Van vliegas tot duurzame keramische materialen

door John Buitjes

Bij de verbranding van kolen voor elektriciteitsopwekking ontstaan restprodukten, zoals vliegas. Van de circa 900 duizend ton vliegas die jaarlijks in Nederland geproduceerd wordt, is eenderde ongeschikt voor de cementindustrie, de grootste afnemer hiervan. Dat deel kent een andere toepassing. Het dient namelijk als grondstof voor zogeheten Sialons.
Dit zijn keramische materialen die bestaan uit de elementen silicium, aluminium, zuurstof en stikstof. De vakgroep Vaste stof chemie en Materialen aan TUE heeft aan die verwerkings-wijze een bijdrage geleverd. Het duurzame Sialon heeft aantrekkelijke eigenschappen, waaronder grote slijtvastheid, hardheid en corrosiebestendigheid. Daar waar metalen en kunststoffen niet meer voldoen, kan dit keramische materiaal een rol gaan spelen.

De Vliegasunie beschouwt vliegas niet langer als afval. Uit het rookgas, waarin alle vluchtige bestanddelen zitten die vrijkomen bij kolenverbranding, wordt het vliegas gefilterd. Het rookgas gaat daarna nog door een soort ‘wasstraat’, waar schadelijke stoffen, zoals zwaveldioxide, eruit gehaald worden. Volgens Jos Moret, produktmanager bij de Vliegasunie, is de term afval voor vliegas is niet langer correct. Moret: ‘Wij noemen het een bouwgrondstof. Vorig jaar behaalden we een afzet van honderd procent. Het Keuringsinstituut voor Waterleidingartikelen (KIWA) heeft het gecertificeerd. De Vliegasunie levert dus een produkt dat aan bepaalde eisen voldoet.’ Volgens Moret gebruikt de cementindustrie het nu voornamelijk als vulstof en als substituut voor cement. Voordeel daarbij is dat bij toevoeging van vliegas aan cement het eindprodukt sterker wordt.

Verontreinigingen
De drie belangrijkste verontreinigingen in vliegas zijn ijzer, koolstof en calcium. Verder kent het weinig tot geen ernstige verontreinigingen. Bij een koolstofgehalte van meer dan zeven procent van het gewicht is het ongeschikt als grondstof voor de cementindustrie. Het Centrum van Technische Keramiek (CTK), een samenwerkingsverband tussen de scheikunde-vakgroep Vaste stof chemie en Materialen (TVM) en de Technisch Physische Dienst (TPD) van TNO, heeft aangetoond dat zij van vliegas met het hoge koolstofpercentage Sialons kunnen maken.
Bekend was dat de compositie van vliegas vrijwel overeenkomt met die van klei. Klei bestaat hoofdzakelijk ook uit de twee meest voorkomende stoffen op aarde: siliciumoxide (SiO2) en aluminiumoxide (Al2O3), en vormt al vele jaren de uitgangsstof voor de synthese van Sialons. Door klei met koolstof in een met stikstof gevulde reactor te verhitten, het carbothermische proces, verkrijgt men Sialon-poeder en koolstofmonoxide (CO). Het poeder moet echter eerst nog enige bewerkingen ondergaan voor het keramiek is. Het gebruik van vliegas in plaats van klei heeft als voordeel dat de al eerder genoemde verontreinigingen in het vliegas een positieve werking hebben bij het carbothermische proces. Het ijzer fungeert als katalysator in de omzettingsreactie, koolstof is juist nodig voor de reactie en calcium kan ingebouwd worden in Sialons. Het vliegas met het hoge koolstofpercentage, ongeschikt voor de cementindustrie, voldoet juist uitstekend in de carbothermische reactie.

Slibgieten
Onder leiding van dr. Bert Hintzen van de vakgroep TVM hebben studenten de technische haalbaarheid van het gebruik van vliegas in dit proces aangetoond. Daarbij bouwden ze voort op de kennis die TNO-TPD reeds had opgedaan in eerdere experimenten. ‘Het onderzoek heeft uitgewezen dat de tot dusver bestudeerde eigenschappen gelijkwaardig zijn aan die van Sialons gemaakt uit klei’, aldus Hintzen. Na het carbothermische proces heeft men Sialon-poeder, nog geen Sialon keramiek. Daarvoor dient het nog enige bewerkingen te ondergaan. Allereerst moet het poeder ‘gecompacteerd’ worden door persen of slibgieten. Persen heeft als nadeel dat er onregelmatigheden in de structuur ontstaan. Zulke onregelmatigheden ondermijnen de mechanische eigenschappen, zoals hardheid, breek- en treksterkte. Verder kunnen alleen vrij simpele vormen geperst worden.
Dagelijks hebben mensen van doen met één van de bekendste produkten die gemaakt zijn met behulp van slibgieten: dat is namelijk de wc-pot. Het slibgiet-proces kent diverse fasen. Eerst mengt men het Sialon-poeder met gedemineraliseerd water, totdat er een homogene suspensie ontstaat: gelijkmatig verdeelde poederdeeltjes in de vloeistof. Dan gaat de suspensie in een vorm waarin het kan uitharden. Voordeel van slibgieten boven persen is dat de meest ingewikkelde vormen gemaakt kunnen worden tegen een relatief lage kostprijs.
De grotere dichtheid en grootte van de ijzerdeeltjes ten opzichte van de Sialon-poederdeeltjes hinderen de vormgeving. Het is dus noodzakelijk om die voor het vormgevingsproces te verwijderen. Dit kan op twee manieren: magnetisch en chemisch. Magnetische zuivering verdient de voorkeur aangezien de chemische zuivering gebruikt maakt van zoutzuur en zodoende een nieuwe afvalstroom creëert. De laatste behandeling die het produkt moet ondergaan voordat het echt keramiek is, is het zogenaamde sinteren. Dat betekent gedurende enkele uren een hoge-temperatuur-behandeling met als doel een volledige verdichting van het materiaal. Resultaat: geen poriën meer in het materiaal. Na deze behandeling heeft men keramiek in handen.

Toepassingen
Wat kunnen we met Sialon-keramiek? ‘In principe heel veel’, aldus Hintzen. ‘Echter, gezien de verwerkingskosten moet er gedacht worden aan specifieke toepassingen waar andere materialen, zoals kunststoffen en metalen, niet meer voldoen.’ Sialons worden op commerciële schaal al benut als beitelmateriaal, maar ook als motoronderdeel, waarvoor - met name bij hoge temperaturen - slijtvastheid en een lange levensduur vereist is. ‘Het corrosiebestendige materiaal kan bijvoorbeeld in een gasturbine goede diensten bewijzen. TNO-TPD gaat momenteel de mogelijkheden op dit gebied na’, vervolgt Hintzen zijn betoog. ‘Gasturbines gebruikt men om stroom op te wekken. Als men de metalen schoepen vervangt door keramische, gaan die niet alleen langer mee, maar kan ook de bedrijfstemperatuur omhoog.’ Volgens Hintzen resulteert dit in een hogere efficiëntie, met minder brandstofverbruik en een vollediger verbranding. De winnaar daarbij is het milieu.