Μελέτη της επίδρασης χρωμοφόρων οξειδίων ανακυκλούμενου γυαλιού στις ιδιότητες της υάλου
Authors: Παπαδόπουλος Νικόλαος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης υψηλών ποσοτήτων πολυχρωμικού υαλοθραύσματος στην παραγωγή καφέ γυαλιού σε συνάρτηση με τις παραμέτρους που επηρεάζονται από αυτήν. Μελετήθηκαν προσθήκες έγχρωμων υαλοθραυσμάτων κυρίως πράσινων που υπάρχουν σε περίσσεια στον ευρωπαϊκό και κυρίως στον ελληνικό χώρο, καφέ, που αρκετές φορές δεν είναι επαρκείς οι ποσότητές τους για ανακύκλωση, αλλά εξετάσθηκαν σαν μέτρο σύγκρισης των αποτελεσμάτων της έρευνας με τις αντίστοιχες προσθήκες των πράσινων υαλοθραυσμάτων, καθώς και παρασκευή δειγμάτων από αμιγές γυαλί ανακύκλωσης. Μάλιστα υψηλά ποσοστά προσθήκης πράσινου υαλοθραύσματος στην κύρια ανάμιξη πρώτων υλών για την παραγωγή καφέ γυαλιού εξετάζονται για πρώτη φορά. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την ιδιαιτερότητα ότι έχει διαφορετικό βαθμό οξειδοαναγωγής από το τελικό προϊόν δημιουργεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την χρήση του. Στο πρώτο στάδιο και στα πλαίσια περαιτέρω εξοικονόμησης ενέργειας κατά την τήξη της υαλόμαζας επιλέχθηκε ευτηκτικότερη βασική (αλκαλική) σύνθεση πρώτων υλών με μειωμένο ποσοστό πυριτίου σε 45% από 57% της βιομηχανικής πρακτικής. Σε συνδυασμό με το ότι το προστιθέμενο γυαλί ανακύκλωσης τήκεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από ότι το μίγμα των πρώτων υλών το συνολικό ενεργειακό όφελος θα είναι σημαντικό. Για το λόγο αυτό οι εψήσεις των δειγμάτων πραγματοποιήθηκαν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (1350°C - 1400°C) από την συνήθη πρακτική (1450°C). Προσδιορίσθηκαν τα όρια της καφέ περιοχής μετά από παρασκευή από πρώτες ύλες πολλών δειγμάτων των τριών κυρίως χρωμάτων της υαλουργίας, λευκό- πράσινο-καφέ, στα οποία άλλαζαν μόνο τα ποσοστά των συστατικών που καθορίζουν τον αριθμό οξειδοαναγωγής. Προσδιορίσθηκε η οξειδοαναγωγική συνεισφορά του υαλοθραύσματος στον αριθμό οξειδοαναγωγής των παρασκευασθέντων δειγμάτων και οριοθετήθηκε η καφέ περιοχή της υαλόμαζας που προκύπτει από την προσθήκη διαφορετικών ποσοστών υαλοθραυσμάτων και των τριών χρωμάτων. Διαπιστώθηκε όμως ότι υπήρξαν σημαντικές δυσκολίες για την επίτευξη του καφέ χρώματος από βασικά (αλκαλικά) υαλοτήγματα χαμηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο λόγω της δυσκολίας ανάπτυξης της καφέ χρωμοφόρου ομάδας η οποία δεν ευνοείται και από τις χαμηλότερες θερμοκρασίες έψησης. Επίσης, οι προκύπτοντες αριθμοί οξειδοαναγωγής των δειγμάτων διαφέρουν σημαντικά από αυτούς της βιομηχανικής πραγματικότητας. Τα αποτελέσματα αυτά μας οδήγησαν στην επιλογή κανονικής σύνθεσης πρώτων υλών για την παραγωγή υαλόμαζας με ποσοστό πυριτίου 57% που αποτέλεσε την κύρια σύνθεση για την πειραματική διαδικασία. Επαναπροσδιορίσθηκαν τα όρια του καφέ χρώματος των δειγμάτων μέσω δύο καμπύλών αναφοράς. Η μεν πρώτη προσδιορίζει το ποσοστό προσθήκης άνθρακα στην κύρια καφέ σύνθεση, η δε δεύτερη καθορίζει τα όρια του χρωμίτη ο οποίος εισάγεται μέσω της προσθήκης πράσινου υαλοθραύσματος για την παρασκευή καφέ γυαλιού. Στην συνέχεια (δεύτερο στάδιο) παρασκευάσθηκαν δείγματα γυαλιού από την κύρια σύνθεση καφέ χρώματος με μεταβαλλόμενα ποσοστά προσθήκης πράσινου και καφέ υαλοθραύσματος. Ταυτόχρονα άλλαζε ο αριθμός οξειδοαναγωγής των δειγμάτων μέσω μεταβολής της