Mechanochemická aktivace recyklovaného skla z fotovoltaických panelů jako příměsi do cementových kompozitů
- 17. 4.
- Minut čtení: 9
Ing. George Karra´a, Ph.D., Bc. Anton Handal, Zuzana Kršková
LAVARIS s.r.o., info@lavaris.cz
Abstrakt
Rychlý rozvoj fotovoltaických technologií přináší kromě významných energetických přínosů také rostoucí množství odpadu ve formě vysloužilých panelů. Sklo tvoří jejich dominantní hmotnostní složku, avšak jeho materiálové využití je v současnosti omezené.
Tento článek se zabývá mechanochemickou úpravou skleněné frakce prostřednictvím vysokorychlostního mikromletí a posouzením dosažené granulometrie z hlediska potenciálního využití ve stavebních kompozitech. Experimentální část je zaměřena na technologické ověření mlecího procesu na vysokorychlostní mlecí lince typu MLTO-400.
Výsledky ukazují výrazný posun distribuce velikosti částic směrem k jemným frakcím, což představuje základní předpoklad pro možné využití materiálu jako plniva nebo reaktivní složky v cementových kompozitech.
Současně je zdůrazněno, že samotná granulometrická analýza není dostatečná pro posouzení aplikačního potenciálu a je nutné doplnit mechanické, chemické a mikrostrukturní analýzy. Studie tak představuje technologický základ pro další výzkum využití recyklovaného skla z fotovoltaických panelů ve stavebnictví.
1. Úvod
Dynamický rozvoj fotovoltaických technologií v posledních desetiletích přináší kromě významných přínosů v oblasti obnovitelných zdrojů energie také nové environmentální výzvy. S postupným ukončováním životnosti fotovoltaických panelů, která se obvykle pohybuje v rozmezí 20–30 let, dochází k nárůstu objemu odpadu, jehož efektivní zpracování se stává klíčovým tématem současného výzkumu.
Fotovoltaické panely jsou tvořeny převážně sklem, které představuje až 70 % jejich celkové hmotnosti. Navzdory tomuto vysokému podílu je jeho materiálové využití omezené, zejména z důvodu kontaminace a specifických fyzikálně-chemických vlastností. V současnosti je skleněná frakce využívána převážně nízkohodnotově nebo není dále materiálově zpracována.
Jedním z perspektivních směrů je využití jemně mletého skla ve stavebnictví, například jako plniva nebo částečné náhrady cementu. Při dostatečné jemnosti může sklo vykazovat pucolánovou aktivitu, kdy amorfní oxid křemičitý reaguje s hydroxidem vápenatým za vzniku sekundárních hydratačních produktů typu C-S-H gelu. Tento proces může pozitivně ovlivnit mikrostrukturu a dlouhodobé vlastnosti cementových kompozitů.
Zásadním předpokladem pro využití skla tímto způsobem je dosažení vhodné granulometrie a zvýšení specifického povrchu materiálu. Mechanochemická úprava prostřednictvím vysokorychlostního mletí představuje efektivní nástroj, jak těchto parametrů dosáhnout. Vysokorychlostní mlecí technologie umožňují intenzivní rozrušení částic a jejich zjemnění na úroveň vhodnou pro další materiálové využití.
Cílem tohoto článku je technologicky ověřit proces mechanochemické úpravy pomocí vysokorychlostní mlecí linky typu MLTO-400 a vyhodnotit dosaženou granulometrii. Na základě výsledků je následně diskutován potenciál takto upraveného materiálu pro využití ve stavebních kompozitech a identifikovány klíčové kroky pro jeho další výzkum.
2. Materiály a metody
2.1 Koncept experimentu
Experimentální část byla navržena s cílem ověřit technologickou vhodnost mechanochemické úpravy skleněné frakce z vysloužilých fotovoltaických panelů pomocí vysokorychlostního mletí a posoudit dosaženou granulometrii z hlediska potenciálního využití ve stavebních kompozitech.
Důraz byl kladen především na:
schopnost technologie zajistit dostatečné zjemnění materiálu
stabilitu mlecího procesu
dosažitelnou distribuci velikosti částic
Zvolený přístup vychází z předpokladu, že granulometrie představuje klíčový parametr pro následné využití materiálu jako plniva nebo potenciálně reaktivní složky v cementových kompozitech.
2.2 Materiál
Uvažovaným vstupním materiálem je skleněná frakce z vysloužilých fotovoltaických panelů.
