Mg-Phosphate Ceramics Produced from the Product of Thermal Transformation of Cement-Asbestos

• Autorzy: Perez-Estebanez M. , Macova P. , Sasek P. , Viani A. , Gualtieri A.

Warianty tytułu

PL

Magnezowo-fosforanowe wyroby ceramiczne wytwarzane z produktów termicznej transformacji cementu - azbestów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

According to recent European directives, the need for environmentally friendly alternative solutions to landfill disposal of hazardous wastes, such as asbestos-containing materials, prompts their recycling as secondary raw materials. In this work, magnesium phosphate ceramics were prepared using the product of inertization of cement-asbestos. Magnesium phosphate ceramics show interesting properties like good water resistance and high strength that make them attractive materials for several applications. Asbestos containing materials were mixed with magnesium carbonate and annealed at two different temperatures (1100 and 1300 ºC). During thermal treatment complete destruction of asbestos minerals with their transformation into new phases, and crystallization of MgO from magnesium carbonate decomposition, occurs. Upon addition of potassium di-hydrogen phosphate and water, the magnesium oxide in the product of thermal treatment, contributes to the onset of a setting reaction whose product is magnesium potassium phosphate hydrate. The reactivity of periclase was found to be dependent on the calcination temperature. Lower reaction rates were observed for the MgO obtained at lower temperature. The setting reaction of the magnesium phosphate ceramic has been followed in time up to 6 months by means of the X-rays powder diffraction trechnique. Quantitative phase analysis was performed using the Rietveld method and both crystalline and amorphous phases were quantified. The amount of magnesium potassium phosphate was found to increase with time, and was accompained by a decrease in the amount of the amorphous fraction. This fact supports the hypothesis of the formation of an amorphous precursor of the crystalline MKP during the hydration reaction. SEM images showing elongated magnesium potassium phosphate hydrate crystals emerging from what appears as an amorphous matrix, further confirms this view. Since the mechanical properties of magnesium phosphate ceramics are known to increase with time, we can conclude that the main contribution to the development of strenght comes from the crystalline magnesium potassium phosphate hydrate. In this work, we describe a procedure for simultaneous destruction of asbestos minerals and formation of cementitious compounds, which represents a recycling opportunity for this class of hazardous wastes, bringing benefits in terms of energy requirements and preservation of natural resources in cement manufacturing.

PL

Zgodnie z niedawnymi dyrektywami europejskimi, potrzeba przyjaznego dla środowiska alternatywnego rozwiązania usuwania odpadów niebezpiecznych, takich jak materiałów zawierających azbest, pobudza ich ponowne wykorzystanie jako surowców wtórnych. W tej pracy, magnezowo fosforanowe wyroby ceramiczne zostały wytworzone z użyciem produktów inertyzacji cementu – azbestu. Magnezowo fosforanowe wyroby ceramiczne wykazują interesujące właściwości takie jak dobry opór wodny oraz duża wytrzymałość, co sprawia, że są atrakcyjnym materiałem dla wielu aplikacji. Materiały zawierające azbest zostały zmieszanie w węglanem magnezu i wyżarzone w dwóch różnych temperaturach (1100°C i 1300°C). Podczas obróbki cieplnej następuje całkowite zniszczenie minerałów azbestu wraz z ich transformacją w nowe fazy, oraz krystalizacja MgO z rozpadu węglanu magnezu. Podczas dodawania diwodorofosforanu magnezu do wody, tlenek magnezu jako produkt obróbki cieplnej, przyczynia się do rozpoczęcia reakcji wiązania, której produktem jest hydrat fosforanu magnezu i potasu. Odkryto, że reaktywność peryklazu zależy od temperatury kalcynacji. Niższa szybkość reakcji została zaobserwowana dla MgO uzyskanego w niższej temperaturze. Reakcja wiązania wyrobów ceramicznych magnezowo fosforanowych została przeprowadzona w czasie do 6 miesięcy za pomocą techniki rentgenowskiej dyfrakcji proszkowej. Ilościowe analizy fazowe zostały wykonane z użyciem metody Rietvelda i obliczono zarówno fazę krystaliczną jak i amorficzną. Zauważono, że ilość fosforanu magnezowo potasowego zwiększa się w czasie, i że towarzyszy jej spadek ilości części amorficznej. Fakt ten potwierdza hipotezę powstawania amorficznego prekursora krystalicznego fosforanu magnezowo potasowego podczas reakcji hydracji. Obrazy SEM przedstawiają wydłużone kryształy hydratu fosforanu magnezowo potasowego wyłaniające się, z wyglądającej na amorficzną, macierzy, następnie ten wygląd się potwierdza. Ponieważ wiadomo, że właściwości mechaniczne fosforanu magnezu zwiększają się z czasem, możemy wnioskować, że główny wpływ na zwiększenie się wytrzymałości ma krystaliczny hydrat fosforanu magnezowo potasowego. W pracy tej opisano procedurę jednoczesnego rozpadu minerałów azbestu i tworzenia się związków cementytowych, co wskazuje na możliwość powtórnego przetworzenia tego rodzaju odpadów niebezpiecznych, co przynosi korzyści w kategoriach zapotrzebowania energetycznego i ochrony zasobów naturalnych w przetwórstwie cementu.

