Development of low cost waste-derived sintered glass-ceramics for energy saving and recovery

L’obiettivo delle attività di ricerca presentate è l’individuazione di una nuova tecnica per la produzione di schiume di vetro e vetroceramiche, basata sulla combinazione di un processo di attivazione alcalina di materiali ricchi di silice e successiva schiumatura del gel inorganico mediante un tensioattivo e un trattamento termico finale mediante sinterizzazione e cristallizzazione (“sinter-crystallisation”). Si tratta di un processo più economico ed ecologicamente sostenibile rispetto alle attuali procedure, basate su miscele di polveri di vetro e agenti schiumogeni, che sono soggette a decomposizione e rilasciano gas a una temperatura significativamente superiore al punto di rammollimento (“softening point”) del vetro. Questa nuova tecnica offre una strategia alternativa per la valorizzazione di materiali di scarto ad alto contenuto di silice. L'attivazione alcalina degli scarti di vetro consente di ottenere sospensioni concentrate ben disperse, le quali subiscono una gelificazione mediante trattamento a bassa temperatura (40-80°C), ascrivibile alla formazione di idrati di silicato. Si è ottenuta una schiumatura diretta ed estesa mediante agitazione meccanica di sospensioni parzialmente gelificate, con l’ausilio di un tensioattivo. La microstruttura finale (livello totale di porosità, dimensione delle celle) può essere direttamente correlata al grado di gelificazione. È stato infine applicato un trattamento di sinterizzazione a soli 700°C, per stabilizzare le strutture e limitare la lisciviazione (“leaching”) di ioni alcalini. È stata dimostrata l’applicabilità di tale approccio a diverse tipologie di vetro e miscele di rifiuti industriali, ottenendo diversi gel in seguito all'attivazione alcalina. L'attivazione alcalina del vetro sodico-calcico di scarto è stata sfruttata attraverso la miscelazione con rifiuti inorganici ricchi di ferro da scorie di rame e ceneri volatili prodotte dalla combustione del carbone. L'approccio è stato esteso anche a diversi materiali a base di vetro provenienti da rifiuti, come il vetro borosilicato proveniente dal riciclaggio di fiale farmaceutiche e ceneri pesanti vetrificate provenienti dagli inceneritori di rifiuti solidi urbani. Sono state esplorate e comprese diverse combinazioni di parametri di processo (tensioattivi, soluzioni di attivazione, tempi di polimerizzazione, condizioni per il trattamento termico ecc.). Oltre che per la creazione di materiali derivati dai rifiuti e l’individuazione di possibili applicazioni nel settore dell'edilizia, la tecnica è stata utilizzata anche per creare scaffold vetroceramici bioattivi altamente porosi, a dimostrazione della versatilità dall'approccio. L'indurimento progressivo associato alla polimerizzazione inorganica che configura un "gel inorganico" è stato inoltre sfruttato per produrre ceramiche avanzate, come schiume e scaffold di mullite e cordierite. Questi materiali sono stati ottenuti mediante il trattamento termico di sospensioni ingegnerizzate attivate alcalinamente, costituite da un geopolimero a base di sodio arricchito con polveri reattive γ-Al2O3, nel caso della mullite, e γ-Al2O3 reattivo e talco, nella sintesi della cordierite. La gelificazione è stata studiata allo scopo di ottenere una viscosità appropriata per intrappolare l'aria in condizioni di vigorosa agitazione meccanica o per mantenere la forma dei filamenti negli scaffold ottenuti mediante stampa diretta. In seguito all’ottenimento dei campioni induriti, sono stati estratti gli ioni di sodio mediante scambio ionico in soluzione di nitrato di ammonio. Infine, le schiume sottoposte a scambio ionico sono state convertite in schiume e scaffold di mullite o cordierite pura con l'applicazione di un trattamento di cottura. L'attivazione alcalina è stata la base di partenza per la produzione di granuli leggeri tramite una "tecnica di sferoidizzazione" che consiste nella aggregazione di polveri di vetro sottili su un tamburo rotante, prima del tratamento termico. Una volta indurite, le sospensioni di vetro sodico-calcico ottenute dall’attivazione alcalina sono state ridotte in frammenti e collocate su un tamburo rotante con polvere di vetro secco. Il tratamento termico dei granuli verdi ha determinato una significativa formazione di schiuma, dovuta alla decomposizione dei composti idrati.