περιεκτικότητας σε άνθρακα στις πρώτες ύλες με σκοπό την επίτευξη χρώματος δειγμάτων εντός των ορίων της καφέ περιοχής. Παρασκευάσθηκαν επίσης δείγματα από 100% πράσινο, καφέ και ανάμικτο υαλόθραυσμα των οποίων μελετήθηκαν οι ιδιότητες. Στο τρίτο στάδιο της διατριβής εξετάστηκαν βασικές ιδιότητες των δειγμάτων που παρασκευάσθηκαν. Η οπτική ιδιότητα που έχει μεγαλύτερη σημασία για τα γυαλιά νατρίου-ασβεστίου-πυριτίου είναι το χρώμα τους που εξετάσθηκε με φασματοφωτόμερο εφοδιασμένο με σφαίρα ολοκλήρωσης και προσδιορίσθηκαν τα χρωματικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων, πρωτεύον μήκος κύματος L, φωτεινότητα Β και καθαρότητα Ρ. Έγινε συσχέτιση της περιεκτικότητας σε χρωμοφόρα οξείδια του σιδήρου και του χρωμίου στα υαλοτήγματα με το ποσοστό του προστιθέμενου υαλοθραύσματος, το χρώμα του και το προκύπτον τελικό χρώμα των δειγμάτων. Προσδιορίσθηκε η οξειδοαναγωγική κατάσταση των δειγμάτων μέσω του λόγου του δισθενούς προς τον ολικό σίδηρο. Επίσης υπολογίσθηκε η περιεκτικότητα του τρισθενούς Cr3+ και του εξασθενούς Cr6+ χρωμίου και από αποτελέσματα διαφάνηκε ότι το χρώμιο βρίσκεται στην τρισθενή μορφή κατά κύριο λόγο που προσδίδει και το πράσινο χρώμα, ενώ η εξασθενής μορφή συνυπάρχει σε πολύ μικρά ποσοστά στην προσθήκη πράσινων υαλοθραυσμάτων ενώ δεν ανιχνεύεται στην προσθήκη καφέ υαλοθραυσμάτων στα υαλοτήγματα. Ο επιπρόσθετος λόγος μέτρησης του Cr6+ είναι ότι η γυάλινη συσκευασία πρέπει να ακολουθεί την οδηγία 94/62 της Ευρωπαϊκής Κοινότητας σύμφωνα με την οποία τα επίπεδα συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων μολύβδου, καδμίου, υδραργύρου και εξασθενούς χρωμίου δεν πρέπει να ξεπερνούν τα 100 ppm. Η μηχανική ιδιότητα που εξετάσθηκε ήταν η σκληρότητα των δειγμάτων που προσδιορίσθηκε με μεταλλογραφικό μικροσκόπιο στο οποίο είχε ενσωματωθεί μικροσκληρόμετρο. Όσον αφορά τις φυσικοχημικές ιδιότητες μελετήθηκε η πυκνότητα των γυάλινων δειγμάτων με τη μέθοδο καταβύθισης-επίπλευσης καθώς και η αντοχή τους στη χημική προσβολή. Ερευνήθηκαν επίσης το είδος των αερίων εγκλεισμάτων που δημιουργούνται, διαπιστώθηκε ότι το κύριο αέριο ήταν το διοξείδιο του θείου και προσδιορίστηκε το κατακρατηθέν θείο στα δείγματα. Για κάθε ιδιότητα που ερευνήθηκε, αναλύθηκαν τα αποτελέσματα και προσδιορίσθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την παραγωγή καφέ υαλόμαζας και διαπιστώθηκε ότι η χρήση αυξανόμενων ποσοτήτων πολυχρωμικού γυαλιού ανακύκλωσης στην παραγωγή καφέ υαλόμαζας διατηρεί ή ελαφρώς μειώνει τις φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες σε βαθμό που δεν επηρεάζουν ουσιαστικά την ποιότητα του τελικού προϊόντος ενώ το τελικό καφέ χρώμα και η απομάκρυνση φυσαλίδων μπορούν να διορθωθούν με την προσθήκη πράσινου υαλοθραύσματος σε ποσοστό μέχρι 30%, ενώ με προσθήκη καφέ υαλοθραύσματος η διόρθωση είναι εφικτή και σε ποσοστά πάνω από το 65%. Δεδομένου ότι η τιμή του υαλοθραύσματος είναι φθηνότερη από το μίγμα των πρώτων υλών, η προσθήκη υψηλών ποσοστών γυαλιού ανακύκλωσης συμβάλλει σημαντικά από οικονομικής πλευράς και ταυτόχρονα προστατεύει το περιβάλλον με μείωση του όγκου των στερεών απορριμμάτων, εξοικονόμηση ενέργειας και ορυκτών πόρων καθώς και περιορισμό της μόλυνσης της ατμόσφαιρας. Αναφέρεται παράδειγμα της εγχώριας παραγωγής με τρέχουσες τιμές και ποιότητες, μέσω του οποίου ποσοτικοποιούνται τα αναφερθέντα οφέλη.