האם ניתן להשתמש בפסולת אלקטרו קרמיקה טהורה לסינתזה של קרמיקה מולליט?

חלק מהפסולת התעשייתית הוכחה כמועילה בייצור של קרמיקה מולליט. פסולת תעשייתית זו עשירה בתחמוצות מתכות מסוימות כגון סיליקה (SiO2) ואלומינה (Al2O3). זה נותן לפסולת את הפוטנציאל לשמש כמקור חומר מוצא להכנת קרמיקה מולליט. מטרת מאמר סקירה זה היא לאסוף ולסקור שיטות שונות להכנת קרמיקה מולליט אשר השתמשו במגוון של פסולת תעשייתית כחומרי מוצא. סקירה זו מתארת ​​גם את טמפרטורות הסינטר והתוספים הכימיים המשמשים בתכשיר והשפעותיו. השוואת חוזק מכני והתפשטות תרמית של קרמיקת המוליט המדווחת שהוכנה מפסולת תעשייתית שונה טופלה גם היא בעבודה זו.

Mullite, המכונה בדרך כלל 3Al2O3∙2SiO2, הוא חומר קרמי מצוין בשל תכונותיו הפיזיקליות יוצאות הדופן. יש לו נקודת התכה גבוהה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, חוזק גבוה בטמפרטורות גבוהות, ובעל עמידות בפני זעזועים תרמיים וזחילה [1]. תכונות תרמיות ומכניות יוצאות דופן אלו מאפשרות להשתמש בחומר ביישומים כגון חסיני אש, רהיטי כבשן, מצעים לממירים קטליטיים, צינורות תנורים ומגני חום.

ניתן למצוא מולליט רק כמינרל נדיר באי מול, סקוטלנד [2]. בשל קיומה הנדיר בטבע, כל קרמיקת המוליט המשמשת בתעשייה היא מעשה ידי אדם. מחקר רב נעשה להכנת קרמיקה מולליט באמצעות מבשרים שונים, החל מכימיקלים תעשייתיים/מעבדתיים [3] או מינרלים אלומינוסיליקט המופיעים באופן טבעי [4]. עם זאת, העלות של חומרי מוצא אלה היא יקרה, אשר מסונתזים או ממוקמים מראש. במשך שנים חיפשו חוקרים חלופות חסכוניות לסינתזה של קרמיקה מולליט. לפיכך, מספר רב של מבשרי מולליט שמקורם בפסולת תעשייתית דווחו בספרות. לפסולת תעשייתית זו יש תכולה גבוהה של סיליקה ואלומינה שימושיים, שהם התרכובות הכימיות החיוניות הדרושות לייצור קרמיקה מולליט. יתרונות נוספים של שימוש בפסולת תעשייתית אלו הם החיסכון באנרגיה ובעלויות אם הפסולת הופנתה ומנוצלת מחדש כחומר הנדסי. יתר על כן, זה יכול גם לעזור להפחית את הנטל הסביבתי ולהגביר את התועלת הכלכלית שלו.

על מנת לחקור אם ניתן להשתמש בפסולת אלקטרו-קרמיקה טהורה לסינתזה של קרמיקה מולליט, הושוו פסולת אלקטרו-קרמיקה טהורה מעורבת באבקות אלומינה ופסולת אלקטרו-קרמיקה טהורה כחומרי גלם. נחקרו תכונות של קרמיקה מולליט. XRD ו- SEM שימשו כדי לחקור את הרכב הפאזה והמיקרו-מבנה.

התוצאות מראות שתכולת המוליט גדלה עם העלאת טמפרטורת הסינטר, ובמקביל גדלה צפיפות הצבר. חומרי הגלם הם פסולת האלקטרו-קרמיקה הטהורה, ולכן פעילות הסינטר גדולה יותר, וניתן להאיץ את תהליך הסינטר, ולהגדיל גם את הצפיפות. כאשר המוליט מוכן רק על ידי הפסולת האלקטרו-קרמית, צפיפות הצבר וחוזק הלחיצה הם הגדולים ביותר, הנקבוביות הקטנה ביותר והתכונות הפיזיקליות המקיפות יהיו הטובות ביותר.

מונעים על ידי הצורך בחלופות זולות וידידותיות לסביבה, מאמצי מחקר רבים השתמשו במגוון של פסולת תעשייתית כחומרי מוצא לייצור קרמיקה מולליט. שיטות העיבוד, טמפרטורות הסינטר והתוספים הכימיים נסקרו. שיטת עיבוד המסלול המסורתית שכללה ערבוב, לחיצה וסינטר תגובה של מבשר המוליט הייתה השיטה הנפוצה ביותר בשל הפשטות והעלות האפקטיבית שלה. למרות ששיטה זו מסוגלת לייצר קרמיקה מולליט נקבוביות, נקבוביות הנקבוביות של קרמיקת המוליט שנוצרה דווחה להישאר מתחת ל-50%. מצד שני, הוכח כי יציקת הקפאה מסוגלת לייצר קרמיקה מולליט נקבובי מאוד, עם נקבוביות לכאורה של 67%, אפילו בטמפרטורת סינטר גבוהה מאוד של 1500 מעלות צלזיוס. בוצעה סקירה של טמפרטורות הסינטר והתוספים הכימיים השונים המשמשים בייצור מולליט. רצוי להשתמש בטמפרטורת סינטר של מעל 1500 מעלות צלזיוס לייצור מולליט, בשל קצב התגובה הגבוה יותר בין Al2O3 ל- SiO2 במבשר. עם זאת, תכולת סיליקה מופרזת הקשורה לזיהומים במבשר עלולה להוביל לעיוות המדגם או להתכה במהלך סינטר בטמפרטורה גבוהה. באשר לתוספים הכימיים, CaF2, H3BO3, Na2SO4, TiO2, AlF3 ו-MoO3 דווחו ככלי עזר יעיל להורדת טמפרטורת סינטר בעוד שניתן להשתמש ב-V2O5, Y2O3 מסוממים ZrO2 ו-3Y-PSZ כדי לקדם צפיפות לקרמיקה מולליט. סימום עם תוספים כימיים כגון AlF3, Na2SO4, NaH2PO4·2H2O, V2O5 ו-MgO סייע לצמיחה אנזוטרופית של שפם המוליט, אשר שיפר לאחר מכן את החוזק הפיזי והקשיחות של הקרמיקה המוליט.