první etapy měla stanovit dílčí kroky rozborů vstupních surovin a specifikace požadovaných parametrů. Jednotlivé etapy pro rok 2008 se rozpracovaly do jemnějšího harmonogramu tak, aby bylo dosaženo plánovaných milníků. Bylo nutné přizpůsobit pronajatý prostor výzkumným účelům, zpracovat funkční dispozici a rozmístění technologických celků pro zajištění maximální efektivity.
ZPRACOVÁNÍ DATABÁZE Základem úspěšného pokračování projektu je dostatek kvalitních informací ze solventních zdrojů. Většina zdrojů je zatím ze zahraničí. Je to způsobeno malým podílem používání biomasy pro energetické účely na území naší republiky. Ačkoliv tendence zelených spaloven je na vzestupu a legislativa kopíruje předpisy EU, které zelené technologie podporují, muselo se pro informace do zahraničí, dokonce i za oceán do USA. Evropský kontinent se může pochlubit technologiemi a informacemi z Velké Británie, ale i severské země a Rakousko mají s biomasou a potažmo se zužitkováním popela veliké zkušenosti. Navzdory těmto poměrně kladným faktům je důležité říci, že většina zkušeností popisuje použití popela na fertilizaci půdy a podobné aplikace zemědělského a lesnického charakteru. Jen některé osvícené studie popisují nutnost hledání nových možností zpracování, protože množství produkovaného popela začíná být alarmující a plocha obhospodařované půdy není schopna takové dávky popela pojmout. Hlavními informačními pilíři je pět tematických odborných studií, jejichž abstrakta jsou součástí této zprávy. Plné znění včetně grafických příloh je v archivu projektu. Tematicky jde o popis a rozbor základních kroků vzniku popela z biomasy, včetně popisu spalované hmoty, faktorů spalování, jako je použitá technologie a typ kotle. Studie popisují i dosud známé pokusy o inhibici popela do stavebních prvků, což bude i naším prvořadým cílem. Je důležité znát relevantnost informací o případných úspěších v zabudování popela z biomasy do normovaných výrobků pro stavebnictví. 4
Legislativní rámec pro efektivní využití biomasy, Studie č. 1 Studie obsahuje popis a rozbor současně platných direktiv, které směřují k přechodům na obnovitelné zdroje energií. V textu jsou popsané rozdíly mezi primárními a sekundárními zdroji ze slunečního záření a hlavní specifika paliv s nulovou bilancí CO2. Vedle analýzy provádění některých závazků jako jsou Kjótský protokol, Směrnice EU, Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energií, atd., studie naznačuje směr, kterým by se měla ubírat ČR na poli světového obchodu ekologií. Blahobyt dnešní planety spočívá téměř výhradně v používání neobnovitelných přírodních zdrojů. To platí zejména o výrobě energie a používání energie, která je z velké části produktem fosilních paliv, jako jsou hnědé uhlí, černé uhlí, ropa, živičná břidlice a zemní plyn. Aby Evropa zajistila udržitelné dodávky energie pro budoucnost, musí ze všeho nejdříve využít stávající potenciál pro lepší energetickou účinnost. Za druhé, obnovitelné zdroje energie musejí být upřednostňovány, neboť jsou ve své podstatě trvale udržitelné. Lze je vyrábět lokálně a samy o sobě nejsou zdrojem skleníkových plynů, takže přispívají nejen k zabezpečení dodávky, ale rovněž k boji proti klimatické změně. V dohledné budoucnosti však nemohou samy pokrýt veškerou spotřebu. EHVS zahájí práce na stanovisku k budoucnosti kombinace různých zdrojů energie v Evropě, které bude vycházet ze závěrů stanovisek k různým zdrojům energie. Evropská unie nemá společnou energetickou politiku. V posledních letech byla přijata rozhodnutí týkající se trhu s elektrickou energií a zemním plynem, zabezpečení dodávek, většího používání obnovitelných forem energie a environmentálních otázek spojených s výrobou energií. Charakteristika materiálů biologického původu v souvislosti s energetickým využíváním, Studie č. 2 Biomasa se obecně považuje za jeden z nejperspektivnějších obnovitelných zdrojů energie. Pozornost se v současné době zaměřuje nejen na odpadní, ale i na cíleně pěstovanou biomasu - plantáže rychle rostoucích dřevin, respektive jiných energetických plodin. Mezi hlavní výhody cíleně pěstované biomasy patří především: možnost využití ploch nevhodných pro intenzivní zemědělskou výrobu, možnost skladování biomasy (na rozdíl neuskladnitelné sluneční a větrné energie), možnost různorodého použití biomasy od malých jednotek až po velké zdroje pro výrobu elektřiny nebo tepla. Na druhou stranu i pěstování a využívání biomasy pro energetické účely má svá úskalí a dosud zde existuje mnoho otevřených otázek. Cíl studie spočívá ve shrnutí a popisu současných zdrojů biomasy. Kromě toho se některé kapitoly se věnují energetické výhřevnosti paliv rostlinného a živočišného původu. Součástí zprávy je rozbor trendů, které kopírují národní politiky ochrany životního prostředí a výroby primární energie. Studie přibližuje situaci v oblastech, kde jsou s využíváním potenciálu biomasy relativně daleko. Například skandinávské země a Rakousko má s využíváním tepla a elektřiny z obnovitelných zdrojů bohaté zkušenosti, ovšem situace týkající se využití biomasy je nejlépe popsaná pro region Východní Anglie. Politika oblasti zmiňuje obnovitelné zdroje v závazcích na ochranu životního prostředí, a navíc jsou nezbytně důležité pro zajištění větší bezpečnosti dodávek energie. V Evropské unii je to právě zemědělská oblast východní Anglie, kde v rámci závazků na cílový stav v roce 2010 hraje 14 procent energie z biomasy největší roli v celkovém množtví obnovitelné energie. Poznatky z oblastí, kde je energetické využívání biomasy standardní, mohou významně přispět ke splnění závazků České Republiky týkajících se poměru alternativních zdrojů energie ke stávajícím uhelným a jaderným elektrárnám. Přestože již dnes existuje na našem území celá řada spaloven a zařízení, které zpracovává právě palivo bilogického původu, jeví se provoz takových zařízení jako neefektivní a bez podpůrných dotací by nebyl konkurenceschopný. Údaje získané ze zahraničí mohou tedy sloužit jako referenční linie, dle kterých bude možné pojmenovat faktory snižující efektivitu českých provozů. Tyto faktory se nedají spočítat na prstech jedné ruky, ale mezi ty nejvýznamější patří kvalita zdroje paliva a technologie spalování, resp. konstrukce kotle, a kvalifikace a zkušenost obsluhy. Studie se snaží především popsat charakter paliva - biomasy. Jedna z výhod oproti ostatním formám je využitelnost jak pro elektrickou energii, tak pro teplo. Určení hodnot, jakých energie z biomasy dosahuje, vyžaduje aktuální data o dosažitelných zdrojích, vývoji technologií a ekonomice, a to vše je podrobeno průzkumu. Analýzy ukázaly, že méně kvalitní nebo odpadové obilí a semena řepky olejné, odpadní dřevo, zbytky ze živočišné výroby (chlévská mrva, stelivo, etc.) a energetické plodiny budoucnosti mohou ročně vygenerovat až 75 TJ čisté energie, především ze slámy, dřeva a trávy ozdobnice. Existuje celá řada postupů pro získání energie z výše uvedených zdrojů. Údaje jsou vztažené pro oblast východní Anglie. 5