Tento materiál je charakteristický:
vysokým obsahem amorfního oxidu křemičitého
relativně vysokou tvrdostí
přítomností doprovodných složek (např. zbytky polymerních vrstev nebo kovových částí)
Z hlediska zpracování se jedná o materiál, který klade zvýšené nároky na technologii mletí, zejména z důvodu:
abrazivního působení na mlecí elementy
heterogenity vstupního materiálu
požadavku na dosažení jemné frakce
V rámci této prezentace je důraz kladen na technologické ověření procesu mletí a posouzení dosažitelné granulometrie.
2.3 Sítová analýza vstupního materiálu
Granulometrické složení vstupního materiálu bylo stanoveno sítovou analýzou dle normy ČSN EN 933-1 (72 1162).
Měření bylo provedeno pomocí soustavy sít s definovanými velikostmi ok, přičemž jednotlivé frakce byly stanoveny jako hmotnostní podíl z celkového množství vzorku.
Výsledky sítové analýzy jsou uvedeny v Tab. 1.
Frakce (mm) | Originál vstupní materiál | |
>16 mm | 26,80 % | 268 g |
8 - 16 mm | 21,50 % | 215 g |
4 - 8 mm | 24,60 % | 246 g |
0 - 4 mm | 26,90 % | 269 g |
Součet | 99,80 % | 998 g |
Graf č. 1 Síťová analýza vstupního materiálu
3. Výsledky a diskuze
3.1 Granulometrická charakteristika vstupního materiálu
Granulometrické složení vstupního materiálu, stanovené dle ČSN EN 933-1 (72 1162), je uvedeno v Tab. 1 a graficky znázorněno na graf. 1.
Z výsledků je patrné, že vstupní materiál je tvořen širokým spektrem velikostních frakcí. Nejvyšší podíl představují frakce nad 16 mm (26,80 %) a frakce 0–4 mm (26,90 %), přičemž významně jsou zastoupeny také frakce 4–8 mm (24,60 %) a 8–16 mm (21,50 %).
Celkově více než 70 % materiálu tvoří částice větší než 4 mm, což potvrzuje hrubozrnný charakter vstupního materiálu.
Takto definovaná vstupní granulometrie představuje vhodný výchozí stav pro posouzení účinnosti mechanochemické úpravy, jelikož umožňuje jednoznačně sledovat míru rozrušení částic během mlecího procesu.
3.2 Granulometrická charakteristika výstupního materiálu
Součástí mlecí linky pro mechanochemickou úpravu skleněné frakce z vysloužilých fotovoltaických panelů typu MLTO-400 je dvoustupňový separační systém tvořený dvěma cyklony. Tento systém umožňuje postupnou klasifikaci materiálu na základě velikosti částic.
V prvním cyklonu dochází k separaci hrubších frakcí, zatímco druhý cyklon slouží k zachycení jemnějších částic, které jsou z hlediska dalšího materiálového využití vhodnější.
Granulometrické složení materiálu po mechanochemické úpravě, separovaného v jednotlivých cyklonech, je uvedeno v Tab. 2 a graficky znázorněno na Graf. 2.
Frakce (mm) | Výstupní materiál z 1. Cyklonu | Výstupní materiál z 2. Cyklonu | ||
0,25- 0,8 mm | 12 % | 12 g | - | - |
0,16 – 0,25 mm | 13 % | 13 g | 2,4 % | 2,4 g |
0,1 -0,16 mm | 15,2 % | 15,2 g | 7,3 % | 7,3 g |
0,5-0,1 mm | 23,3 % | 23,3 g | 36,2 % | 36,2 g |
<0,5 mm | 36,4 % | 36,4 g | 53,4 % | 53,4 g |
Součet | 99,9 % | 99,9 g | 99,3 % | 99,3 % |
Grafy č. 2 Síťová analýza výstupního materiálu
3.2.1 Interpretace výsledků
Z výsledků je patrné, že druhý cyklon zachycuje výrazně jemnější frakci materiálu. Zatímco v prvním cyklonu jsou zastoupeny i hrubší částice, ve druhém cyklonu dochází k výrazné koncentraci jemných frakcí.Podíl částic menších než 0,1 mm ve druhém cyklonu dosahuje přibližně 89,6 %, což potvrzuje vysokou účinnost separačního systému při získávání jemně disperzního materiálu.
Tento dvoustupňový systém tak umožňuje efektivní oddělení frakcí a cílené získání materiálu s granulometrií vhodnou pro další využití, zejména ve stavebních kompozitech.
3.3 Porovnání vstupního a výstupního materiálu
Porovnání granulometrického složení vstupního materiálu (graf č. 1) a výstupních frakcí z jednotlivých stupňů separace (graf.č.2) dokumentuje celkovou změnu charakteru materiálu v průběhu zpracování.
Zatímco vstupní materiál vykazuje výrazně heterogenní a hrubozrnný charakter, po průchodu mlecí linkou dochází k jeho transformaci na jemně disperzní systém. Tato změna není dána pouze samotným mletím, ale také následnou klasifikací pomocí dvoustupňového cyklonového systému.
