xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Κρυσταλλική Συµπεριφορά του Συστήµατος SiO 2 -Na 2 O-CaO Ενισχυµένο µε Απόβλητο
Σιδηρουργίας (EAFD)
Ε. Τσιλίκα, Γ. Καϊµακάµης, Γ. ∆ηµητρακόπουλος, Σ. Κόκκου, Θ. Κεχαγιάς, Φ. Κοµνηνού* και Θ. Καρακώστας
Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης
*komnhnoy@auth.gr
Η σκόνη σακόφιλτρων ηλεκτροκαµίνου (EAFD-Electric Arc Furnace Dust) είναι ένα τοξικό απόβλητο το οποίο παράγεται
στις µονάδες ανακύκλωσης χάλυβα. Η ανάµειξη του συγκεκριµένου αποβλήτου µε SiO 2 -Na 2 O-CaO φθηνές πρώτες ύλες σε
κατάλληλες αναλογίες και η κρυστάλλωσή του στους 900 ο C, θερµοκρασία η οποία προσδιορίστηκε µε διαφορική θερµική
ανάλυση, βρέθηκε ότι οδηγεί σε επιτυχή σταθεροποίηση του αποβλήτου [1,2]. Σε µια προσπάθεια να βελτιστοποιηθούν οι
συνθήκες θερµικής κατεργασίας, η συµπεριφορά του συστήµατος κατά την κρυστάλλωση αλλά και η µικροδοµή των
υαλοκεραµικών που προκύπτουν µελετήθηκαν µε οπτική µικροσκοπία, περίθλαση ακτίνων Χ καθώς και ηλεκτρονική
µικροσκοπία διερχοµένης (ΤΕΜ). Σε µικρούς χρόνους κρυστάλλωσης παρατηρήθηκε ότι ο βολαστονίτης είναι η µοναδική
φάση που κρυσταλλώνεται. Όσο ο χρόνος κρυστάλλωσης αυξάνεται κρύσταλλοι διοπσίτη σε επαφή µε το βολαστονίτη
αρχίζουν να εµφανίζονται. Η χρονική εξέλιξη του µηχανισµού κρυστάλλωσης του συστήµατος µελετήθηκε σε µια
προσπάθεια να διευκρινισθεί η εµφάνιση του διοπσίτη σε ένα σύστηµα του όποιου η χηµική σύσταση δεν ευνοεί τη
δηµιουργία της συγκεκριµένης φάσης. Οι τοπικές διακυµάνσεις στην κατανοµή των συστατικών του EAFD όπως Fe, Zn,
Mg, οι οποίες επέρχονται µε το χρόνο φαίνεται να επηρεάζουν σηµαντικά το είδος των δοµών που κρυσταλλώνονται και οι
οποίες ανήκουν στην πολυσωµατική οικογένεια των πυρόξενων-πυροξενοείδών µε αποτέλεσµα να ευνοούν τη δηµιουργία
ορισµένων µελών της συγκεκριµένης σειράς. Υαλοκεραµικά µε κύριες κρυσταλλικές φάσεις βολαστονίτη ή/και διοπσίτη
εµφανίζουν πολύ καλές µηχανικές ιδιότητες και χρησιµοποιούνται ως δοµικά υλικά [3].
Οι πυρόξενοι και τα πυροξενοειδή αποτελούν µια πολυσωµατική οικογένεια πυριτικών ενώσεων απλής αλυσίδας µε
χηµικό τύπο ΜSiO 3 όπου Μ είναι τα δισθενή κατιόντα Ca, Mg, Fe, Mn. Οι αλυσίδες των πυριτικών τετραέδρων
κατευθύνονται κατά µήκος της διεύθυνσης (100) κι εναλάσσονται µε επιπέδα τα οποία περιλαµβάνουν τα δισθενή κατιόντα.
Η περιοδικότητα των πυριτικών τετραέδρων και η κατανοµή των δισθενών κατιόντων καθορίζουν τα διάφορα µέλη της
οικογένειας της οποίας τα δύο ακραία µέλη είναι ο βολαστονίτης (πυροξενοειδές) και οι κλινοπυρόξενοι (π.χ. διοπσίτης).