První úspěchy pro získání elektrické energie a aplikace centrálních výtopen byly dosažené přímým spalováním v roštových nebo fluidních pecích, hlavně v evropském regionu. Integrované zplyňování, technologie kombinovaných okruhů začíná být ekonomicky velice výhodná. Další více vyvinuté metody, například pyrolýza a etanol z celulózy, mohou být velmi úspěšné v budoucnosti. Výrobu tepla a elektřiny díky přímému spalování slámy můžeme nalézt již na mnoha místech. Přesto se díky studiím ukázalo, že náklady na výrobu v elektrárnách v rozmezí od 10 do 50 kW nemohou úspěšně konkurovat jiným alternativám, jakou je například větrná energie. Přes vysoké výtěžnosti a silné východy v ochraně životního prostředí se i v případě centrálních výtopen na slámu se ukázalo, že tyto provozy jsou finančně nevýhodné. Pro malé aplikace na vytápění jsou ideální dřevěné peletky nebo peletky vyrobené z obilných plev, ačkoliv jsou stále o něco dražší nežli systémy poháněné ropnými deriváty. Nařízení týkající se životního prostředí a dotační pobídky se v rámci podpůrných programů postaraly o mírný posun vpřed a přispěly k rozvoji energie z biomasy. Avšak efektivnější využití biomasy je podmíněno větší informovaností, masivnějšími investicemi do výzkumu plodin a vývoje technologií pro získání energetického potenciálu. Vlastnosti popelů z biomasy v závislosti na procesu spalování, Studie č. 3 V posledních letech se pro výrobu elektrické energie a tepla vedle klasických většinou fosilních paliv uplatňuje využití biomasy. Před několika lety byl tento materiál považován za jeden z nosných zdrojů energie v energetické koncepci naší země. Objem produkovaných popelů i popílků z biomasy však dosahuje vysokých hodnot a představuje v oblasti odpadů celosvětově závažný problém. Lze uvést, že podle evidovaných zdrojů se u nás produkuje tohoto odpadu přibližně 17 až 18 tisíc tun ročně. Zejména v zahraničí je používání paliv rostlinného původu ve velkokapacitních elektrárnách stále častější. Tato pozitivní zpráva však současně přináší nové otázky. Jedním z produktů spalování jsou popely bohaté na minerální složky specifické podle druhu použitého paliva. Vzniká otázka, jak s těmito odpady dále naložit. Biomasa může být spalována samostatně nebo ve směsi s uhlím. Vzhledem ke svému původu může být v různém stupni znečištěna příměsí cizích nespalitelných látek. Jedná se například o zeminu z těžby dřevní hmoty nebo o úlomky zdiva, skla a jiných stavebních materiálů apod. Ekologická závadnost těchto odpadů spočívá v obsahu nežádoucích příměsí a v jejich fyzikálně-mechanických vlastnostech (sypná hustota, sedimentační rychlost, smáčivost aj.). Tato zpráva pojednává o možnostech používání popelů z biomasy. Srovnávají se specifika vzniklých minerálních substancí s nespalitelným zbytkem z jiných paliv, které jsou již běžnou součástí stavebních materiálů, např. z uhlí do betonových konstrukcí (obrázek 1). Problémem u minerálních zbytků z biomasy je jednak nerovnoměrné množství, jednak variabilní chemické složení. Proto je cílem pojednání uvést faktory, které tyto rozdíly vyvolávají a posoudit, zda lze některým z obecně možných technických opatření získat stabilní zdroj suroviny pro výrobu kvalitních hmot. Hlavním motivem je aktivní přístup k rozvíjení principů trvale udržitelného rozvoje právě v podobě zvýšeného využívání biomasy. Jednou z reálných perspektiv je transformace minerální substance z biomasy na progresivní stavební hmoty. Studie a rozbor úspěšných aplikací popela z biomasy, Studie č. 4 Produkty spalování biomasy ve formě popela se v současnosti využívají pro zemědělství a lesnictví. Část popela z energetického spalování uhlí se dlouhá léta přidává do stavebních hmot, především do betonu. Díky nárůstu elektráren a tepláren spalujících biomasu roste i množství produkovaného popela z biomasy. Množství již není možné uplatňovat na obhospodaření půdy, protože půda snese jen malé množství popela, má-li být aplikace prospěšná. Nabízí se řešení, které počítá s uplatněním popela z biomasy stejným způsobem jako je tomu v případě popela uhelného. Popel z biomasy má rozdílné parametry ve srovnání s popely z uhlí. Aby bylo možné popel z biomasy používat podobným způsobem, musí se identifikovat rozdíly a vyhodnotit normové parametry, které jsou v současnosti platné pro použití uhelného popela jako aditivum do betonu. Na základě srovnání bude možné stanovit návrhy na úpravy norem směrem k možnému využití popela z biomasy. Zatímco evropské normy jsou vice orientované na specifikace materiálu, americké ASTM vice popisují požadovanou “performanci” výrobků. Existují cenné výzkumy, které porovnávaly popely ze spaloven biomasy z elektráren, kde je biomasa používána jen jako přídavek k uhelnému palivu. Vlastnosti popelů se testovaly dle odpovídající ASTM C 618 a dále na odolnost vůči alkáliím, síranům a reaktivitu. Dále bylo u většiny vzorků zjištěno krystalografické složení pomocí 6
roentgenové difrakční analýzy (RTG) a morfologie povrchu byla pozorována elektronovým mikroskopem. Výzkumy prokázaly, že některé popely z biomasy splňují standard pro zabudování do betonu, ale některé vzorky neprošly. Ukázalo se, že nevyhovující vzorky nesplnili některý z méně důležitých faktorů například jemnost. Tento fakt ovšem není ve skutečnosti tak závažný. Potvrdil se předpoklad o normových předpisech, které byly po desetiletí šité na míru betonům z portladských cementů a jen obtížně připouští materiálové změny. Nové trendy ale vyžadují razantní přehodnocení platných norem a aktivní přístup v prosazování nových technologií. Tato studie popisuje základní údaje o biomase, souvislosti pro následné použití popela, jako produktu spalování. Shrnuje poznatky z oblasti lesnictví a hlavně dosavadní úspěchy vědy v oblasti používání popelů z biomasy pro výrobní účely. Oblast zájmu leží ve stavebnictví a současným cílem je vývoj prvků malé a střední prefabrikace. To je zásadní průlom v používání odpadového produktu spalování hmoty rostlinného a živočišného původu. Zatímco dosavadní převážné využití se odehrává na polích a v lesním zemědělství, ale budoucnost musí nabídnout I jiné alternativy, a to díky ohromnému nárůstu energetického spalování biomasy. Sběr a vyhodnocení údajů popelů ze spalování dřevních hmot a spalování bioodpadů v ČR, Studie č. 5 V rámci hledání možností využití obnovitelných energetických zdrojů je mimo jiné také pozornost zaměřena na spalování biomasy, tj. spalování doprovodné dřevní hmoty a to jak z těžby, tj. dřevních štěpků, s výjimkou tzv. „bílé štěpky“, dále ze zpracování dřeva ve formě pilin a odřezků. Mimo tuto oblast je ještě v některých případech spalována kůra a to buď samostatně nebo ve směsi se stěpkou případně pilinami. Mimo vlastní dřevní hmoty se spalování týká především obilní slámy, která však musí být tzv. paketována, tj. sbírána a slisována do balíku (hranolů). V rámci základní orientace je třeba připomenout, že mnoho stávajících energetických provozů, jak pro výrobu tepla, nebo společně pro výrobu tepla a pro výrobu elektrické energie, vzniklo v rámci programů PHARE, tj. v rámci energetických dotací EU, což přineslo řadu významných mezinárodních kooperací, ale i řadu diskutovaných problémů, které budou uvedeny později. Samostatná pozornost je popsána v oblasti, kde se přidává dřevní hmota, případně materiál vyráběný z odpadů při třídění zrní pod obchodním názvem EKOVER do kotlů, kde se převážně spaluje uhlí (90-95 hm. % uhlí a to jak v kotlích klasických nebo fluidních). Při průzkumu celé oblasti bylo, mimo jiné, zjištěno, že v rámci práce je pro následné období nutné zaměřit pozornost na efektivitu spalování v různých druzích kotlů, neboť jak konstrukce, tak obsluha či použitý typ řízení spalování zásadně ovlivňuje množství tzv. „nedopalu“,tj. obsahu spalitelných látek v popelu nebo přeneseně obsah ještě spálitelné hmoty, která má kapacitu energetického zdroje. V rámci průběžné zprávy budou diskutovány i otázky, které s využitím popelů přímo nesouvisí, ale mohou objasnit některé teoretické poznatky týkající se především zjištění, že v některých oblastech jsou zaznamenány obsahy některých prvků v rozsahu, který bude obtížně vysvětlitelný (Zn, Ba, případně vztah mezi Mn a Fe). Sborník směrnic Pro potřeby projektu byly shromážděny veškeré dostupné a dosažitelné předpisy, které upravují používání odpadových produktů a surovin z biomasy. S tím souvisí i sběr dat, která upravují nakládání s odpady. Důležité jsou předpisy o výrobě prvků stavebních prvků, eventuální normové hodnoty. Sborník je k dispozici v elektronické podobě a tištěné podobě v archivu projektu.
