Vitrifikácia

Vitrifikácia (z latinského "vitreum", „sklo“) je úplná alebo čiastočná premena látky na sklo, teda na nekryštalickú amorfnú pevnú látku. Sklá sa od kvapalín štrukturálne líšia a majú vyšší stupeň konektivity s rovnakou Hausdorffovou dimenziou väzieb ako kryštály: dimH = 3. Pri výrobe keramiky je vitrifikácia zodpovedná za jej nepriepustnosť vody.
Vitrifikácia sa zvyčajne dosahuje zahrievaním materiálov, kým sa neskvapalnia. Potom sa táto kvapalina ochladzuje, často tak rýchlo, že prechádza cez sklený prechod za vzniku sklovitej pevnej látky. Výsledkom určitých chemických reakcií sú aj sklá.
Z chemického hľadiska je vitrifikácia charakteristická pre amorfné materiály alebo neusporiadané systémy a nastáva vtedy, keď väzba medzi elementárnymi časticami (atómy, molekuly) presiahne určitú prahovú hodnotu. Tepelné výkyvy rozbíjajú väzby; preto čím nižšia teplota, tým vyšší stupeň konektivity (prepojiteľnosti). Z tohto dôvodu majú amorfné materiály charakteristickú prahovú teplotu nazývanú teplota sklovitého prechodu (Tg): pod Tg sú amorfné materiály sklovité, zatiaľ čo nad Tg sú roztavené.
Najbežnejšie aplikácie sú pri výrobe keramiky, skla a niektorých druhov potravín, ale existuje mnoho ďalších využití, ako napríklad vitrifikácia nemrznúcej kvapaliny pri kryokonzervácii.
V inom zmysle slova je vitrifikácia aj zapustenie materiálu dovnútra sklovitej matrice. Dôležitou aplikáciou je vitrifikácia rádioaktívneho odpadu s cieľom získať látku, o ktorej sa predpokladá, že je stabilnejšia a bezpečnejšia na zneškodnenie. Pri tomto technologickom procese sa zo vstupných surovín tepelným spracovaním vytvorí sklená fáza, ktorá viaže do vlastnej štruktúry prítomné škodliviny a znižuje alebo úplne odstraňuje toxicitu spracovávaných odpadov.
Vitrifikáciou je možné zneškodniť rôzne odpady (kvapalné, kaly, tuhé odpady), preto v dobre navrhnutom vitrifikačnom zariadení je možné spracovať rôzne typy odpadov s minimálnou predúpravou. Hlavnou nevýhodou tejto technológie, na rozdiel od skládkovania alebo cementácie, sú vysoké náklady súvisiace s veľkou energetickou spotrebou počas vitrifikácie. Celkové náklady sa dajú znížiť zlepšením taviacej technológie a premenou produktov vitrifikácie na užitočný materiál s potenciálnym využitím. Vzniknuté sklo je dostatočne inertné, aby z neho bolo možné vyrábať napr. stavebné sklo ako sú dlaždice, obklady, strešné krytiny a pod.
Keramika.
Vitrifikácia je postupné čiastočné roztavenie hliny v dôsledku procesu vypaľovania. Postupom vitrifikácie sa zvyšuje podiel sklovitej väzby a zdanlivá pórovitosť vypáleného produktu sa postupne znižuje. Sklovité telesá majú otvorenú pórovitosť a môžu byť buď nepriehľadné alebo priesvitné. V tomto kontexte môže byť „nulová pórovitosť“ definovaná ako absorpcia vody menšia než 1%. Rôzne štandardné postupy však definujú podmienky absorpcie vody.
Priepustnosť vody hrnčiarskych výrobkov môže byť upravená glazúrovaním alebo vitrifikáciou. Porcelán, kostný porcelán a sanitárna keramika sú príkladmi vitrifikovanej keramiky a sú nepriepustné aj bez glazúry. Kamenina môže byť vitrifikovaná alebo polovirtifikovaná, bez glazúry by nebola nepriepustná.
Použitie.
Pri pomalom ochladzovaní sacharózy sa získava kryštálový cukor a pri rýchlom sa môže vytvárať aj sirupová cukrová vata.
Vitrifikácia môže nastať aj v kvapaline ako je voda, zvyčajne veľmi rýchlym ochladením alebo zavedením činidiel, ktoré potláčajú tvorbu ľadových kryštálikov. To je opakom bežného mrazenia, ktoré vedie k tvorbe ľadových kryštálikov.
