آنالیز خاکستر و بررسی مخلوط خاکستر

آنالیز خاکستر و بررسی مخلوط خاکستر

باقیمانده ی احتراق بستر سیال موادی هستند که تنها در سال های اخیر، به طور گسترده تولید شده اند. الزاماتی در زمینه ی ارزیابی کیفیت آنها انجام شده است و تجربیات اندکی در این زمینه، وجود دارد.
میزان عناصر موجود در خاکسترهای حاصله از فرایندهای AFBC و PFBC ممکن است بوسیله ی آنالیز فلئورسانس اشعه ی X مشخص شود. برای تعیین میزان اجزایی که ممکن است در آب حل شود (مخصوصا فلزات سنگین)، طیف سنجی جذب اتمی مناسب است. سایر روش ها برای ارزیابی خواص خاکسترها، عبارتند از بررسی میزان کربن باقیمانده، بررسی میزان کلسیم کربنات، اکسید کلسیم آزاد و یون های دو ظرفیتی. همچنین این مهم است که میزان پزلانی شدن این خاکسترها نیز تعیین شود.

اتلاف حاصل از سوختن

نتیجه ی تعیین میزان اتلاف حاصل از سوختن ممکن است به دمای مورد استفاده، وابسته باشد. این واضح است که کل مقدار کربن باقیمانده در دماهایی زیر 700 درجه ی سانتیگراد، اکسید شود. در دمای 500 درجه ی سانتیگراد، یک تجزیه ی منیزیم کربنات، رخ می دهد. تجزیه ی کلسیم کربنات در دمایی در حدود 700 درجه ی سانتیگراد شروع می شود. به هر حال، ذرات بزرگتر نیازمند دماهای بالاتری هستند. یک تجزیه از کلسیم سولفات تنها در دماهای بالاتر از 1100 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود. در حقیقت، تجزیه ی کامل تنها در این دما انجام می شود. اتلاف حاصل از سوختن در دمای 975 درجه ی سانتیگراد، بر اساس بسیاری از استانداردها، به عنوان اتلاف استاندارد برای یک ماده، در نظر گرفته می شود.

تعیین میزان کربن باقیمانده

وسایلی در بازار به فروش می رسند که برای تعیین اتوماتیک میزان کربن فرار طراحی شده اند. این مواد به صورت همزمان هم میزان کربن و هم میزان گوگرد را اندازه گیری می کنند. این وسایل عموماً بر اساس تجزیه ی حرارتی نمونه و تعیین میزان دی اکسید کربن و یا گوگرد، کار می کنند. در حقیقت، در این وسایل از تکنولوژی طیف سنجی فروسرخ، استفاده شده است. کربن آزاد نیز ممکن است به عنوان اتلاف حاصل از احتراق یک نمونه ای اندازه گیری شود که در آن، کلسیم و منیزیم کربنات بواسطه ی اسید هیدروکلریک، تجزیه شده است.

تعیین میزان دی اکسید کربن کربنات ها

دی اکسید کربن اتصال یافته در کربنات ها، ممکن است بوسیله ی روش های ترموگراویمتری، تعیین شود. این کار در دمایی بین 700 تا 900 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود. علاوه بر این، می توان بواسطه ی اندازه گیری حجم دی اکسید کربن آزاد شده، می توان میزان این اکسید را تعیین کرد.

تعیین آهن دو ظرفیتی

مقادیر قابل توجه از آهن دو ظرفیتی ممکن است تنها در خاکسترهای AFBC مشاهده شود. در این مواد، این ماده به صورت مگنتیت وجود دارد. تعیین این آهن دو ظرفیتی مهم است زیرا اکسیداسیون آن و تشکیل یون آهن سه ظرفیتی، ممکن است همراه با انبساط ملات و بتنی باشد که حاوی این خاکسترهاست. روش تعیین آهن (II) بر اساس تیتراسیون با دی کرومات و پس از تجزیه ی نمونه با اسید و در غیاب هوا، انجام می شود.

تعیین آهک آزاد

تعیین آهک آزاد در خاکسترهای فرایند AFBC ضروری است در حالی که خاکسترهای PFBC تنها دارای چند دهم درصد این ماده می باشد. آهک آزاد شامل هیدروکسیدی است که ممکن است به صورت متداول از طریق تیتراسیون با یک اسید و پس از استخراج با محلول آبی ساکاروز، تعیین مقدار شود. یک شیرابه از اتیل استات در بوتانول موجب می شود تا توانایی تعیین کلسیم اکسید آزاد، مقدور شود.