Rozdíl mezi jednotlivými výstupy je patrný zejména ve funkci separace. První cyklon zachycuje širší spektrum frakcí, zatímco druhý cyklon umožňuje selektivní získání jemné frakce s úzkým rozsahem velikosti částic.
Významným aspektem je skutečnost, že druhý cyklon neplní pouze separační funkci, ale představuje klíčový prvek pro řízení kvality výsledného produktu. Umožňuje tak cíleně získat materiál s parametry odpovídajícími požadavkům na další využití. Z technologického hlediska tedy kombinace mletí a dvoustupňové separace představuje efektivní způsob úpravy materiálu, který umožňuje nejen jeho zjemnění, ale i kontrolu výsledné granulometrie.
3.4 Hodnocení procesu mletí
Na základě provedeného experimentu lze proces mechanochemické úpravy realizovaný na vysokorychlostním mlýně hodnotit jako technologicky stabilní a vhodný pro zpracování skleněné frakce.
Zásadním prvkem celého systému je kombinace vysokorychlostního mletí a následné dvoustupňové cyklonové separace. Samotný vysokorychlostní mlýn zajišťuje intenzivní mechanické namáhání částic vedoucí k jejich rozrušení, zatímco cyklonový systém umožňuje jejich následnou klasifikaci podle velikosti.
Z provozního hlediska byl proces charakterizován:
plynulým a kontinuálním chodem vysokorychlostního mlýna
stabilní funkcí separace v obou cyklonech
možností ovlivnění kvality výstupní frakce prostřednictvím druhého cyklonu
Lokálně bylo pozorováno ulpívání jemných částic na vnitřních částech vysokorychlostního mlýna a navazujících potrubních trasách. Tento jev je typický pro jemně mleté materiály a může souviset s jejich zvýšenou měrnou plochou a případnou vlhkostí. V daném případě však neměl zásadní vliv na stabilitu procesu ani na kvalitu výstupních frakcí.
Z technologického hlediska lze proces hodnotit jako účinný nástroj pro přípravu jemně disperzního materiálu s možností jeho cílené klasifikace.
3.5 Význam z hlediska dalšího využití
Dosažené výsledky ukazují, že mechanochemická úprava pomocí vysokorychlostního mlýna ve spojení s dvoustupňovou cyklonovou separací umožňuje získat jemně disperzní materiál s kontrolovanou granulometrií.
Takto upravená skleněná frakce může nacházet uplatnění ve stavebních kompozitech, zejména jako plnivo (filer) nebo jako částečná náhrada cementu [3].
Z hlediska materiálového působení lze u jemně mletého skla uvažovat dva základní mechanismy:
Filerový efekt
Jemné částice vyplňují póry v cementové matrici a přispívají ke zhutnění struktury [3].
Pucolánová aktivita
Při dostatečné jemnosti může amorfní oxid křemičitý reagovat s hydroxidem vápenatým za vzniku hydratačních produktů typu C-S-H gelu [4,1].
Reaktivita skla přitom výrazně závisí na velikosti částic a roste s jejich zjemněním [4].
Velmi jemně mleté sklo může vykazovat pucolánové vlastnosti a podílet se na sekundární hydrataci cementu, což může vést ke zlepšení dlouhodobých mechanických vlastností kompozitu [1].
Kromě toho může jemně mleté sklo ovlivnit reologické vlastnosti směsi, zejména díky nízké nasákavosti a charakteru povrchu částic [5].
Významným aspektem je rovněž environmentální přínos využití odpadního skla, který spočívá ve snížení potřeby primárních surovin a omezení skládkování [3].
Z hlediska dosažených výsledků je klíčová zejména frakce získaná ve druhém cyklonu, která svým charakterem odpovídá požadavkům na jemně disperzní materiály používané ve stavebnictví.
3.6 Omezení a další směřování výzkumu
Přestože dosažené výsledky potvrzují vysokou účinnost mechanochemické úpravy realizované na vysokorychlostním mlýně a efektivitu dvoustupňové cyklonové separace, je nutné zdůraznit omezení této studie.
Hodnocení materiálu bylo v této práci založeno primárně na granulometrické analýze, která poskytuje informace o distribuci velikosti částic, avšak neumožňuje komplexní posouzení jeho chování ve stavebních kompozitech. Samotná velikost částic sice představuje klíčový parametr z hlediska potenciální reaktivity, nicméně bez doplnění dalších analýz nelze jednoznačně určit skutečný vliv materiálu na vlastnosti cementových směsí.