SESTAVENÍ LABORATOŘE Inovativní a zcela nové materiály používající netradiční pojiva vyžadují totální změnu současných technologických výrobních procesů. Proto je od začátku nastaven systém spolupráce akademické a výrobní oblasti, každý krok musí být prověřen oběma skupinami, že vyvinutý technologický návrh je proveditelný ve velkém měřítku výrobní realizace. Na druhou stranu se hledají takové metody, které by se co nejvíce daly aplikovat na stávajícím strojním zařízení, které se dnes na výrobu stavebních prvků používá. Výše popsaný postup je ideální, ale ne vždy byl úspěšný.
7
Třetí etapa projektu měla za úkol sestavit laboratorní kapacity a doplnit je o zařízení, které dokáže simulovat průmyslovou výrobu, tzv. Pilot Plant. Cílem bylo dosažení co nejvyšší efektivity laboratoře. Ze zkušenosti víme, že nově zřizované výzkumné jednotky a s tím související sestava nového týmu lidí není zcela ideální případ. Vývojoví pracovníci jsou takto vytrženi z kontextu a nemají známe zázemí spolupracovníků. Rozhodli jsem se využít co nejvíce potenciálu stávajících výzkumných provozů a pouze je doplnit o novou vývojovou jednotku typu „Pilot Plant“, tedy poloprovozní sestavu přístrojů a zařízení. Laboratorní práce, které vyžadují úzce navazující zázemí velkého výzkumného zařízení, se budou odehrávat v sestavách našich spolupříjemců. Hlavní roli a stěžejní výzkumné úkony bude provádět tým Ústavu struktury a mechaniky hornin. Jejich produktem je podrobná analýza vstupních materiálů a možnosti jeho zpracování. Získané informace bude možné aplikovat a testovat na poloprovozním zařízení. V prostorách areálu byla z výše uvedených důvodů umístěna administrativní základna. Kancelář poskytuje zázemí pro sběr dat, archivaci a publikaci informací. Prostory pronajaté pro účely projektu nabízení několik stanic PC s rychlým připojením do sítě internet, dále veškeré zařízení pro velkokapacitní tisk a barevný tisk s velkým rozlišením. Hlavní devizou pracoviště je spojení pomocí přímých linek na pracoviště, která se na projektu podílejí, tím se zvyšuje kvalita a rychlost výstupů. Kancelář slouží i jako místo setkání účastníků projektu, pro prezentace výsledků a stanovení dalších milníků. K prezentacím slouží PC diaprojektor, flipchart a jiné přidružené pomůcky. Na předchozí bod souvisle navazuje sestava „Pilot Plant“, poloprovoz výroby hmoty a prvků s použitím popela z biomasy. Technologie je umístěna do pronajatého prostoru v areálu bývalé továrny na výrobu betonových prefabrikátů. Prostory jsou zvoleny v souladu s tezemi v prvním odstavci, kde jsou zmíněny faktory pro změnu technologie, přesto je žádoucí vycházet z prostorového a funkčního uspořádání provozů podobného charakteru. Výroba železobetonových prefabrikátů zahrnuje všechny podstatné procesy, které se s největší pravděpodobností objeví i v případě nové technologie na hmotu používající popely z biomasy. Kromě výroby základní směsi a skladovacích funkcí, to budou prostory pro přípravu výztuží, kompletace, prostory pro zrání, deponie plniv a trasování materiálu v areálu. Areál na adrese U Panelárny 136, Buštěhrad nabídl pro potřeby projektu dva klíčové prostory. První je prostor pro laboratoř v prostorách bývalé vývařovny. Jedná se o plně vybavený prostor se všemi nutnými instalacemi, včetně povrchů odolných vůči chemikáliím, apod. Prostor je doplněn o místnost administrativního charakteru, kde je možné získaná data zpracovat do PC a vyhodnotit. Druhý prostor v sobě již zahrnuje větší zařízení pro simulaci velkovýrobních postupů. Jde o část výrobní haly, železobetonový montovaný skelet s pojezdovou jeřábovou dráhou. Hala je vytápěná a plně vybavená instalacemi. Vybavení provozu v Buštěhradu zahrnuje tato zařízení: velkokapacitní pec na přípravu základního materiálu pro přípravu geopolymerů, sušárna pro přípravu vzorků a simulace vyšší teploty okolního prostředí, zkušební lis na měření pevností materiálů při přípravě různých variant směsí (závěrečné zkoušky vybraných materiálů proběhnou na akreditovaném pracovišti – snad ARCS), vibrační zařízení na homogenizaci materiálů, energodisperzní rentgenfluorescenční spektrometr pro analýzy pro WP4 – material study, laboratorní prostory poloprovozní zařízení na úpravu materiálů (drcení, mletí a sítování): čelisťové drtiče, vibrační mlýn, kulový mlýn, mlecí stolice, mlýny RETSCH, síťovací stroje včetně sad analytických sít. vibrating screens with analytic screens Cilas Práce spojené s přípravou základní hmoty a vývojem nových modifikací počítají s použitím již známých postupů a vzorů. Zařízení budou použita dle know-how a duševního vlastnictví, jsou tím zaručeny následující body: dlouhodobé znalosti a zkušenosti v oblasti geopolymerů, včetně obhájené disertační práce na téma geopolymerů vědci seznámení s technologií přípravy geopolymerů, včetně přípravy základního materiálů pro syntézu geopolymerů zkušenosti s restaurováním památek pomocí geopolymerní technologie zkušenosti s kombinací geopolymerů a zasolených materiálů zkušenosti s výrobou umělých pískovců, resp. vápenců, podle originálních materiálů (imitace struktury, barvy, složení) zkušenosti s terénním posuzováním materiálových zdrojů 8
výsledky publikované v tuzemských i zahraničních časopisech přednášky na téma geopolymerů na mnoha mezinárodních konferencích
VAV SYNTÉZY KOMPOZITU Analytické metody V rámci projektu došlo ke komplexnímu sběru vzorků a analýze chemického a mineralogického složení popelů z různých druhů spalovacích kotlů a spalování různých výchozích surovin. Pro přesné stanovení charakteru materiálu byly použity různé analytické metody. Mineralogické složení popelů ze spalování biomasy bylo zkoumáno pomocí rentgenové difrakční analýzy (XRD). Měření krystalických fází bylo zjišťováno na přístroji Philips Source Data digitálním záznamem naměřených intenzit (krok 0.050°, v úhlech od 3.000 do 65.000, s využitím Cu-lampy). Přístroj se skládá z goniometru, řídícího počítače a vyhodnocovacího počítače s databází PDF2. Naměřená difrakční spektra byla zpracována pomocí programu X„Pert High Score. Bylo provedeno zpřehlednění spekter, odečtení pozadí a byly zjištěny intenzity jednotlivých píků, reprezentujících odezvy krystalických látek. Pomocí databáze byly identifikovány krystalické fáze ve zkoumaných popelových hmotách. Pro analýzu