تعیین سولفات ها

مقدار سولفات های موجود در این محصولات معمولاً از میزان گوگرد موجود در سوخت، تخمین زده می شوند. کلسیم سولفات ممکن است همچنین به صورت مستقیم و از طریق آنالیز تفرق اشعه ی X، تعیین شود. در استاندارد EN 196-2، استفاده از روش گراویمتری پیشنهاد شده است. تری اکسید گوگرد که در سولفات کلسیم موجود می باشد، ممکن است با استفاده از آنالیز TG تعیین شود. این تری اکسید از طریق اتلاف جرم ایجاد شده در بین دمای 1100 و 1250، تعیین می شود.

فعالیت پزولانی

فعالیت پزولانی یک ماده، قابلیت این ماده برای واکنش دادن با کلسیم هیدروکسید در حضور آب و تشکیل هیدرات هایی است که دارای خواص سیمانی است. محصولات حاصله از هیدراسیون عبارتند از کلسیم سیلیکات و فازهای هیدراته ای که خاصیت گیرش و سخت شدن دارند. خاکسترهای بادی با آهک بالا دارای خواص خود سخت شونده، هستند. فعالیت پزولانی نه تنها به ترکیب شیمیایی و فازی ماده، بلکه به میزان پراکنده شدن ماده نیز وابسته می باشند. بنابراین، این مهم است که خاکستر مورد استفاده را از نظر این ویژگی، مورد بررسی قرار دهیم. روش های مختلفی برای ارزیابی خاصیت پزولانی یک ماده، توسعه یافته است. روش هایی که به صورت عمده مورد استفاده قرار می گیرد، بر اساس اندازه گیری استحکام فشاری نمونه ها، می باشد. در این حالت، این مهم است که خاکستر بادی با آهک فعال سازی شده باشد و یا با استفاده از سیمان پرتلند. روش های متداول ترین مانند روش بیان شده در استاندارد ASTM C 311 و یا EN 450 توصیف کننده ی روشی مناسب برای تعیین اندیس فعالیت استحکامی است که در اینجا، استحکام فشاری ملات با OPC کنترل شده، با استحکام یک مخلوط حاوی خاکستر بادی، قابل مقایسه می باشد. برخی از روش های سریع نیز که در دماهای بالا انجام می شود، ممکن است نتایج گیج کننده ای ایجاد کنند. در برخی کشورهای اروپایی، آزمون ترمومکانیکی سریع برای بررسی فعالیت پزولانی FA (با استفاده از واکنش نمونه های پودری با یک مخلوط از اسید هیدروکلریک و یا هیدروفلئوریک) استفاده می شود.

تعیین پایداری ابعادی

وجود برخی ناخالصی ها در خاکستر بستر سیال ممکن است موجب افزایش انبساط در مواد تولیدی از این خاکسترها، شود. برای ارزیابی این انبساط که به دلیل وجود آهک آزاد در خاکسترهای فرایند AFBC ایجاد می شود، آزمون Le Chatelier بر طبق استاندارد EN 196-3 انجام می شود. انبساط ایجاد شده به دلیل وجود آهک آزاد و منیزیم اکسید، ممکن است بوسیله ی آزمون اتوکلاو و بر طبق استاندارد ASTM اندازه گیری شود. یک انبساط نیز در صورتی ایجاد می شود که خاکستر حاوی یون های دو ظرفیتی آهن باشد.
یک ویژگی مهم بتن یا ملات، دوام این مواد در برابر سیکل های متعدد یخ زدن و آب شدن می باشد. این گزارش شده است که خاکستر بادی هیچ اثر ظاهری بر روی حفرات هوای ایجاد شده در صدها ماده ندارد. این خاصیت در مواد حاوی خاکستر بستر سیال هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است. در حقیقت، میزان هوای به دام افتاده در داخل مخلوط تازه، به میزان کربن باقیمانده ای وابسته است که در داخل خاکستر، وجود دارد.

