Název projektu
Možnosti aplikace vývojových systémů na bázi odpadních a obnovitelných surovin s nízkou uhlíkovou stopou
Kód
SP2024/024
Předmět výzkumu
Rozbor stavu problematiky v ČR a ve světě
V souladu s principy udržitelného rozvoje a ve vztahu k rozvoji environmentálně šetrných technologií, je současný výzkum stavebních materiálů orientován zejména na využití odpadů. Zvýšený zájem o materiály na bázi biopolymerů je aktuálním trendem a technologie materiálového využití odpadních surovin je velkým celosvětovým tématem.
Velkým producentem CO2 je papírenský a cementářský průmysl. V procesu výroby buničiny a papíru vznikají odpadní biopolymery, jejichž potenciál je, nejen ve stavebnictví, obrovský. V případě odpadů na bázi ligninu se až v poslední době mění názor na jeho potenciál v oblasti materiálové recyklace. Dosud se jedná o odpady uplatnitelné v zemědělství nebo se využívá jako palivo. [1,2,3]
V současnosti je pozornost věnována rozvoji biorafinérií, které zpracovávají větší množství ligninu s velkým potenciálem pro další průmyslové aplikace. Avšak, dosud se tento vedlejší produkt z výroby buničiny a papíru uplatňuje ve stavebnictví jen sporadicky. V posledních letech má využití ligninu, jako suroviny ve výrobě stavebních materiálů, obrovský potenciál, například: výroba pojiv, plastů, přísad do betonu a malt, nátěrových hmot, nanokompozitních materiálů, karbonových vláken apod.[1,2,3]
Předmětem tohoto projektu je studium uplatnění biopolymerů na bázi odpadního ligninu ve stavební praxi. Cílem je průzkum uplatnitelnosti biopolymerů v zásadních směrech novodobých, progresivních, stavebních materiálů, které budou reflektovat environmentální problematiku, zejména pak snižování CO2 stopy a snižování množství odpadů. U cementů lze také uvažovat o takových produktech, které mají nízkou uhlíkovou stopu, jelikož podíl globálních emisí oxidu uhličitého uvolněného primárně při výrobě cementu je odhadován na 8 %. [4,5] Kombinací cementů s nízkou uhlíkovou stopou a odpadních biopolymerů lze vyvinout nové kompozitní materiály, které mohou úspěšně nahradit některé stávající environmentálně neudržitelné produkty.
[1]Maurice N. Collins, Mărioara Nechifor, Fulga Tanasă, Mădălina Zănoagă, Anne McLoughlin, Michał A. Stróżyk, Mario Culebras, Carmen-Alice Teacă, Valorization of lignin in polymer and composite systems for advanced engineering applications – A review, ISSN 0141-8130,
[2]Thomas Aro, Dr. Pedram Fatehi, Production and Application of Lignosulfonates and Sulfonated Lignin
[3]Pacheco-Torgal, Fernando; Ivanov, Volodymyr; Karak, Niranjan; Jonkers, Henk, Biopolymers and Biotech Admixtures for Eco-Efficient Construction Materials, ISBN 978-0-08-100214-8
[4]GARTNER, Ellis a Tongbo SUI, 2017. Alternative cement clinkers. Cement and Concrete Research. ELSEVIER, 27-39.
[5]EUROPEAN CEMENT ASSOCIATION, CEMBUREAU, 2020. Cementing the European Green Deal: Reaching climate neutrality along the cement and concrete value chain by 2050. Brusel.
Metody řešení
V rámci experimentu bude probíhat příprava a následné ověření vlastností vzorků na bázi cementů s nízkou uhlíkovou stopou, spolu s využitím odpadních biopolymerů. V rámci ověřování vlastností budou zkoumány i další materiály, jako jsou lepidla či pojiva obecně, které jsou, resp. budou na bázi odpadních lignosulfonátů.
Z instrumentálních metod analýz může být využita například infračervená spektroskopie – nedestruktivní metoda k určení složení materiálů, rentgenová fluorescenční analýza – nedestruktivní analytická metoda k určení chemického složení vzorků, optické mikroskopy, termická analýza – sledování hmotnostních a tepelných změn při konstantním zahřívání vzorků či kalorimetrické zkoušky – např. stanovení hydratačního tepla cementů. V laboratoři budou zkoušeny mechanické charakteristiky vzorků, pro trvanlivostní zkoušky bude využita klimatická komora, která je schopna nasimulovat různé vlivy prostředí. Dále bude využito mechanických a ručních přístrojů jako je Vicatův přístroj, setřásací stroj, přístroj ke stanovení obsahu vzduchu či CO2 komora. CO2 komoru bude nutno dovybavit čidly pro snímání vlhkosti a teploty, jelikož jimi není vybavena, a tato čidla jsou nutná ke správnému vykonání normových zkoušek – stanovení odolnosti betonu proti karbonataci, která lze pomocí CO2 komory značně urychlit. Další zkoušky mohou být doplňovány dle aktuální potřeby. Externě budou nakupovány i speciální analýzy, jejichž rozsah bude upřesněn v průběhu řešení tohoto projektu. Jedná se zejména o speciální analýzy kapalin a procesů organických syntéz. Tato problematika přesahuje experimentální možnosti FAST. Bude se jednat zejména o plynovou (GC, Gas chromatography) či kapalinovou (LC, Liquid chromatography) chromatografii a rtuťovou porozimetrii. Chromatografie je fyzikálně-chemická separační metoda, kde se molekuly rozdělují na dvě fáze, toto rozdělení je založeno na rozdílné distribuci složek směsi. Dle principu separace lze pak tyto metody dělit na adsorpční, rozdělovací, ionexovou, gelovou či afinitní. Vhodný typ metody bude konzultován s odborníkem z oblasti analytické chemie. Vyhodnocení probíhá pomocí chromatografického záznamu, kde se srovnávají plochy a výšky píků se standardem. Rtuťová porozimetrie (MIP)je nejrozšířenější variantou kapalinové porozimetrie, je založena na principu jevu kapilární deprese, která se projevuje tím, že úhel smáčení je větší než 90°, tím pádem může rtuť do vzorků vniknout pouze účinkem vnějšího tlaku. Tato metoda je vhodná jak pro práškové, tak pro kapalné vzorky. Poskytuje detailní informace o objemu, hustotě a specifickém povrchu pórů.