Vitrifikácia sa používa v kryoelektrónovej mikroskopii na ochladenie vzoriek tak rýchlo, že ich možno zobraziť elektrónovým mikroskopom bez poškodenia. V roku 2017 bola udelená Nobelova cena za chémiu za vývoj tejto technológie, ktorá sa dá použiť na zobrazenie objektov, ako sú proteíny alebo vírusové častice.
Obyčajné sodno-vápenaté sklo, ktoré sa používa v oknách a pohároch na nápoje, vzniká pridaním uhličitanu sodného a vápna (oxidu vápenatého) do oxidu kremičitého. Bez týchto prísad by sme na získanie taveniny a následne (pri pomalom chladení) skla oxidu kremičitého potrebovali veľmi vysokú teplotu.
Vitrifikácia sa používa pri zneškodňovaní a dlhodobom skladovaní jadrového odpadu alebo iných nebezpečných odpadov metódou nazývanou "geomelting". Odpad sa zmiešava s chemikáliami tvoriacimi sklo v peci za vzniku roztaveného skla, ktoré potom stuhne v nádobách, čím sa odpad znehybní. Konečná forma odpadu pripomína kameň obsidián a je to nevylúhujúci sa odolný materiál, ktorý účinne zachytáva odpad vo vnútri. Všeobecne sa predpokladá, že takýto odpad možno v tejto forme skladovať relatívne dlho bez obáv z kontaminácie ovzdušia alebo podzemných vôd. Hromadná vitrifikácia využíva elektródy na roztavenie pôdy a odpadu tam, kde sú zakopané. Vytvrdený odpad potom môže byť zneškodnený s menším nebezpečenstvom rozsiahlej kontaminácie. Podľa Pacific Northwest National Labs „Vitrifikácia uzamkne nebezpečné materiály do stabilnej sklenenej formy, ktorá vydrží tisíce rokov.“
Pri likvidácii komunálneho odpadu spaľovaním sa okrem objemovej redukcii odpadu a efektívneho využitia jeho energetického obsahu získavajú aj nežiaduce tuhé produkty vo forme škvary a popolčeka. Popolček je veľmi jemný odpad vznikajúci v objeme cca 2 % z pôvodného objemu odpadu a má výrazné toxické vlastnosti. Pri vitrifikácii sa popolček taví spolu s tavidlami pri vysokej teplote tak, aby vznikla oxidická sklovitá trosková tavenina, ktorá sa následne granuluje alebo odleje do kokíl. Sklovitá štruktúra vitrifikovanej trosky zabezpečuje viazanie časti ťažkých kovov a ich zlúčenín v extrémne stabilnej sklenej matrici.
Vitrifikácia pri kryokonzervácii.
Vitrifikácia v kryokonzervácii sa používa na konzervovanie, napríklad ľudských vaječných buniek (oocytov) a embryí. Zabraňuje tvorbe ľadových kryštálikov a je to veľmi rýchly proces: -23 000 °C/min.
Techniky vitrifikácie v súčasnosti aplikoval Alcor iba na mozgy (neurovitrifikáciu) a Inštitút Cryonics na hornú časť tela, ale výskum na aplikovanie vitrifikácie na celé telo prebieha u obidvoch organizáciách.
Mnohé dreviny žijúce v polárnych oblastiach prirodzene zaskelňujú svoje bunky, aby prežili chlad. Niektorí dokážu prežiť ponorenie do tekutého dusíka a tekutého hélia. Vitrifikáciu možno využiť aj na zachovanie ohrozených druhov rastlín a ich semien. Napríklad odolné semená sa považujú za ťažko konzervovateľné. Rastlinný vitrifikačný roztok (PVS), jedna z aplikácií vitrifikácie, úspešne konzervoval semeno Nymphaea caerulea.
Vitrifikácia na Slovensku.
Na Slovensku bola v Jaslovských Bohuniciach v roku 2021 otvorená spaľovňa JAVYS (Jadrová a vyraďovacia spoločnosť), ktorá spracováva rádioaktívny odpad z prevádzok jadrových elektrární, vyraďovaných atomiek, ale aj od zahraničných producentov. Prevádzkuje technológie na spracovanie rôznych pevných aj kvapalných rádioaktívnych odpadov, a to ich zalievaním do cementových matíc či asfaltu, vysokotlakovým lisovaním a "vitrifikáciou".