hlavních a stopových prvků pevných materiálů se nejčastěji používá rentgenová fluorescenční analýza (XRF). Z vzorku utřeného na analytickou jemnost se připravují lisované tablety nebo tavené perly, které se dále analyzují. Chemické analýzy byly naměřeny pomocí rentgen-fluorescenčního analyzátoru Spectro IQ od firmy Spectro, Kleve, Německo. Tento přístroj má terčík vyrobený z palladia, úhel terčíku je 90° od centrálního paprsku a ohnisko má velikost 1 mm x 1 mm. (Maximální anodový rozptyl je 50 Wattů s se vzdušným chlazením anody). Měření probíhá v inertní heliové atmosféře. Získaná data byla vyhodnocena pomocí počítačového programu XLabPro. XRF metoda vždy zjišťuje intenzitu, kterou vyzařuje odražený specifický svazek paprsků pro každý prvek. Program XLabPro umožňuje automatické přepočítání prvkového zastoupení ve vzorku na jeho oxidickou formu. U všech vzorků popelů byly před zahájením práce pomocí analytických metod zjištěny tzv. ztráty žíháním (L.O.I.), které jsou dále v textu komentovány. Ztráta žíháním byla provedena následující metodou: Vzorek popela byl namlet na analytickou jemnost a navážen s přesností na 4 desetinná místa do porcelánového kelímku. Ten byl umístěn do muflové elektrické pece s automatickou regulací náběhu teploty a její koncové výdrže. Maximální teplota, při které se v normálních tlakových poměrech spálí veškerý uhlík, je 1000 °C. Proto byl zvolen náběh teploty 10 °C /min a po dosažení maximální teploty byla pec vyrovnána časovou prodlevou 10 minut. Po úplném vychlazení pece byl kelímek převážen a z rozdílu hmotnosti byla stanovena ztráta žíháním. Poměr alkalických kovů a křemíku Dalším úkolem bylo zjištění poměrů Si/Na resp. Si/K a stanovení a diskuse LOI (ztráty žíháním na 1000 °C) v souvislosti s technologií geopolymerních soustav. Při zadávání úkolu byly stanoveny podmínky, které se vztahují k základní technologii geopolymerní syntézy s tím, že jedním z limitujících je právě poměr alkalických kovů a křemíku v souvislosti na obsahy hlinitého iontu. Bylo tedy předpokládáno, že podobně jako v popelech fosilních paliv, především však uhlí, bude převládající složkou popela zbytek aluminium-silikátový. Bylo však zjištěno, že v zásadě lze rozdělit bio-popely do dvou výrazných skupin takto: Skupina popelů ze spalování směsného dřeva (štěpky, piliny, zbytkové a stavební dřevo atp. s výjimkou dřeva nebo dřevní hmoty z výroby dveří, oken a těch výrobků, které obsahují laky a nátěry – viz Polná u Jihlavy, kde se objevuje nepřípustný obsah olova). Skupina popelů z obilní slámy během testů a zkoušek prokázala, že přímé využití popela (především popela z obilí s vysokým až velmi vysokým obsahem draslíku) se zatím nejeví jako možné a bude třeba dalších testů a zkoušek, které zajistí účinek tak, jak ho předpokládá teorie geopolymerních syntéz. Z hlediska dalšího využití v geopolymerních strukturách je dávána přednost materiálům z roštů, částečně zpevněným sklovinou, které se výborně pojí s geopolymerní strukturou a vytvářejí hmoty s vysokou pevností (> 50 MPa). Pro jiné využití, tj. v případě, kdy popel bude vracen nebo použit pro regeneraci půd, obsahy částečně zuhelnatělých nebo nedokonale spálených materiálů nejsou obecně závadné. 9
Podmínky pro přípravu materiálu Do geopolymerních sítí je možné zabudovat i popely z biomasy a to jak popely úletové, tak roštové. Bylo nutné stanovit způsobu přípravy nových materiálů (teplotní režim, vlhkostní podmínky, způsoby míchání) s cílem optimalizace podmínek přípravy. Zejména bude věnována pozornost možnosti přípravy nových materiálů za běžných teplot okolí 20-30 °C, bez nutnosti ohřevu směsí. Zásadně lze konstatovat, že tímto způsobem lze likvidovat 15 – 65 hm. % popelů a získat tak pevné a stabilní materiály vhodné příkladně pro jednoduché stavby nebo v případě materiálů pěněných i materiály tepelně, resp. zvukově izolační. Takové materiály zásadně nehoří a nevydávají žádné toxické zplodiny během ohřevu či pod atakem přímého plamene. Další oblastí pro využití bio-popelů je historicky ověřená zkušenost z mnoha dávných i nedávných kultur. Popel ze spalování dřeva, které pro mnoho a mnoho století představovalo hlavní zdroj tepla především v Evropě a Americe. Na historických územích Středního Východu lze ke vzácnému dřevu připočítat další biomasu – slámu a další odpady zemědělské produkce včetně trusu hospodářských zvířat. U všech civilizací byl takový popel dále používán především proto, co bylo i v tomto projektu zjištěno: vysoký obsah draselných solí a významný podíl solí vápníku. Především draselné soli měly mimořádný význam – již v dobách velmi a velmi vzdálených (cca 25 000 let) bylo zjištěno, že tuky ulpívající na kůžích je možné namočit do lázně tvořené z vody a popela – dnes víme, že takto vzniká vysoce alkalická lázeň, která rozpustí tuky a vytvoří mýdelnatou směs. Tuky se odstraní a kůže jsou tzv.“vyčiněny“. Obsah prvků ve vztahu k novým kompozitům V průběhu druhého roku řešení bylo nutné stanovit vliv a obsah jednotlivých prvků na vlastnosti nových materiálů. Obsah jednotlivých prvků je pouze indikativní informace, která má smysl jen tehdy je-li doplněna informací o konfiguraci takového prvku v chemické sloučenině nebo v teplotní modifikaci. Přesto, je naprosto jasné, že v případě popelů z biomasy jsou rozhodující procesy hydratační a karbonizační a to u převážené části alkalických zemin, které jsou nejvíce ovlivněny teplotní změnou při spalování biopaliv. Obsah CaO případně MgO, který tvoří následně Ca(OH)2 a nebo Mg(OH)2 s případným dalším přijímáním CO2 do konečné podoby karbonátů. Tento proces je pozorovatelný ve všech případech pomocí XRD analýzy a obsahy alkalických zemin jsou tedy převážně definovány jako hydroxidy, resp. karbonáty. Jak bylo shora uvedeno, obsah jednotlivých prvků je pouze indikativní informace, která má smysl jen tehdy je-li doplněna informací o konfiguraci takového prvku v chemické sloučenině nebo v teplotní modifikaci. Přesto, je naprosto jasné, že v případě popelů z biomasy jsou rozhodující procesy hydratační a karbonizační a to u převážené části alkalických zemin, které jsou nejvíce ovlivněny teplotní změnou při spalování biopaliv. Obsah CaO případně MgO, který tvoří následně Ca(OH)2 a nebo Mg(OH)2 s případným dalším přijímáním CO2 do konečné podoby karbonátů. Tento proces je