Očekávaný rozsah vzorků
Vzorky budou rozděleny do sad dle zvolené receptury, způsobu míchání či doby zkoušení. Další sady vzorků budou testovány v CO2 komoře. Celkem bude vyrobeno přibližně přes 100 ks vzorků, celkový počet bude upravován dle aktuálních možností a kapacit Laboratoře stavebních hmot. Jako zkušební vzorky mohu zařadit i předtestovací vzorky past, které slouží k nalezení vhodné receptury pro výrobu zkušebních těles s optimálními vlastnostmi. Těchto vzorků může být i několik stovek, neboť záleží na dávkování přísad, zvoleném typu pojiva, množství záměsové vody i stylu míchání. S přípravou vzorků je spojen samotný vývoj receptury, míchání, odformování, čištění forem, zkoušení vzorků a jejich likvidace. Vzorkovat se budou i další materiály, např. vstupní suroviny a výrobky, referenční hmoty, atd.
Zdůvodnění zapojení členů týmu
Ing. Adéla Valentová – hlavní řešitelka, studentka 2. ročníku doktorského studia, téma disertační práce: Biopolymery a jejich uplatnění ve stavebních materiálech a technologiích. Vykonávaná činnost – rešerše, příprava publikací, práce v laboratoři.
Ing. Petr Ćmiel – spoluřešitel, student 1. ročníku doktorského studia, který nemůže ještě sám podat projekt SGS – motivační zapojení. Je zapojen v tomto projektu, jelikož již ve své bakalářské práci na téma Alternativní hydraulická pojiva s nízkou CO2 stopou a jejich použitím ve stavebních maltách, prokázal svou znalost těchto pojiv, které budeme dále rozvíjet v rámci této práce. Téma jeho disertační práce je Diagnostika stavebních konstrukcí pro pokročilou statickou analýzu. Jeho prací bude návrh receptur a práce v laboratoři.
Ing. Monika Špaldová – spoluřešitelka, studentka 1. ročníku doktorského studia, která nemůže ještě sama podat projekt SGS – motivační zapojení. Tématem její disertační práce je Analýza materiálových a konstrukčních variant dřevobetonového spřahovacího systému. V tomto projektu bude zejména nápomocna při aplikaci a vývoji konstrukčních prvků, které mohou být řešeny materiály na bázi odpadních surovin s pojivy s nízkou CO2 stopou, jelikož její zaměření z bakalářského i navazujícího studia jsou pozemní a průmyslové stavby.
Náklady
Zdůvodnění plánovaných finančních nákladů
Stipendia
Valentová 45 000 Kč, Špaldová 25 000 Kč, Ćmiel 20 000 Kč = 90 000 Kč
Materiál
zkušební vzorky (různé druhy plniv, pojiv, stavební chemie, apod.) = 23 000 Kč
drobné spotřební nářadí (špachtle, misky, laboratorní sklo, indikátory, apod.) = 8 000 Kč
dovybavení CO2 komory – vlhkostní čidlo, tepelné čidlo, nákup CO2 = 7 030 Kč
Celkem: 38 030 Kč
Služby
Korektury a překlady 3 příspěvků, počítáno cca 500 Kč/normostrana 20 000 Kč
Kalibrace v Laboratoři stavebních hmot 3 000 Kč
Konference ICBMPT Mikulov + zveřejnění článku v IOP, vložné 6 900 Kč+DPH - pro 2 osoby 13 800 Kč+DPH, plus článek v IOP 2 090 Kč+DPH. Celkem 20 000 Kč.
Speciální zkoušky – např. mimo jiné i plynová či kapalinová chromatografie, která nelze provést na Fakultě stavební, jelikož přesahuje možnosti přístrojového vybavení. Tato zkouška je nutná při analýze tekutých vzorků. Dále bude využita i rtuťová porozimetrie, a další zkoušky. Na tyto zkoušky je vyčleněno 13 000 Kč.
Celkem: 56 000 Kč
Cestovné
Cesty na konference, ubytování, stravné = 15 500 Kč
Náklady na cestovné a ubytování budou upravovány dle aktuálních cen dopravy a ubytování v daných termínech konání konferencí. Průměrná cena za ubytování v Brně či Mikulově je cca 2000 Kč/noc. Cestovné se pak pohybuje okolo 300 Kč/cesta do Brna, cesta do Mikulova pak cca 450 Kč/cesta.
Režie
22 170 Kč
Celkem
221 700 Kč
Harmonogram prací:
Leden – únor – rešerše dostupných článků a literatury, příprava receptur
Únor – červen – příprava zkušebních vzorků, testování čerstvých směsí, testování zatvrdlých směsí, testování vstupních surovin, trvanlivostní zkoušky, speciální zkoušky
Březen – září – testování vzorků, trvanlivostní zkoušky, speciální zkoušky, vyhodnocování výsledků, překlady, korektury, publikační činnost
Říjen – listopad – doplňkové zkoušky, korektury, publikační činnost
Prosinec – závěrečná zpráva projektu
Rok zahájení
2024
Rok ukončení
2024
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel