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