Ανάπτυξη και αξιολόγηση υάλων χαμηλών θερμοκρασιών μετάβασης για αδρανοποίηση βαρέων μετάλλων

Abstract

This study deals with the preparation and the investigation of new glasses designed for the immobilization of heavy metals entrapped in aluminosilicate minerals (perlite and bentonite). The aluminosilicate minerals were used to adsorb heavy metal ions (copper and lead). Then they were glassified by incorporation within a borate glass. Finally, the properties and the ability of the final glasses to retain heavy metals in their structure were evaluated. The structural study of the glassified samples and the precursor glasses was accomplished by the use of infrared spectroscopy and Raman spectroscopy. The properties of the glassified samples and the precursor glasses that were investigated in this work include density, molecular volume, glass transition temperature, thermal expansion coefficient, chemical durability, and leachability of heavy metals from the glassified samples. These properties were then related with the structure of the resulted glasses. The results yielded from this work were quite encouraging. Particularly, glassification of aluminosilicate minerals bearing heavy metals was achieved by incorporation within a diborate glass. The amount of aluminosilicate minerals added in the reagents batch was up to 60 %w/w whereas the melting temperature did not exceed 1000°C. The glassified samples that embodied 60%w/w aluminosilicate minerals exhibited an excellent chemical durability whereas they displayed a high ability to retain heavy metals in their structure. In especially, their heavy metal retaining ability was 200 times greater than that of the precursor diborate glass. These results are directly associated with the structure of the glassified samples, especially with the formation of Si-O-Si bridges, as it was demonstrated by the structural analysis.

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε η παρασκευή και η μελέτη νέων υάλων νια την ακινητοποίηση-παγίδευση βαρέων μετάλλων, τα οποία είναι προσροφημένα σε αργιλοπυριτικά ορυκτά (περλίτη και μπεντονίτη Zenith-N). Τα συστήματα αργιλοπυριτικά ορυκτά-βαρέα μέταλλα υαλοποιήθηκαν με τη βοήθεια βορικών υάλων και στη συνέχεια αξιολογήθηκαν οι ιδιότητές τους και η ικανότητά τους να συγκρατούν στη δομή τους τα βαρέα μέταλλα. Η μελέτη της δομής των υαλοποιημένων συστημάτων, καθώς και πρόδρομων υάλων που αξιολογήθηκαν ως προς τη δυνατότητα χρησιμοποίησης στην υαλοποίηση των αργιλοπυριτικών ορυκτών, πραγματοποιήθηκε μέσω των δονητικών Φασματοσκοπικών μεθόδων IR και Raman. Οι ιδιότητες των πρόδρομων υάλων και των υαλοποιημένων συστημάτων που μελετήθηκαν και στη συνέχεια συσχετίστηκαν με τη δομή τους περιλαμβάνουν την πυκνότητα, το μοριακό όγκο, τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, το συντελεστή θερμικής διαστολής, τη χημική ανθεκτικότητα και τη διαλυτότητα των βαρέων μετάλλων από τα υαλοποιημένα συστήματα. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά, καθώς πραγματοποιήθηκε η υαλοποίηση αργιλοπυριτικών ορυκτών, με τη συμβολή μιας διβορικής υάλου, σε περιεκτικότητα στα αρχικά αντιδραστήρια έως 60%κβ σε θερμοκρασίες έως 1000°C. Τα υαλοποιημένα συστήματα με τη μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε αργιλοπυριτικά ορυκτά (60%κβ) εμφάνισαν πολύ καλή χημική ανθεκτικότητα και αύξησαν την ικανότητα της πρόδρομης βορικής υάλου να συγκρατεί στη δομή της τα βαρέα μέταλλα έως και 200 φορές. Τα αποτελέσματα αυτά συνδέονται άμεσα με τη δομή των υαλοποιημένων συστημάτων και με την δημιουργία γεφυρών Si-Ο-Si στη δομή τους, όπως καταδεικνύουν τα Φασματοσκοπικά δεδομένα.