Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Fabrication of ceramic aggregate based on phosphogypsum and power plant ashes – preliminary studies

Paulina Urbańska

Abstract

Orthophosphoric acid is an important half-product in the production of phosphoric fertilizer. One of the method of the production of orthophosphoric acid is called “wet process”. This method has extremely substantial disadvantage which is creating hefty amount of chemical waste – phosphogypsum (PG). For every ton of orthophosphoric acid made, approximately five ton of phosphogypsum are created. PG is mainly composed of calcium sulphate dihydrate (gypsum) which is 94 –96% by weight. Due to hydronium ions, PG is considered to be acidic. It also contains trace metals and radionuclides. Mostly because of its composition, worldwide utilization of PG is estimated to be around 3 – 5%. The rest of PG is disposed of in stockpiles. The largest stockpile in Poland containing 85 million tons of waste is in Police. Power plant ashes are the next thoroughly gathered waste and because of the fact that national generation of the electricity is mainly based on a combustion of fossil fuels in 2010 agglomeration of fly ash in stockpiles reached 18,5 million tons and 253,7 million tons of dust – slag compounds. Main components are SiO2 and Al2O3 which provide essential pozzolanic properties in terms of using ashes in new applications and many more mineral components. As well as PG, power plant ashes contain trace metals and radionuclides. In the last year in the Department of Inorganic Technology and Ceramics of Warsaw University of Technology the research on the fabrication of lightweight sintered aggregate was successfully finished and the technology is being completed. Upon this success it has 52 been decided to go further and attempt to fabricate ceramic aggregate based on phosphogypsum. Results and discussion The purpose of these studies was to prepare two compositions of fly ash and phosphogypsum. The content of PG was 95 and 50% by weight and fly ash 5 and 50% by weight respectively. The mixtures were subjected to thermogravimetric and differential thermal analyses coupled with quadruple mass spectrometer (TG-QMS). After the agglomeration with water as a binder the granules were obtained. Next step was a sintering process of the granules in the atmosphere of air in the muffle furnace. The temperatures of sintering were 1050, 1100 and 1130°C, the time of sintering were one or two hours and the rate of temperature were 7°C or 8°C per minute. Received aggregate was examined concerning compression strength, porosity and absorption of water. All the results were compared with the results obtained for commercial lightweight aggregate made of ash. It was also determined phase and quantitative composition of aggregate by X – ray Powder Diffraction (PXRD). Thermogravimetric and differential thermal analyses showed that above 1200°C SO2 and CO2 start to emit while there was no emission of fluorine or its oxide. The agglomeration of compositions run easily and as a result granules of good mechanical strength were obtained what has favorable influence on further processes and the need of transportation of granules as well. Higher temperatures of sintering, a longer time of sintering and reducing the rate of temperature have beneficial impact on the quality of obtained aggregate. PXRD showed that the aggregate with 95% by weight content of PG contain no amorphous phase and fluorine appears in carbonate hydroxyl fluorapatite. Conclusions The best parameters of sintering were: the temperature of sintering of the order of 1130°C, two hours time of sintering and the rate of sintering of the order of 7°C per minute. As a result of sintering under such conditions it was possible to obtain aggregate which had higher mechanical strength and comparable porosity and absorption of water in relation to commercial aggregate from ash. On further research it is necessary to investigate the leachability of fluorine from 95-5 aggregate to check if it is possible to use in the production of concrete and also to measure the emission stream of SO2 during the sintering. 53 The fundamental aim of these preliminary studies was to settle the question if there is possibility to utilize phosphogypsum by using it in the production of lightweight aggregate and on the basis of obtained results it can be ascertained that there is.
Record ID
WUT6faa0a645c2b450f85924c5a9b5a1528
Diploma type
Master of Science
Author
Paulina Urbańska Paulina Urbańska,, Undefined Affiliation
Title in Polish
Otrzymywanie kruszywa ceramicznego z fosfogipsu i popiołów elektrownianych – badania wstępne
Supervisor
Janusz Sokołowski (FC/CChT) Janusz Sokołowski,, Chair of Chemical Technology (FC/CChT)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Chair of Chemical Technology (FC/CChT)