استفاده از خاکستر بدون افزودنی ها

حجم خاکستر ایجاد شده در فرایندهای احتراق معمولی و یا احتراق با بستر سیال، قابل توجه است و این ضروری است که راه مناسبی برای استفاده از این مواد، پیدا شود. امروزه، کسر قابل توجهی از این حاکسترها، برای پر کردن فضای زیر زمینی ایجاد شده بوسیله ی معدن کاری زغال سنگ، استفاده می شود. سایر استفاده های متداول از این مواد، شامل اصلاح زمین کشاورزی، تثبیت لجن، ساختمان سزی و تولید مخلوط ملات و یا بتن، استفاده می شود.
یکی از شاخص های مهم در مورد تعیین نحوه ی استفاده از این مواد در بسیاری از کاربردها، کیفیت و میزان اجزای محلول در آب این خاکسترهاست. میزان اجزای نامطلوبی که پس از برخورد با آب، وارد فاز محلول می شود، باید در این کاربردها، اندک باشند. علت این مسئله، احتمال آلوده شدن آب های زیرزمینی می باشد. مقادیر قابل توجه از انیدریت، گوگرد و یون های کلسیم موجود، نیز ممکن است وارد فاز مایع شوند و این مسئله موجب افزایش رسانایی الکتریکی این مواد می شود. غلظت یون های کلسیم و سولفات در این محلول ها، ممکن است از حد مجاز در آب آشامیدنی، بیشتر شود. علاوه بر این، خاکسترهای AFBC همچنین حاوی مقادیر قابل توجهی از آهک آزاد می باشند که این مواد نیز موجب افزایش pH فاز مایع می شود. گاهی اوقات این pH به 11 تا 12.5 نیز می رسد. به هر حال، هم کلسیم سولفات و هم آهک آزاد ممکن است با سایر اجزای خاکستر واکنش دهند و منجر به افزایش حلالیت سایر اجزا می شود. در نتیجه، میزان اجزای وارد شده به محلول، شامل عناصر اندکی هستند که پس از گذشت چندین هفته، این میزان، قابل توجه می شود. برخی اوقات، غلظت های یون های منفرد موجود در این محلول ها، کمتر از محلول های تشکیل شده در زمان برخورد آب با خاک است. اتریانجیت و CS(A)H محصولات اصلی واکنش آب با این مواد هستند. تشکیل این فازها در خاکسترهای بستر سیال، به طور قابل توجهی بیشتر از خاکسترهای بادی متداول است. در مخلوط خاکسترهای فرایند PFBC و آب بدون آهک آزاد، گیرش خمیرهای خالص بدون ایجاد اتریانجیت، ایجاد می شودد. این مسئله موجب ایجاد استحکام 12 MPa پس از 28 روز می شود. گیرش و فرایندد سخت شدن خاکسترهای فرایند AFBC به طور قابل توجهی تحت تأثیر ترکیب آنهاست. به دلیل مقادیر مختلف از آهک آزاد، انیدریت و یون های دو ظرفیتی، برخی خمیرهای تولیدی از خاکسترهای AFBC با آب، دارای گیرش آهسته تر هستند و میزان استحکام 28 روزه ی آنها به 14 MPa نیز می رسد. شکل 1 نشاندهنده ی تغییرات حرارتی مربوط به خاکسترهای بستر سیال و یا سایر اجزای مینرالی در تماس با آب است که با استفاده از کالوریمتر آدیاباتیک، اندازه گیری شده است. این داده ها برای مطالعه ی واکنش های مربوط به گیرش مخلوط های با ترکیب مختلفی خوب است که خاصیت گیرش دارند. در صورت نیاز، استحکام های منتج شده ممکن است با افزودن مقادیر از مواد با فعالیت شیمیایی کمتر، کاهش می یابد. این مسئله برای برخی از کاربردهای ساختمانی مربوط به جاده ها، مناسب می باشد.
یکی از زمینه هایی که در آن، خاکسترهای بستر سیال می توانند به طور موفقیت آمیز، استفاده شوند، بهبود کیفیت خاک می باشد. برای این نوع از کاربردها، خاکسترهای تولید شده با دولومیت ترکیب شده و برای این کاربرد استفاده می شود. اثرات مفید این خاکسترها بر روی خاک، عبارتند از خنثی سازی خاک های اسیدی که بواسطه ی باران های اسیدی ایجاد شده اند. مزیت دیگر این مواد، ایجاد تبادل یون بواسطه ی محصولات با واکنش زئولیتی است که در هیدراسیون این خاکسترها، ایجاد می شود. شاخص هایی وجود دارد که احتمال به دام افتادن یون های سمی موجود در خاک با استفاده از این خاکسترها، وجود دارد. به هر حال، این مسئله تاکنون به صورت سیستماتیک، مورد بررسی قرار نگرفته است.
استفاده از خاکسترهای تولیدی از فرایند AFBC برای خنثی سازی آب های صنعتی مانند پساب صنایع شیمیایی، نیز مورد بررسی قرار گرفته است. برای جلوگیری از آلودگی در طی انتقال، مناسب است که خاکسترها، به صورت قرص در آمده تا از آلوده شدن فضا بوسیله ی آنها، جلوگیری شود.
برخی از انواع خاکسترهای تولیدی از فرایند AFBC که در حقیقت از زغال سنگ های بدون قیر استفاده کرده اند، حاوی 60 % اکسید کلسیم هستند و از این رو، پیش از استفاده در تولید بتن، باید این مواد عمل آوری شوند تا از باد کردن مخلوط های بتنی تولیدی از این مواد، جلوگیری شود. برای فرایند کوئنچ، واحدهای تحت فشار ساخته شده است که در این واحدها، از هیدراسیون پریکلاژ، اطمینان حاصل می شود.

منبع مقاله :
Waste materials used in concrete manufacturing/ Satish Chandra