pozorovatelný ve všech případech pomocí XRD analýzy a obsahy alkalických zemin jsou tedy převážně definovány jako hydroxidy, resp. karbonáty. V případě použití popelů pro organicko-minerální hnojivo je naopak velmi důležitý a zásadní obsah rozpustných solí draslíku a pomalé rozpouštění stabilizovaného vápníku a ostatní prvky jen doplňují obohacování půdy. Je pravděpodobné vzhledem k obsahu tzv. stopových prvků, že některé z nich mohou být růstu rostlin velmi prospěšné. Bio-popely představují směsi a chemická analýza zaznamenává prakticky celou škálu prvků periodické soustavy, které byly čerpány rostlinou, pak je zřetelné, že se opět a ve stejném množství do půdy vracejí. Vliv skupin OH, SiO, SO ve vztahu k novým kompozitům Část etapy řešila vliv řady typů alkalických aktivátorů, tj. alkalických uhličitanů, hydroxidů, křemičitanů a síranů na vlastnosti nových materiálů. Úloha opět vycházela ze původního zadání, tj. z hlavního směru – umístění biopopelů jako aditiva ke geopolymerním směsím. Z provedených testů a všech zkoušek z bio-popely bylo jednoznačně dokázáno, že krystalografické zkoumání popelů a jejich komponentů ukazuje na takové skladby hmoty, které jen v nepatrné míře nebo dokonce vůbec, neovlivňují tvorbu geopolymerních solidifikátů. Protože další forma, tj. křemičitany nebyly v popelech identifikovány je možné v té souvislosti konstatovat, že rozpustným a tedy využívaným křemičitanem je běžně dostupný křemičitan sodný a křemičitan draselný, který 10
se dodává jako rozpustné tzv. „vodní sklo“. Jeho účinek na tvorbu geopolymerní soustavy je zásadní a je dodavatelem jak alkálie, tak amorfního podílu křemičité substance, která prodlužuje a zpevňuje řetězce Si - Al. Granulometrie surovin Konečné vlastnosti jakéhokoliv materiálu jsou ovlivňovány celou řadou faktorů, mezi které patří mimo jiné chemické složení výchozích materiálů a jejich množství, dále granulometrie a způsob přípravy vzorku (doba a způsob míchání, homogenizace ve formě a podmínky tuhnutí). Při sledování vlivu jemnosti popelů ze spalování je potřeba rozlišovat dva základní směry: zda je popel přidáván do pojivového materiálu ve funkci plniva nebo zda je popel použit jako základ pro nový materiál. Experimentálně bylo zjištěno, že je výhodné kombinovat úletový popel s materiály s větší velikostí částic. Navrhovaná řešení v případě geopolymerních směsí je použití křemičitého písku nebo roštového popelu ze stejného zdroje. Ten se vyznačuje velkým zastoupením částic ve frakcích nad 0,8 mm a 1,6 mm (31,7 hm.% a 41,8 hm.%). Kombinací jemných a větších frakcí plniva lze dosáhnout nejlepších mechanických vlastností tak, jako je tomu v případě známých směsí kameniva v betonech. Jiný případ je použití popelu jako minerálního hnojiva. To, co bylo v předchozím případě nevýhodou, je možné využít při přípravě materiálů pouze z popelů ze spalování biomasy. Jemnost materiálu zaručí homogenitu směsi a urychlí následné reakce. To bylo potvrzeno při přípravě minerálních hnojiv z popelů ze spalování biomasy. Byla použita směs neupraveného úletového a roštového popela z Jindřichova Hradce. Větší frakce v roštovém popelu způsobily, že směs byla nestejnorodá a docházelo k problémům se zpracováním hmoty. Z tohoto důvodu bylo vhodnější sjednotit granulometrii obou popelů a roštový popel namlít na jemnost úletového popela. Jednou z dalších možností je využití popela ze spalování biomasy jako součást omítkových směsí. I zde hraje rozhodující roli granulometrie popela. Při větších velikostech částic nedochází k ideální homogenizaci a následným reakcím. Další problém by vznikal při tuhnutí omítky. Větší částice by způsobily kritická místa, kde by docházelo k vytvoření pnutí a praskání tuhnoucí vrstvy. Proto je nutné používat popel s větší jemností, případně upravit granulometrii mletím.
11
Obsah nebezpečných prvků v popelu Etapa se zabývala i obsahem těžkých kovů v surovinách, jako je biopopel. Tato kapitola opět navazuje na některé neověřené uzance vycházející z názorů, že půdy a tedy i rostliny jsou zamořeny těžkými kovy. Není přesně zcela jasné, vezmeme-li v potaz skutečnost, že půdy pro pěstování kulturních rostlin jsou pravidelně monitorovány, kde podobný názor vznikl, ale existuje-li, pak zamoření není otázkou jen půdy, ale veškeré produkce kulturních rostlin a především pak jejich plodů. To by ale bylo velmi zavádějící a dokonce vyvolávající všeobecnou paniku – tak tomu, podle našeho zjištění není. Nezkoumali jsme půdy, ale směsné dřevní štěpky (piliny, nepoužitelné dřevo, směsi větví, kůry a jehličí) a obilní slámu z několika velmi vzdálených oblastí a ani v jenom případě se neobjevily žádné těžké kovy, nepočítáme-li výjimku, kdy v Polné (provoz SAPELI) se spalují zbytky průmyslově zpracovaného a lakovaného dřeva s částí lepených papírových výplní apod. Jen v tomto případě se na XRF analýzách objevilo olovo. Vzhledem k dokonalé analýze, kterou je metoda XRF a která v průběhu měření identifikuje prakticky všechny prvky periodické soustavy, je vyloučeno, aby v průběhu 18ti měsíců bylo přes šedesát analýz provedeno chybně. Kompozitní materiály Součástí prací v roce 2009 byl výzkum vrstevnatých materiálů s anorganickými i organickými vlákny a tkaninami. Vrstevnaté materiály zažívají v posledních letech velký rozvoj. Důvodem je snaha o snížení nákladů na stavbu a provoz nejen obytných domů a zvýšení prostoru uvnitř budov. Řešení nabízejí právě vrstevnaté materiály. Spojují ve své struktuře více funkcí a zároveň mohou být tenčí než doposud používané stavební materiály. Odpadá i náročné a drahé izolování budov, často nevhodnými a nebezpečnými materiály (polystyren). Proto jsou často používány při stavbách tzv. energeticky pasivních domů.
Ukázka vzorků kompizitních desek s různými druhy plniv Dalším příkladem je vrstevnatý kompozit vyrobený z geopolymerní směsi s přídavkem úletového popela z Bystřice nad Pernštejnem (spalování dřevních štěpků). Touto volbou popela odpadly problémy s úpravou granulometrie a tím bylo možné vyrobit kompozit o tloušťce pouhých 8 mm. Obsahuje 2 vrstvy odpadní tkaniny, které výrazným způsobem zvyšují mechanické vlastnosti tohoto deskového materiálu, zejména pevnost v tlaku za ohybu. Zároveň je tkanina z obou stran chráněna proti přímému ohni a to zvyšuje i celkovou protipožární odolnost výrobku.
