سنتز، جداسازی و مشخصه یابی میکروحباب های شیشه ای از خاکستر ذغال سنگ معدن زرند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی، دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 بخش مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

هدف: میکروحباب های شیشه ای به دلیل چگالی بسیار پایین و سختی و استحکام قابل قبول یکی از گزینه های مناسب برای ایجاد ترک های هیدرولیک در چاه های نفت و استحکام بخشی به بتن های سبک هستند. در این تحقیق از خاکستر ذغال سنگ معدن زرند بعنوان یک ماده بازیافتی جهت تهیه این دسته از مواد استفاده شده است.
مواد و روش ها: برای تولید میکرو حباب های شیشه ای ذغال سنگ آسیاکاری شده در محدوده دمایی °C 700 تا °C 1100 در کوره الکتریکی به منظور بدست آوردن دمای بهینه برای تولید میکروحباب ها حرارت داده شدند و سپس عملیات جداسازی به کمک آب مقطر و بر اساس اختلاف چگالی صورت گرفت. بررسی های مورفولوژیکی، ساختاری و عنصری به کمک دستگاههای XRD، XRF و SEM  همراه با آنالیز  EDS در کنار اندازه گیری چگالی انجام شد.
نتایج: بر اساس آنالیز مورفولوژی و اندازه ذرات انجام گرفته با SEM، ساختار ذرات متخلخل و آگلومره بوده و عناصر Ca، K و Fe بر اساس آنالیز EDS دیده شد، که به شکل فازهای اکسید کلسیم و پتاسیم در آنالیز XRD نیز مشاهده شدند. وجود این اکسیدها منجر به تشکیل فازهای شیشه ای در دماهای پایین شده و این مساله باعث شده است تا با افزایش دمای کوره میزان آگلومراسیون ذرات خاکستر نیز افزایش یافته و خردایش آن نیاز به انرژی بیشتری داشته باشد.
نتیجه گیری: این روش قادر به تولید میکروحباب هایی با مورفولوژی شبه کروی و توده ای شکل با چگالی پایین در محدوده g/cm3 95/0- 7/0بوده و عملیات آسیاکاری منجر به راندمان بالاتری از میکروحباب های شیشه با اندازه کوچکتر شده است.  همچنین با افزایش دمای سنتز مقدار فاز مولایت تشکیل شده در ساختار نیز افزایش یافته است که منجر به بالا رفتن استحکام ذرات می شود
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Shekhovtsov V, Kaz’mina O, Skripnikova N, Skirdin K, Bakshanskii RY, Belyaeva A. (2023) "Properties of Hollow Glass Microspheres Obtained in a Propane-Air Torch". Glass and Ceramics.80 (3):125-30. https://doi.org/10.1007/s10717-023-00570-0
 
[2] Hosseini H, Guo F, Barati Ghahfarokhi R, Aryana SA. (2020) "Microfluidic fabrication techniques for high-pressure testing of microscale supercritical CO2 foam transport in fractured unconventional reservoirs". Journal of Visualized Experiments. 161
 
[3] Wu C, Xu M, Su Y, Wang X, Jin C. (2023) "Development of a glass microbubble-based lightweight strain hardening cementitious composite (LW-SHCC): Experiment and numerical simulation". Case Studies in Construction Materials. 19-02598. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02598
 
[4] Bing S, (2021) "Mechanical Properties of Vitrified Micro Bubbles Recycled Concrete Mixed with Calcined Diatomite". IOP Conference Series: Earth and Environmental Science; IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1755-1315/781/5/052011
 
[5] Kato T, Ushijima H, Katsumata M, Hyodo T, Shimizu Y, Egashira M. (2002) "Fabrication of hollow alumina microspheres via core/shell structure of polymethylmethacrylate/alumina prepared by mechanofusion". Journal of Materials science. 37:2317-21. https://doi.org/10.1023/A:1015381603159
 
[6] Yung KC, Zhu B, Yue TM, Xie C. (2009) "Preparation and properties of hollow glass microsphere-filled epoxy-matrix composites". Composites science and technology. 69(2), 260-264. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.10.014
 
[7] Yamada K, Hirano H, Kusaka M, Tanaka M. (2001) "Hollow aluminosilicate glass microspheres and process for their production". Google Patents;
 
[8] Bruinsma PJ, Kim AY, Liu J, Baskaran S. (1997) "Mesoporous silica synthesized by solvent evaporation: spun fibers and spray-dried hollow spheres". Chemistry of Materials. 9(11):2507-12. https://doi.org/10.1021/cm970282a
 
[9] Raszewski FC, Hansen EK, Schumacher RF, Peeler DK. (2008) "Preparation and characterization of porous-walled hollow glass microspheres". Savannah River National Laboratory, Process Science and Engineering Section, Aiken, SC. 29808.
 