Pro komplexní posouzení aplikačního potenciálu skleněné frakce z vysloužilých fotovoltaických panelů je nezbytné doplnit zejména:
mechanické zkoušky (pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu) dle příslušných norem
chemickou charakterizaci materiálu (např. obsah SiO₂ a alkálií)
mikrostrukturní analýzu (např. SEM, XRD)
stanovení specifického povrchu (např. Blaine, BET)
Dále je nutné experimentálně ověřit chování materiálu přímo v cementových kompozitech, zejména jeho vliv na hydratační procesy, vývoj pevností a dlouhodobou trvanlivost.
Pozornost by měla být věnována také potenciálním rizikům spojeným s využitím skla ve stavebních materiálech. Zejména se jedná o alkali-křemičitou reakci, která může při nevhodných podmínkách vést k objemovým změnám a degradaci materiálu. Toto riziko je však výrazně závislé na velikosti částic a může být omezeno při použití dostatečně jemně mletého skla.
Z technologického hlediska je dalším směrem výzkumu optimalizace parametrů mletí a separace, zejména ve vztahu k dosažení požadované jemnosti materiálu ve druhém cyklonu. Právě tato frakce se jeví jako nejperspektivnější z hlediska dalšího využití.
Budoucí výzkum by se měl zaměřit na kvantifikaci vlivu jednotlivých frakcí na vlastnosti cementových kompozitů a na ověření optimálního dávkování materiálu v reálných směsích.
4. Závěr
Cílem této práce bylo ověřit technologickou vhodnost mechanochemické úpravy skleněné frakce z vysloužilých fotovoltaických panelů pomocí vysokorychlostního mletí a posoudit dosaženou granulometrii z hlediska jejího potenciálního využití ve stavebních kompozitech.
Výsledky prokázaly, že vysokorychlostní mlýn ve spojení s dvoustupňovým cyklonovým separačním systémem umožňuje efektivní zjemnění materiálu a jeho následnou klasifikaci podle velikosti částic. Zatímco první cyklon zachycuje širší spektrum frakcí, druhý cyklon umožňuje získání jemné frakce s granulometrií vhodnou pro další materiálové využití.
Došlo k transformaci materiálu z původně hrubozrnné struktury na jemně disperzní systém, přičemž právě frakce zachycená ve druhém cyklonu představuje z hlediska aplikace nejperspektivnější výstup.
Dosažená granulometrie vytváří předpoklad pro využití materiálu jako plniva nebo potenciálně reaktivní složky v cementových kompozitech, zejména s ohledem na známé chování jemně mletého skla popsané v odborné literatuře [1,4].
Současně však bylo potvrzeno, že samotná granulometrická analýza není dostačující pro komplexní posouzení jeho vlastností a je nutné doplnit další experimentální ověření.
Pro další výzkum je nezbytné doplnit mechanické, chemické a mikrostrukturní analýzy a experimentálně ověřit chování materiálu přímo v cementových směsích.
Z technologického hlediska se zároveň ukazuje, že mobilní linka MLTO-400 není omezena pouze na zpracování skleněné frakce z fotovoltaických panelů, ale je vhodná i pro úpravu dalších materiálů, zejména betonu, kameniva, strusek či popílku. Tato variabilita výrazně rozšiřuje možnosti jejího praktického využití v oblasti recyklace a zpracování druhotných surovin.
Tato práce tak představuje technologický základ pro další výzkum a vývoj využití recyklovaného skla z fotovoltaických panelů ve stavebnictví.
5. Literatura
[1] DU, H.; TAN, K. H.
Properties of high volume glass powder concrete. Cement and Concrete Composites. 2017, roč. 75, s. 22–29. ISSN 0958-9465.
[2] PENACHO, P.; DE BRITO, J.; VEIGA, M. R.
Physico-mechanical and performance characterization of mortars incorporating fine glass waste aggregate. Cement and Concrete Composites. 2014, roč. 50, s. 47–59. ISSN 0958-9465.
[3] MÁČALOVÁ, K.; VÁCLAVÍK, V.; DVORSKÝ, T.; FIGMIG, R.; CHARVÁT, J.; LUPTÁK, M.
The use of glass from photovoltaic panels at the end of their life cycle in cement composites. Materials. 2021, roč. 14, č. 21, čl. 6553. ISSN 1996-1944.
[4] SHI, C.; WU, Y.; RIEFEL, C.; WANG, H.
Characteristics and pozzolanic reactivity of glass powders. Cement and Concrete Research. 2005, roč. 35, č. 5, s. 987–993. ISSN 0008-8846.
[5] CHEN, W.; BROUWERS, H. J. H.
The effect of glass powder on the hydration of cement. Construction and Building Materials. 2010, roč. 24, č. 11, s. 2006–2012. ISSN 0950-0618.
Komentáře