12
vrstvený geopolymerní kompozit s textilií
VAV MATERIALŮ V této etapě bylo úspěšně zhotoveno 5 funkčních vzorků stavebních výrobků ze solidifikátu na bázi popela z biomasy. Jedná se o bázi alkalicky aktivovaných jílových alumosilikátů, které jsou plněné zmíněným popelem až do 55% hmotnosti. Výsledkem, který je pro projekt stěžejní, jsou dvě technologie hmoty, které budou uplatněny pro užitné vzory. Jedná se o: Využití popelů z biomasy jako reagujícícho plniva do geopolymerních kompozitů Geopolymerní pojivo na bázi tepelně aktivovaných jílových materiálů a to buď čistých ve formě kaolinitických jílů nebo i ve formě různých odpadových materiálů z keramických, resp. výrob porcelánu lze zpracovat společně s popely z biomasy. Tyto popely se vyznačují především tím, že obsahují význačné podíly draselných a vápenatých rozpustných solí ve formě chloridů a síranů vedle dalších částí popela, kterými je především křemík. Obsahy popelů z obilné slámy mají vyšší obsahy draslíku a popely ze spalování směsné dřevní štěpky, nebo popely z kůry mají vyšší obsahy vápníku. Obě tyto základní látky a to buď již chlorid draselný nebo síran draselný se ukazují jako složka, která podobně jako forma rozpustné soli vápenaté napomáhá geopolymerní reakci tepelně upraveného jílu a při sníženém obsahu základních alkálií je snadno doplní. Popel je tedy částečně plnivem a částečně vstupuje do polykondenzační reakce s tepelně upravenou jílovou složkou. Pří obsahu 25-40 hm. % biopopela z úletu (jemná frakce) ze spalování dřevné štěpky zachycené zpravidla na textilních filtrech do základní geopolymerní matrice lze obsah alkalické složky upravit a snížit o cca. 10-12 hm. % s tím, že je třeba zachovat obsah vody v alkalickém roztoku tak, aby při míchání s popelem bylo dosaženo jak dobré zpracovatelnosti, tak aby došlo k rozpuštění alespoň části solí obsažených v popelu. Pevnosti cca. 16-18 MPa v tlaku prostém lze podstatně zvýšit kamenivem a jinými plnivy a to podle způsobu vytváření (ideální je vibrační lisování) až do pevností 60-75 MPa v tlaku. Využití popleů z biomasy jeko lehčícího podílu při zpracování fluidních úletových popelů s přídavkem hašeného vápna. Fluidní úletové popely zpravidla neobsahují dostatečné množství volného CaO, které se při reakci s vodou hasí za vzniku portlanditu (Ca(OH)2) a dále pak vytváří s velmi aktivním aluminosilikátem obsaženým v popelu poměrně snadno pevné a stabilní, ve vodě nerozpustné hmoty. Při přídavku 5-10 hm. % hašeného vápna k úletovému fluidnímu popelu je dosaženo stavu, který odpovídá množství tepelně transformovaných hliníkových iontů, které pak se stejně tepelně zpracovaným oxidem křemičitým v tomto alkalickém vodním prostředí vytvoří pevné a nerozpustné hmoty. Do takové směsi fluidního popela a hašeného vápna je možné přidat 10-35 hm. % popela ze spalování biomasy, který svým obsahem rozpustných solí vápenatých a draselných zlepší kvalitu pevných hmot. Pevnost se zvyšuje o 5-10 procent a dosahuje až 25 MPa v tlaku prostém. 13
Byla zhotovena řada výrobků, které byly navrhovány již od začátku jako průmyslově vyráběné prvky pro stavebnictví. Cílem bylo získat výrobek uplatnitelný na trhu a poměrně jednoduše proveditelný pomocí dostupných technologií. Konkrétně jde o skutečnost, že vzorky nevznikaly v laboratorních podmínkách, ale na nejmenších dostupných strojích určených pro velkokapacitní výrobu. Klíčovými faktory pro úspěšné zhotovení prvků byla klasifikace a úprava surovin, potom zejména míchání a nejdůležitější bylo formování a lisování (vibrolisování). Produktová řada byla prezentována několika akcích v zahraničí a zejména na veletrhu FORARCH 2010. Produkty typově vychází ze základních hmot, které představují 5 základních funkčních vzorků. První tři funkční vzorky jsou pohromadě znázorněny na následujícím obrázku. Jde v první řadě o hutný solidifikát s využitím dřevního popela v klasické jílové geopolymerní matrici (na obrázku úplně vlevo), druhý vzorek je reprezentován sendvičovým uspořádáním dvou plných solidifikátů s jádrem z pěnové izolace (v tomto případě polystyren), třetím vzorkem je napěněná hmota, tj. lehčená deska, či blok s izolačními vlastnostmi a nízkou váhou.
Čtvrtým funkčním vzorkem je solidifikát s využitím vápna. Jde o nový princip, kdy poměrně drahé alkalické aktivátory na bázi sodíku nebo draslíku jsou nahrazeny vápennou složkou. Výsledná hmota je schopna pojmout vysoké množství plniva, např. biopopela, apod. Zde je vzorek reprezentován stavební cihlou klasického formátu 300x150x75.
14
Vedlejším, ale neméně významným výsledkem je zmiňované hnojivo (Funkční vzorek č. 5), které vzniká zpracováním biopopela do granulí pomocí geopolymerního solidifikátu. Obecně jsou biopopely, vznikající jako průmyslový odpad ze spalování směsné dřevní štěpky, kůry a obilné slámy nebo i vojtěšky, kukuřice a jiných energetických plodin, případně ze spalování rychle rostoucího druhu šťovíku, dnes minimálně využívány a většinou končí v zemních skládkách. Jsou deponovány na skládkách navzdory významnému podílu cenných vápenatých a draselných solí, které jsou odčerpány z půdy. Návrat popela do půdy tak, jak je tomu ve Skandinávii není v ČR dosud řešen. Bohužel ani nebylo zjištěno, že by některé průmyslové podniky zabývající se výrobou kompostů byly ochotny zpracovávat popely z biomasy a tak popely, jako nebezpečný díky obsahu alkálií, končí na skládkách nebezpečného odpadu, kde musí původce odpadu platit náležité poplatky za likvidaci.
ZKOUŠENÍ MATERIÁLŮ Bylo konstatováno, že oba základní druhy popelů, tj. jak popel ze směsné dřevní štěpky a to ať již s větším nebo menším obsahem kůry nebo popel ze slámy je vhodným materiálem pro doplnění geopolymerních směsí, kde v obou případech dochází k částečnému uplatnění alkálií z popelů, které mohou zlepšit kvalitu výsledného produktu. Byly provedeny zkušební materiály, které obsahovaly popely z Trhových Svin, Bystřice nad Pernštejnem (dřevní štěpka) a popely z obilní slámy odebrané v roce 2009 v Třebíči). Výsledky ukazují na zvýšení pevnosti v tlaku prostém o 10-15 % na hodnoty až 60 MPa. Použití popelů v geopolymerních syntézách bude součástí užitného vzoru (viz. předchozí kapitola) , kde předmětem ochrany bude příprava směsí s obsahem 25 –55 hm. % biopopelů při sníženém obsahu použitých alkálií o 10 – 12 hm. % (obr.1).
