Recycling of waste ceramic rollers for the production of corundum-mullite as a high- alumina synthetic refractory material

Technische Samenvatting: Recycling van afgedankte keramische rollen voor de productie van corundum-mulliet

Probleemstelling
De tegelindustrie, met name in Iran, is sterk afhankelijk van tunnelovens met rollen. Na verloop van tijd breken de keramische rollen die in deze ovens worden gebruikt en worden ze als afval weggegooid. Hoewel onbesmette rollen (van snijafval of ovenuiteinden) zijn onderzocht voor hergebruik, is het merendeel van de afgedankte rollen "besmet" met glazuurlagen. Bij hoge oven temperaturen dringt gesmolten glazuur in het oppervlak van de rol, waardoor een gebonden laag ontstaat die niet op fysieke wijze kan worden verwijderd. Bijgevolg worden deze hoog-alumina afvalmaterialen momenteel weggegooid, wat zowel een milieubelasting als een verlies van waardevolle grondstoffen betekent. Bovendien is er, terwijl synthetische corundum-mulliet vuurvaste materialen doorgaans worden geproduceerd uit verse grondstoffen, geen gepubliceerd onderzoek naar de synthese van deze materialen uit met glazuur besmette afgedankte rollen of het gebruik van zuurleaching om de glazuuronzuiverheden te verwijderen.

Methodologie
De studie stelt een chemisch recyclingproces voor om glazuurbesmette afgedankte rollen om te zetten in een hoog-alumina synthetisch vuurvast materiaal. De methodologie omvatte de volgende stappen:

1. Voorbereiding: Glazuurbesmette rollen (20 mm interne diameter, 1–2 mm glazuurlaag) werden vermalen tot deeltjes kleiner dan 10 mm. De deeltjes werden niet tot poeder vermalen vóór het leachingsproces, aangezien dit slechte resultaten opleverde.
2. Zuurleaching (Acid Leaching): Waterstoffluorzuur (HF) werd gebruikt om de silicaatgebaseerde glazuur en bijbehorende pigmenten op te lossen. Vier concentraties (10%, 20%, 30% en 40%) werden getest bij kamertemperatuur (25°C) en verhoogde temperatuur (40°C). De vaste-vloeistofverhouding werd gehandhaafd op 1:3.
3. Verwerking: Na het leechen werden de vaste stoffen gescheiden, gewassen en nat gemalen via planetaire maling om een deeltjesgrootte van -20 µm te bereiken. De slurry werd gedroogd tot een halfdroge staat (~5 gew.% vochtgehalte).
4. Sinteren: De poeders werden onder een druk van 100 MPa in briketten geperst, gedroogd en gesinterd in een shuttle-oven bij 1550°C gedurende 2 uur.
5. Karakterisering: De chemische samenstelling werd geanalyseerd via röntgenfluorescentie (XRF). Fase-identificatie en kwantificering werden uitgevoerd met röntgendiffractie (XRD) met Rietveld-verfijning. De microstructuur werd onderzocht met behulp van Scanning Elektronen Microscopie (SEM) met Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). Fysische eigenschappen (bulkdichtheid, porositeit, waterabsorptie, permanente lineaire verandering) werden gemeten volgens ASTM-standaarden.

Belangrijkste Resultaten

• Leaching-efficiëntie: De oplossingstijd van de glazuurlaag was omgekeerd evenredig met de HF-concentratie en de temperatuur. Bij 25°C vereiste volledige oplossing 17 uur voor 10% HF, wat werd teruggebracht naar 2 uur voor 4 de 40% HF. Het verhogen van de temperatuur naar 40°C verkortte de tijd verder; bijvoorbeeld vereiste 10% HF slechts 8 uur.
• Chemische Samenstelling: Het leachingproces verwijderde de silicaatonzuiverheden effectief. De resulterende gelekte deeltjes bevatten 80,13 gew.% Al₂O₃ en 3,08 gew.% ZrO₂, met een significant verminderd SiO₂-gehalte (10,01 gew.%) vergeleken met de verse rollen (22,70 gew.%).
• Fasesamenstelling: XRD- en SEM-analyse van het gesinterde materiaal identificeerden Corundum (71,9 gew.%) en Mulliet (25,2 gew.%) als de belangrijkste fasen, met Baddeleyiet (2,9 gew.%) als een minder belangrijke fase.
• Fysische Eigenschappen: Het gesinterde corundum-mulliet materiaal vertoonde superieure fysische eigenschappen vergeleken met vuurvaste gesinterde bauxiet:
  • Bulkdichtheid: 3,35 g/cm³ (tegenover 3,12 g/cm³ voor bauxiet).
  • Schijnbare Porositeit: 0,18% (tegenover 7,88% voor bauxiet).
  • Waterabsorptie: 0,05% (tegenover 2,53% voor bauxiet).
  • Permanente Lineaire Verandering (PLC) @ 1650°C: < 0,1% (tegenover 0,2% voor bauxiet).
  • Thermische Expansie: Lagere reversibele thermische expansie (0,59% bij 1200°C) vergeleken met bauxiet (0,71%), toegeschreven aan het hogere mullietgehalte dat een lagere thermische uitzettingscoëfficiënt heeft.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat dit werk een innovatieve oplossing biedt voor het milieuprobleem van glazuurbesmette afgedankte rollen door deze om te zetten in een waardevol synthetisch vuurvast grondstofmateriaal. De studie toont aan dat zuurleaching met HF een effectieve methode is om glazuurgebaseerde onzuiverheden te verwijderen, waardoor het herstel van het hoog-alumina gehalte mogelijk wordt.

Het resulterende synthetische corundum-mulliet materiaal wordt beweerd een levensvatbaar substituut te zijn voor vuurvaste gesinterde bauxiet. De auteurs merken op dat hoewel het Al₂O₃-gehalte iets lager is dan bij sommige bauxietbronnen, het materiaal een hogere gecombineerde inhoud heeft van Al₂O₃, SiO₂ en ZrO₂ (95,44 gew.% tegenover 93,03 gew.% voor bauxiet) en aanzienlijk lagere onzuiverheidsniveaus. De aanwezigheid van ZrO₂ (baddeleyiet) wordt benadrukt als gunstig voor de vuurvaste eigenschappen. Het artikel concludeert dat deze recyclingmethode niet alleen een milieuproblematiek met afval aanpakt, maar ook een waardevolle hoog-alumina grondstof behoudt, waarbij een materiaal wordt geboden met vergelijkbare of superieure fysische en thermische eigenschappen ten opzichte van traditionele vuurvaste grondstoffen.