Słowa kluczowe

EN

cement-asbestos; magnesium phosphate ceramics; amorphous

PL

cement-azbest; magnez; fosforyty ceramiczne; bezpostaciowość

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Przeróbki Kopalin
• Czasopismo: Inżynieria Mineralna
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 15, nr 2
• Strony: 187--192
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr. zdj.

Twórcy

autor

Perez-Estebanez M.

• Institute of Theoretical and Applied Mechanics ASCR, Centre of Excellence Telč, Batelovská 485-6, CZ- 58856 Telč, Czech Republic

autor

Macova P.

• Institute of Theoretical and Applied Mechanics ASCR, Centre of Excellence Telč, Batelovská 485-6, CZ- 58856 Telč, Czech Republic

autor

Sasek P.

• Institute of Theoretical and Applied Mechanics ASCR, Centre of Excellence Telč, Batelovská 485-6, CZ- 58856 Telč, Czech Republic

autor

Viani A.

• Institute of Theoretical and Applied Mechanics ASCR, Centre of Excellence Telč, Batelovská 485-6, CZ- 58856 Telč, Czech Republic

autor

Gualtieri A.

• Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche, Università di Modena e Reggio Emilia, Via Sant’Eufemia 19, I-41121 Modena, Italy

Bibliografia

• 1. Abruzzese, C. et al. CORDIAM Process: A New Treatment for Asbestos Wastes. EPD Congress, 1998, p. 563-577, ISSN 1079-7580
• 2. Ding, Z. et al. Cementing mechanism of potassium phosphate based magnesium phosphate cement. Ceramics Int., 38, 2012, p. 6281–6288, ISSN: 0272-8842
• 3. Gleichmar, G. et al. Process of treatment and environment friendly utilization of asbestos cement products. US Patent 5,676,750, 1997
• 4. Gualtieri, A.F. Accuracy of XRPD QPA using the combined Rietveld–RIR method. J. Appl. Cryst., 33, 2000, p. 267–278, ISSN: 1600-5767
• 5. Gualtieri, A.F. et al. The transformation sequence of cement–asbestos slates up to 1200 °C and safe recycling of the reaction product in stoneware tile mixtures. J. Haz. Mat., 152, 2008, p. 563-570, ISSN: 0304-3894
• 6. Gualtieri, A.F., Boccaletti, M. Recycling of the product of thermal inertization of cement–asbestos for the production of concrete. Constr.Build. Mat., 25 (8), 2011, p. 3561-3569, ISSN: 0950-0618
• 7. Hall, D.A. et al. Effect of water content on the structure and mechanical properties of magnesia-phosphate cement mortar. J. Am. Ceram. Soc., 81(6), 1988, p. 1550–1556, ISSN: 1551-2916
• 8. Larson, A.C., Von Dreele, R.B. Generalized Structure Analysis System (GSAS). Los Alamos National Laboratory Report LAUR 86-748, 1999
• 9. Leonelli, C.P. et al. Microwave thermal inertisation of asbestos containing waste and its recycling in traditional ceramics. J. Haz. Mat., 135, 2006, p. 149-155, ISSN: 0304-3894
• 10. Rietveld, H.M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. J. Appl. Cryst., 2, 1969, p. 65–71, ISSN: 1600-5767
• 11. Roy, D.M. New strong cement materials: chemically bonded ceramics, Science, 235, 1987, p. 651–658, ISSN: 0036-8075
• 12. Soudée, E., Péra, J. Influence of magnesia surface on the setting time of magnesia–phosphate cement. Cem. Concr. Res., 32(1), 2002, p. 153–157, ISSN: 0008-8846
• 13. Sprung, S. et al. Environmentally compatible utilization of asbestos cement products. ZKG Int., 51(10), 1998, p. 527–41, ISSN: 0722-4397
• 14. Toby, B.H. EXPGUI, a graphical user interface for GSAS. J. Appl. Cryst., 34, 2001, p. 210–213, ISSN: 1600-5767
• 15. Viani, A., Gualtieri, A.F. Recycling the product of thermal transformation of cement-asbestos for the preparation of calcium sulfoaluminate clinker. J. Haz. Mat., 260, 2013, p. 813-818, ISSN: 0304-3894
• 16. Viani, A. et al. Crystal chemistry of the high temperature product of transformation of cement-asbestos J. Haz. Mat., 248-249, 2013, p. 69-80, ISSN: 0304-3894
• 17. Viani, A., Gualtieri, A.F. Preparation of magnesium phosphate cement by recycling the product of thermal transformation of asbestos containing wastes. Cem. Concr. Res., 58, 2014, p. 56-66, ISSN: 0008-8846
• 18. Wagh, A.S. Chemically bonded phosphate ceramics: 21st century materials with diverse applications. Amsterdam: Elsevier, 2004, p. 97–111, ISBN: 978-0-08-044505-2