Přehled naměřených pevností u 28 denních vzorků Geopolymer s přídavkem popela Plnění (hm. %) 29 Třebíč 41 Aktivace 62 + Na 58 roztokem Trhové Sviny 61 66 Bystřice nad 38
Pevnost v tlaku za ohybu (MPa) 0,86 1,17 0,47 2,07 1,27 2,60 5,15 15
Pevnost v tlaku prostém (MPa) 56,88 39,69 11,04 49,79 24,38 33,96 35,88
Aktivace K+ roztokem
Pernštejnem Třebíč
43
4,21
36,72
33
1,01
67,50
55
4,48
60,8
Trhové Sviny
Popely byly přidány ke geopolymerní matrici bez úpravy, tj. bez mletí, což je vidět na obr. 1 níže, kde se objevují větší částice popela. Každý popel má rozdílnou granulometrickou křivku a tím dochází k tomu, že plnění je rozdílné. Z uvedené tabulky 24 však vyplývá, že existuje jakési ideální množství popela, které zaručuje nejvyšší pevnosti, která se zvyšujícím se obsahem poté klesá. To je způsobeno tím, že matrice nedostatečně obaluje jednotlivé částice popela a nehomogenita směsi vytváří můstky s nižší pevností. Vzhledem k charakteru popela je vidět, že výhodnější je alkalizace pomocí draselných roztoků, což lze vysvětlit tím, že v popelech je již draselný iont přítomen společně s vápníkem a snadněji tak vznikají pevnější vazby než v případě, že je použit roztok sodný. Obr. 1 Lomová strana zkušebního trámce vyrobená s použitím biopopelů
Další typy lze poměrně snadno kombinovat tak, aby vedle pevné hmoty byla navázána stejná hmota napěněná, případně pak doplněná dalším izolačním materiálem tak, jak je ukázáno na obrázku č.2
Obr. 2 Funkční vzorek oboustranně aplikovaného geopolymeru s biopopelem na polystyren.
16
Zcela jiný přístup je v možnosti použití biopopela jako plniva pro hmoty vytvářené z popelů získaných při fluidním spalování uhlí a s přídavkem hašeného vápna, kde lze do takových hmot přidávat 10 – 35 hm. % biopopelů, které slouží jako lehčivo. I tento typ hmoty bude součástí druhého užitného vzoru souvisejícího s možností využití biopopelů.
17
VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ A PROJEKTU Poznatky o nových hmotách na bázi popelů ze spalování biomasy byly v roce 2009 a 2010 prezentovány v zahraničí i doma. Zároveň došlo k aktualizaci informační základny a k analýze výsledků, které se týkají solidifikátů vzniklých alkalickou aktivací alumosilikátů. Prezentace technologie přináší všeobecně kladné ohlasy a zvědavost posluchačů. Nejvyšší pozornost je spojena s tezemi o aktivním chování popela ve hmotě. To je zásadní průlom a inovace, která má význam ve světovém měřítku. Publikace a prezentace: Publikace:Hanzlíček T., Perná I.: Historické souvislosti – použití popelů z biomasy, Waste Forum 2, str. 65 – 69, ročník 2009
18
19
20
21
Hanzlíček T., Perná I.: Anorganické odpady jako zdroj pro geopolymerní pojiva, Odpadové forum 6, str. 34-35, 2010
22
Perná I., Hanzlíček T., Ertl Z.: Utilization of biomass ashes for construction purposes, Proceedings of Advances in Geomaterials and Structures AGS´10, 10.5. – 12.5.2010, Djerba, Tunisko, pp. 661-666, 2010 Prezentace: FOR ARCH 2010 V rámci výstavy stavebních materiálu byly prezentovány výrobky z nové hmoty. Šlo převážně o vystavení efektních a designových záležitostí, které měly zaujmout v široké nabídce konkurenčních stánků. Během celé doby výstavy byl stánek hojně navštěvován, zejména díky imitacím přírodního kamene a obkladovým deskám. Obkladové desky, které jsou bohatě popsané v sekci funkčních vzorků jsou schopné plně nahradit obdobné konkurenční výrobky za velice příznivou cenu. Jedná se o solidifikáty pojené geopolymerní bází s vysokým plněním biopopela a eventuálním plněním dřevěnými vlákny/štěpkami. Zájem přicházel hlavně od drobných stavebníků a individuálních osob.Na druhou stranu evidujeme několik příkladů zájmu o použití celé technologie v cizí zemi. Např. jeden vietnamský obchodník s napojením na tamní úřady nabízel pomoc při uplatnění technologie a pomoci při hledání surovinových zdrojů.
International Conference of Advanced Ceramics Zpráva o účasti ČRA o.p.s. na mezinárodní konferenci Keramiky a kompozitů, USA. V rámci prezentace VaV výsledků proběhla prezentace společnosti formou posteru a přednášky v rámci mezinárodní konference zaměřené na speciální kompozity. Konference proběhla ve dnech 24. – 29. 1. 2010 v USA, Daytona. Ve dnech 25. a 26. Byla otevřena specializovaná sekce pro geopolymerní hmoty, kde se společnost ČRA o.p.s. zajímala o nové poznatky v oboru a prezentovala své zkušenosti.
23
Nové poznatky Zatímco převážná většina účastníků provádí testy v laboratorních podmínkách, zkušenosti z praxe má Austrálie. Kwesi Sagoe-Crenstil patří v Austrálii mezi největší odborníky v oboru. Geopolymerní technologií se zde běžně vyrábí prefabrikáty z úletového popílku, třídy C a F. Průměrná cena suroviny se pohybuje okolo 80 AUD, což umožňuje konkurenci betonovým ekvivalentům. Bohužel výsledné výrobky podléhají solným výkvětům, proto se jejich aplikace omezuje na podzemní kanalizační trouby, apod. Zamýšlený projekt na střešní panely byl kvůli výkvětům pozastaven. Naděje se vkládají do nových spalovacích technologií, které díky vyšším teplotám spalování budou produkovat kvalitnější úletový popílek pro výrobu prefabrikátů. V Austrálii aplikují geopolymerní hmotu i na chodníky technologií ready-mix. Příspěvek francouzského vědeckého týmu byl zajímavý záměrem získat napěněný geopolymer s lambdou okolo 0,15, což by řadilo výrobek mezi dobré izolanty. Celý projekt měl však značné nedostatky v ekonomice výroby. Nebyla řešena ekonomika tepelné aktivace a na pěnění se použil velmi drahý silikový prášek. Odpovědí na řešení ekonomika bylo jako vždy konstatování, že projekt je v rámci grantu Eu a ekonomika není prioritou. Pro nás je zde zajímavý podnět, že roztok na aktivaci báze je z finančních důvodů řešen vlastní výrobou, a to smícháním rozemletého odpadního skla a hydroxidu sodného, čímž vznikne pro geopolymer výhodnější silikát s obsahem draslíku. Další zajímavý příspěvek měl zástupce US Air Force, který popisoval aplikaci geopolymerní hmoty z úletového popílku třídy F na ocel. Bylo dosaženo přilnavosti 3,5 GPa, což může být zajímavé i pro nás.
Prezentace posteru Překvapivý úspěch zaznamenal poster společnosti ČRA. Byl zcela odlišný od ostatních , protože prezentoval výsledné produkty formou fotografií a technických parametrů, na rozdíl od ostatních, kteří se zaměřovali čistě na měření a grafy. Zásadní přínos spočíval ve skutečnosti, že konferenci navštívilo i několik zástupců průmyslu a zastupitelstev měst, kteří hledali nové levnější technologie jako řešení probíhající krize.
24
Byl to např. Gary Duncan, zástupce investiční skupiny a developerů působící v USA a jižní Americe. Fotografiemi byl zaujat s vědomím, že cena může být nižší než stávající sortiment. Velmi konkrétní nabídku spolupráce jsme obdrželi od zástupce Keith W. Hanks, který chce náš materiál použít na výstavbu chodníků. To jsou v celém USA unifikované betonové panely. Dle konzultace se zástupcem Austrálie nejsou výkvěty ve venkovním prostředí problém. Po dešti zmizí a přitom funkci a výdrž materiálu neovlivňují. Byla navržena emailová komunikace a případně výroba vzorku. Tento člověk je schopen chodníkové panely prosadit v kalifornii a v případě úspěchu projektu i přes své kontakty do celého USA.