Study subject / specialization
, Technologia Chemiczna
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
19-06-2012
Issue date (year)
2012
Keywords in Polish
-
Keywords in English
-
Abstract in Polish
Kwas ortofosforowy jest ważnym półproduktem stosowanym w produkcji nawozów fosforowych. Jedną z metod jego wytwarzania jest metoda roztworowa, której poważną wadą jest powstawanie dużych ilości produktu odpadowego jakim jest fosfogips. Na każdą tonę wyprodukowanego kwasu ortofosforowego powstaje ok. 5 ton fosfogipsu. W odpadzie tym, oprócz gipsu, którego jest 94 – 96% masowych, znajdują się nieodmyte do końca jony wodorowe, które nadają fosfogipsowi odczyn silnie kwaśny, i których odmycie jest dość kosztowne, oraz metale ciężkie i pierwiastki promieniotwórcze. Z tych powodów światowe wykorzystanie fosfogipsu waha się w granicach 3 – 5%. Reszta gromadzona jest na hałdach. W Polsce największa hałda, szacowana na ok. 85 mln ton, znajduje się w Policach. Kolejnym gromadzonym od lat odpadem są popioły elektrowniane, a ponieważ energetyka krajowa oparta jest przede wszystkim na spalaniu paliw stałych, do roku 2010 zgromadzono na hałdach 18,5 mln ton popiołów lotnych i 253,7 mln ton mieszanki popiołowo – żużlowej. Popioły zawierają w swoim składzie SiO2 i Al2O3, nadające im przydatne, z punktu widzenia ponownej obróbki, własności pucolanowe a także szeroką gamę innych składników mineralnych oraz śladowe ilości metali ciężkich i pierwiastków promieniotwórczych. Ponieważ w ubiegłym roku w ZTNiC PW udało się z sukcesem sfinalizować prace badawcze nad otrzymaniem kruszywa lekkiego z popiołów elektrownianych i obecnie technologia ta jest już na etapie wdrożenia, postanowiono pójść o krok dalej i spróbować otrzymać kruszywo ceramiczne także na bazie lub z dodatkiem fosfogipsu. 49 Wyniki i dyskusja Celem badań było sporządzanie dwóch mieszanek popiołowo – fosfogipsowych, w których zawartość fosfogipsu wynosiła 95 oraz 50% wagowych a resztę stanowił popiół lotny. Skład mieszanek uzupełniono drobno zmielonym węglem do 8% sumarycznej jego zawartości. Przygotowane mieszanki poddano analizie termicznej sprzężonej ze spektrometrem masowym. Po etapie granulacji mieszanek z wodą, jako czynnikiem aglomerującym, otrzymano granulat. Następnie granulat spiekano w piecu muflowym w atmosferze powietrza. Spiekanie prowadzono w temperaturach 1050, 1100 oraz 1130°C w czasie spiekania równym jednej lub dwóm godzinom z szybkością wzrostu do temperatury spiekania wynoszącą 7°C lub 8°C na minutę. Tak otrzymane kruszywo zbadano pod względem wytrzymałości na ściskanie, porowatości otwartej oraz nasiąkliwości. Uzyskane wyniki porównywane były z wynikami dla handlowego kruszywa lekkiego z popiołu. Oznaczono również ilościowy oraz jakościowy skład fazowy kruszywa metodą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej. Analiza termograwimetryczna ujawniła wydzielanie się gazów CO2 i SO2 powyżej temperatury 1200°C, natomiast nie wydzielał się fluor ani jego tlenek. Granulacja mieszanek przebiegła łatwo a w jej wyniki uzyskano wytrzymały mechanicznie granulat surowy, co korzystnie wpływa na dalsze procesy obróbki i związaną z tym potrzebę transportu granulatu. Zastosowanie coraz wyższych temperatur spiekania, dłuższego czasu spiekania oraz obniżenie szybkości wzrostu temperatury dodatnio wpłynęło na jakość otrzymanego kruszywa. Analiza fazowa PXRD wykazała, że kruszywo o 95% zawartości fosfogipsu nie zawiera fazy amorficznej, a fluor występuje w węglanie hydroksyfluoroapatytu. Wnioski Najlepszymi parametrami spiekania okazały się być: temperatura spiekania rzędu 1130°C, czas spiekania wynoszący dwie godziny oraz szybkość spiekania równa 7°C na minutę. W wyniku takiego reżimu spiekania udało się otrzymać kruszywo o wyższej wytrzymałości na ściskanie oraz porównywalnej porowatości otwartej i nasiąkliwości wodnej w stosunku do handlowego kruszywa popiołoporytowego. Na etapie dalszych prac konieczne byłoby oznaczenie wymywalności fluoru z kruszywa o 95% zawartości fosfogipsu, aby sprawdzić czy mogłoby być one użyte do produkcji betonu oraz zmierzenie w aparaturze przepływowej strumienia SO2 wydzielającego się podczas spiekania. 50 Przeprowadzone badania, jako wstępne, miały przede wszystkim rozstrzygnąć kwestię zasadności wykorzystania fosfogipsu do otrzymywania lekkiego kruszywa sztucznego. Na podstawie uzyskanych wyników bez wątpienia można stwierdzić, że fosfogips ma potencjał aplikacyjny jako surowiec do produkcji takiego kruszywa.
File
  • File: 1
    praca_mgr_Urbanska_210992.pdf
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUT6faa0a645c2b450f85924c5a9b5a1528/
URN
urn:pw-repo:WUT6faa0a645c2b450f85924c5a9b5a1528

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page