Μεταβολές στην πίεση, τη θερµοκρασία ή το µέγεθος των κατιόντων έχει βρεθεί ότι επιφέρουν αλλαγές στην περιοδικότητα
των αλυσίδων και κατ’ επέκταση µεταβολές φάσης [4]. Συγκεκριµένα οι µεταβολές φάσης οι οφειλόµενες σε ιοντική
αντικατάσταση εξαρτώνται από την ποσότητα και το µέγεθος των προς αντικατάσταση κατιόντων (Mg, Fe, Mn, Ca).
Πίνακας 1 Χηµική σύσταση υαλοκεραµικού
SiO 2 (%) Na 2 O (%) CaO (%) EAFD (%)
EAFD 55 5 25 15
Πίνακας 2 Χηµική σύσταση σκόνης EAFD
MgO Al 2 O 3 SiO 2 K 2 O CaO MnO Fe 2 O 3 ZnO PbO
(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
EAFD 0.7 0.9 4.1 1.4 4.6 3.3 33.9 34.9 6.2
Στην παρούσα εργασία, πυριτικές ενώσεις της οικογένειας των πυροξενοειδών δηµιουργήθηκαν κατά τη διαδικασία
αδρανοποίησης του αποβλήτου χαλυβουργίας EAFD µε τη µέθοδο της υαλοποίησης. Συγκεκριµένα η σκόνη EAFD (η
σύσταση της οποίας φαίνεται στον Πίνακα 2) αναµείχθηκε µε SiO 2 -Na 2 O-CaO φθηνές πρώτες ύλες σε αναλογία [1,2] η
οποία έχει βρεθεί ότι οδηγεί στην καλύτερη δυνατή κρυστάλλωση (Πίνακας 1). Το προκύπτον µείγµα χυτεύτηκε αρχικά
στους 1400 ο C για τη δηµιουργία του γυαλιού και στη συνέχεια µετατράπηκε σε υαλοκεραµικό στους 900 ο C σε
διαφορετικούς χρόνους κρυστάλλωσης (15 min, 30 min, 2 h, 60h). Η επιλογή των θερµοκρασιών σε κάθε βήµα έγινε µε
διαφορική θερµική ανάλυση (DTA). Οι διαφορετικοί
Intensity (a.u.)
EAFD 3 T=900 o C t cr
=60 h
EAFD 3 T=900 o C t cr
=2 h
EAFD 3 T=900 o C t cr
=30 min
EAFD 3 T=900 o C t cr
=15 min
10 20 30 40 50 60 70
2θ
Σχήµα 1 Ακτινογραφήµατα XRD των δειγµάτων µε
διαφορετικούς χρόνους κρυστάλλωσης
χρόνοι κρυστάλλωσης οδήγησαν στη δηµιουργία
διαφορετικών υαλοκεραµικών (E1, E2, E3, E4) η
κρυσταλλικότητα και η µικροδοµή των οποίων
µελετήθηκαν µε οπτική µικροσκοπία, περίθλαση
ακτίνων Χ και ηλεκτρονική µικροσκοπία διερχόµενης
δέσµης (ΤΕΜ).
Η περίθλαση ακτίνων Χ (Σχήµα 1) έδειξε σε όλα τα
δείγµατα το βολαστονίτη ως την κύρια κρυσταλλική
φάση. Η άµορφη συνιστώσα η οποία είναι παρούσα σε
όλα τα δείγµατα υποδεικνύει ότι τα προκύπτοντα
υαλοκεραµικά δεν είναι πλήρως κρυσταλλωµένα. Ο
βολαστονίτης είναι η κρυσταλλική φάση, η οποία
ευνοείται παρουσία της σκόνης EAFD, που δρα ως
πυρηνοποιητής στη συγκεκριµένη θερµοκρασία [2]
Μετά την κρυστάλλωση τα στοιχεία της σκόνης
διαχέονται στην υαλώδη µήτρα, στην γειτονιά των
κρυστάλλων [2,5]. Μελετώντας τη µικροδοµή του
234