[10] Noble PF, Cayre OJ, Alargova RG, Velev OD, Paunov VN. (2004) "Fabrication of “hairy” colloidosomes with shells of polymeric microrods". Journal of the American Chemical Society. 126 (26):8092-3. https://doi.org/10.1021/ja047808u
 
[11] Xu N, Dai J, Tian J, Ao X, Shi L, Huang X, et al. (2011) "Synthesis of hollow glass-ceramics microspheres via template method". Materials Research Bulletin. 46(1):92-7. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2010.09.037
 
[12] Mahmoud M, Kraxner J, Elsayed H, Bernardo E, Galusek D. (2023) "Fabrication and environmental applications of glass microspheres: A review". Ceramics International. 49 (24):39745-39759. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.10.040
 
[13] Vilakazi AQ, Ndlovu S, Chipise L, Shemi A. (2022) "The recycling of coal fly ash: A review on sustainable developments and economic considerations". Sustainability. 14(4):1958 https://doi.org/10.3390/su14041958
 
[14] Mondal A, Goswami L, Hussain N, Barman S, Kalita E, Bhattacharyya P, et al. (2020) "Detoxification and eco-friendly recycling of brick kiln coal ash using Eisenia fetida: a clean approach through vermitechnology". Chemosphere. 244:125470. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125470
 
[15] Raza A, Saad N, Elhadi KM, Azab M, Deifalla AF, Elhag AB, et al. (2022) "Mechanical, durability, and microstructural evaluation of coal ash incorporated recycled aggregate concrete: An application of waste effluents for sustainable construction". Buildings.12(10):1715 https://doi.org/10.3390/buildings12101715
 
[16] Lu X, Liu B, Zhang Q, Wen Q, Wang S, Xiao K, et al. (2022) "Recycling of coal fly ash in building materials: a review". Minerals. 13(1):25. https://doi.org/10.3390/min13010025
 
[17] Li X, Ma B, Wang C, Chen Y, Yang W, Zhang W. (2022) "A sustainable process to recycle aluminum from coal fly ash for simultaneous removal of iron: Solid waste management and evaluation". Minerals Engineering. 184:107638. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107638
 
[18] Yao ZT, Ji XS, Sarker P, Tang J, Ge L, Xia M, et al. (2015) "A comprehensive review on the applications of coal fly ash". Earth-science review. 141, 105-121. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2014.11.016
 
[19] Shahmohamadi N, Tahmasebi K. (2020) "Fabrication and characterization of glass microbubbles". 9th International Conference on Materials Engineeing and Metallurgy (In Persian).
 
[20] Li Y, Lu J, Zeng Y, Liu Z, Wang C. (2018) "Preparation and characterization of mullite powders from coal fly ash by the mullitization and hydrothermal processes". Materials Chemistry and Physics.213:518-24. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.04.056
 
[21] Alterary SS, Marei NH. (2021) "Fly ash properties, characterization, and applications: A review". Journal of King Saud University-Science. 101536 (6), 33. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101536
 
[22] Marqusian V. "Glasses; structure, properties and applications (2000) ". Iran University of Science and Technology, (In Persian).
 
[23] Sultana P, Das S, Bagchi B, Bhattacharya A, Basu R, Nandy P. (2011) "Effect of size of fly ash particle on enhancement of mullite content and glass formation". Bulletin of Materials Science. 34 :1663-70. https://doi.org/10.1007/s12034-011-0374-z
 
[24] Yagüe S, Sánchez I, Vigil de La Villa R, García-Giménez R, Zapardiel A, Frías M. (2018) "Coal-mining tailings as a pozzolanic material in cements industry". Minerals. 8 (2):46. https://doi.org/10.3390/min8020046
 
[25] Mansouri A, Tahmooresi M, Ebrahimi A. (2019) "Production Of Lightweight Aggregate Using Zarand Coal Processing Plant Tailings". Journal of Mineral Resources Engineering. 3(4):107-20. https:// doi.org /10.30479/jmre.2019.1588
 
[26] Skrifvars B-J, Hupa M, Backman R, Hiltunen M. (1994) "Sintering mechanisms of FBC ashes". Fuel. 73(2):171-6. https://doi.org/10.1016/0016-2361(94)90110-4