SIU Universidad de Antioquia V rámci projektu FI-IM5/145 došlo k prezentaci výsledků řešení na semináři pro stavební experty a přidružené konferenci, která se konala ve dnech 26.9. – 1.10. 2010 na půdě SIU Universidad de Antioquia, Medellín, Kolumbie. Cílem zástupce řešitelského týmu byla prezentace ostatním účastníkům akce a zmapování obchodních a partnerských možností v rámci celého světa. Samotná prezentace proběhla v úterý 27.9.2010 od 15:00, „Využití odpadů pro nové stavební materiály, záchrana primárních zdrojů surovin a energie, doplněné o pravidla stavby měst jako nástroje udržitelného rozvoje“, Stručný obsah prezentace: Zaměření konference a workshop byl zaměřen na oblast stavebnictví a uplatňování pravidel pro udržitelný rozvoj právě v této disciplíně. Vedlejším motivem akce byla bezpečnost staveb s důrazem na stavby v tektonicky aktivních oblastech. Celá akce je zařazena do série expertních seminářů, která se v minulých letech konala pod patronátem Technické univerzity v Mnichově. Série je všeobecně zaměřena na nejmodernější technologie a jejich uplatnění na reálném trhu. Je možné sledovat převažující trend přesunu veškeré výroby do zemí východní Asie, a to včetně vývoje a výzkumu, který byl v nedávně době považován za všeobecně národní produkt starých zemí. Globální tlak na stále kvalitnější nadvýrobu způsobil ohromnou akceleraci kapitalizace čínského regionu. Rapidní zvyšování životní úrovně v nejlidnatější zemi zvyšuje poptávku po zboží, energii a surovinách takovým způsobem, že nestačí jen zajištění potřebných zdrojů, ale proces vyžaduje radikální změnu technologií.
25
Samotná přednáška proběhla v německém jazyce, a to kvůli četnému zastoupení německých universit, koncernů a představitelů země. První část se zaměřila na všeobecnou specifikaci zdrojů a potenciálů a trendů vývoje. Druhá část více prezentovala činnost teamu ČRA v oblasti VaV nových hmot s využitím ve stavebnictví. Specifikace zdrojů vycházela ze statistik a prognózy spotřeby energií celosvětově. Byla počítána hodnota 18tis. TWh v roce 2005 a odhad růstu na dvojnásobek do roka 2030. Celková část byla pojednána s počtem obyvatel na planetě včetně odhadu navýšení na cca. 10 miliard do roka 2050. Pomocí statistik o spotřebě energií per capita ze západních zemí byla konfrontována s lokalizací zdrojů a dále s politických tlakem na ekologií procesů. Byl vyzdvižen marketingový význam zelených technologií. Příkladem byla počítána bilance průměrné solární elektrárny ve střední Evropě. Možnost kladné ekonomické bilance a ekologický „footprint“ celého procesu. Bylo demonstrováno, že množství vyrobené energie musí být vynaloženo v násobku 1,6 na výrobu a instalaci zařízení, téměř výhradně z fosilních zdrojů. Další příklad byl demonstrován na několika typech urbanistických celků. I zde bylo početně prokázáno, že ekologické a zelené technologie mají pouze marketingový význam, zatímco jejich skutečný dopad na zlepšení energetické bilance (emise a znečištění) je negativní. Celá první část měla ukázat na revoluční změnu v oblasti celosvětového výzkumu a vývoje. Změna spočívá v útlumu vývoje průmyslových technologií jako hardwaru na úkor vývoje nových postupů a vzorců chování, jakožto softwaru. Celá myšlenka byla početně předvedena na příčinách a důsledcích v urbanismu a stavebnictví, kdy špičková koordinace výstavby měst má ohromné efekty na úspory energií, na efektivnější dopravu a celkově na zdraví společnosti. Činnost teamu ČRA zcela jasně směřuje tímto směrem. Zmiňované významné efekty mají být dosaženy pomocí technologie geopolymerů. Samotný princip vývoje je jiný než zdokonalování současného mainstreamu, tj. výroba lepších a lepších betonů. Vývoj samotných geopolymerů je z velké části hledání jednoduchých primitivních principů, které mohly být použity na stavby starého Říma jiných raných kultur. Jde tedy o revoluci v myšlení, což může přinést skutečné efekty v ekonomické a ekologické rovině, na rozdíl od konvenčních VaV, které kromě marketingu způsobují jen záporné, tzv. bumerangové efekty. Byl vysvětlen základní princip anorganické polymerizace a popis výhod oproti stávajícím technologiím. Po krátkém popisu chemických reakcí byly specifikovány možné surovinové zdroje pro takové hmoty, především s důrazem na možné využití odpadů. Veškeré teze byly podloženy jednoduchým výpočtem energetické náročnosti procesu. Záměrem bylo prokázat multidisciplinaritu geopolymerní hmoty a skutečné efekty podložené čísly. Závěrem byla představena série pilotních výrobků pro stavebnictví, jejich základní fyzikální parametry, srovnání s konkurencí a možnosti využití.
ZÁVĚR Projekt přinesl velmi dobré výsledky v oblasti stavebních materiálů, ale i v jiných oborech, které nebyly v původním záměru uvažovány. Výsledky dosažené expertním týmem řešitele a spoluřešitelů byly prezentovány nejen doma v České republice, ale i v zahraničí formou posterů a přednášek, článků v časopisech. Vytyčené úkoly byly splněny a je možné konstatovat, že výsledky mají potenciál pro návazné vývojové fáze, včetně převodu technologií do výrobních procesů. Základním měřítkem projektu bylo dosažení technologie na výrobu stavebních výrobků, do kterých je možné uplatnit odpady ze spalování biomasy, a to v co největší míře. Byly zhotoveny 4 funkční vzorky, z nichž 2 by měly být chráněny užitným vzorem. Získání ochrany je plánováno na první polovinu roku 2011 a průběh procesu bude komentován v rámci oponentního řízení k projektu. Projekt již splnil cíl získání užitného vzoru na produkt s využitím biopopela. Jedná se o č. PUV 2009-21804 a PUV 2009-21809 na organicko minerální hnojivo a patentů č. PV 2009 – 697 a PV 2009 – 698 rovněž na organicko-minerální hnojivo. Výsledky projektu byly s úspěchem prezentovány na mezinárodní konferenci pro hi-tech materiály v USA (leden 2010), a dále v rámci spolupráce s technickou univerzitou v Mnichově a také na přední jihoamerické univerzitě v Kolumbii. Nejdůležitějším milníkem byla prezentace výrobků na výstavě a stavebním veletrhu ForArch v Praze, která podrobila výsledky práce náročnému testu na poli konkurence a stavebním trhu. Očekávání byla spíše střízlivá, o to více překvapil vysoký zájem. Poptávka ze strany spotřebitelů je důležitým impulsem pro další vývojové práce a urychlené převedení technologie do průmyslové výroby. Uplynulé tři roky hodnotíme jako úspěšné, protože byla nalezena cesta, jak zpracovat bezcenný odpad do výrobků, po kterých je poptávka. Zásadní jsou poznání o různých souvislostech zkoumané technologie a 26
historických materiálů. Jeví se jako pravděpodobné, že materiály vzniklé před vynálezem portlandského cementu byly vysoce odolné a na výrobu nenáročné. Úspěchy projektu se samozřejmě mohou pozitivně promítnout do řady odvětví, včetně nabídky technologie cementovému a betonovému průmyslu jako alternativy ke stávajícím výrobkům.
27
