Study of foam glass elaborated from waste cathode-ray-tube (CRT) lead oxide containing glasses: Elaboration, physical and chemical characterizations and applications.
Etude de mousses de verres issus de Tubes à Rayons Cathodiques (TRC) en fin de vie contenant de l'oxyde de plomb :
Elaboration, caractérisations physicochimiques et applications.
Résumé
This work is devoted to search of possible applications for waste Cathode-Ray-Tube (CRT) glasses. Heavy elements contained in the glasses are required be buried land field by producers and recyclers of CRT's.
Foam glass seems to be the most promising for waste CRT glasses recycling. The foam glass is commercially available and a great amount of the CRT glass could potentially be used. The foam glass is obtained after heat treatment of a powder mixture of the CRT glass and reducing agent such as titanium nitride or silicone carbide. The basic principle of foam glass manufacture is to generate a gas, by reaction between the reducing agent and lead oxide contained in the funnel CRT glass. The gas expands thus producing a structure of cells to form a porous body.
A low density leads to high porosity, about eighty percent, and a single pore size distribution has been obtained between 0.3 and 0.5 µm depending on the reducing agent used. Lead metallic granules are observed on the pore surface.
The foam glasses obtained from the CRT glass are good insulators has evidenced by their low thermal conductivity (<0.25 W.m-1.K-1) and also possess good mechanical properties. The mechanical stress was obtained between 4 and 250 MPa and depends on synthesis process. The insulating properties are conserved.
This ensemble of properties permits to consider industrials applications of thermal insulation production, in agreement with environmental legislation.
A partial depollution by mechanical extraction of the lead metallic granules formed after heat treatment is possible.
Foam glass seems to be the most promising for waste CRT glasses recycling. The foam glass is commercially available and a great amount of the CRT glass could potentially be used. The foam glass is obtained after heat treatment of a powder mixture of the CRT glass and reducing agent such as titanium nitride or silicone carbide. The basic principle of foam glass manufacture is to generate a gas, by reaction between the reducing agent and lead oxide contained in the funnel CRT glass. The gas expands thus producing a structure of cells to form a porous body.
A low density leads to high porosity, about eighty percent, and a single pore size distribution has been obtained between 0.3 and 0.5 µm depending on the reducing agent used. Lead metallic granules are observed on the pore surface.
The foam glasses obtained from the CRT glass are good insulators has evidenced by their low thermal conductivity (<0.25 W.m-1.K-1) and also possess good mechanical properties. The mechanical stress was obtained between 4 and 250 MPa and depends on synthesis process. The insulating properties are conserved.
This ensemble of properties permits to consider industrials applications of thermal insulation production, in agreement with environmental legislation.
A partial depollution by mechanical extraction of the lead metallic granules formed after heat treatment is possible.
Ce travail est consacré à la recherche et l'étude d'une filière de valorisation des verres de Tubes à Rayons Cathodiques (TRC) en fin de vie. La présence d'éléments lourds dans la composition de ces verres oblige les fabricants et les distributeurs à les recycler afin d'éviter leur mise en décharge, limitée aux déchets ultimes.
La filière la plus prometteuse semble celle du verre expansé, matériau déjà commercialisé et qui permettrait d'écouler la quasi-totalité du gisement. Le verre expansé est obtenu après traitement thermique d'un mélange de poudre de verre de TRC et d'un réducteur qui peut être le nitrure de titane ou le carbure de silicium. La réaction entre le réducteur et l'oxyde de plomb présent dans la matrice donne lieu à un dégagement gazeux à l'origine de la structure cellulaire.
Une faible densité justifiée par une forte porosité, autour de 80%, ainsi qu'une distribution de taille d'accès aux pores unique et centrée autour de 0,3 à 0,5 µm suivant le réducteur utilisé ont été obtenues.
La présence de plomb métal sous forme de bille en surface de pores a pu être mis en évidence.
Les mousses obtenues possèdent une conductivité thermique faible (<0,25 W.m-1.K-1), ce qui les classe dans la catégorie des isolants thermiques tout en possédant des propriétés mécaniques satisfaisantes : contrainte moyenne à la rupture variant de 4 à 250 MPa suivant le procédé de synthèse. Les propriétés d'isolation électrique sont conservées.
L'ensemble de ces propriétés permet d'envisager des applications industrielles comme la réalisation de panneau d'isolation, en accord avec les réglementations environnementales.
Une dépollution partielle du matériau par extraction mécanique des billes de plomb formées après traitement thermique est par ailleurs envisageable.
La filière la plus prometteuse semble celle du verre expansé, matériau déjà commercialisé et qui permettrait d'écouler la quasi-totalité du gisement. Le verre expansé est obtenu après traitement thermique d'un mélange de poudre de verre de TRC et d'un réducteur qui peut être le nitrure de titane ou le carbure de silicium. La réaction entre le réducteur et l'oxyde de plomb présent dans la matrice donne lieu à un dégagement gazeux à l'origine de la structure cellulaire.
Une faible densité justifiée par une forte porosité, autour de 80%, ainsi qu'une distribution de taille d'accès aux pores unique et centrée autour de 0,3 à 0,5 µm suivant le réducteur utilisé ont été obtenues.
La présence de plomb métal sous forme de bille en surface de pores a pu être mis en évidence.
Les mousses obtenues possèdent une conductivité thermique faible (<0,25 W.m-1.K-1), ce qui les classe dans la catégorie des isolants thermiques tout en possédant des propriétés mécaniques satisfaisantes : contrainte moyenne à la rupture variant de 4 à 250 MPa suivant le procédé de synthèse. Les propriétés d'isolation électrique sont conservées.
L'ensemble de ces propriétés permet d'envisager des applications industrielles comme la réalisation de panneau d'isolation, en accord avec les réglementations environnementales.
Une dépollution partielle du matériau par extraction mécanique des billes de plomb formées après traitement thermique est par ailleurs envisageable.
Mots clés
Foam-glass
Cathode-Ray Tubes (CRT)
Funnel glass
heavy elements
Lead
Porosity
Titanium nitride
Silicon carbide
X-ray diffraction
Cellular structure
Scanning Electron Microscopy (SEM)
Extended X-ray Absorption Fine Structures (XAFS)
X-ray Photoelectronic spectroscopy (XPS)
Mechanicals properties
Mousse de verre
Tube à Rayon Cathodique (TRC)
Verre de cône
Eléments lourds
Plomb
Porosité
Nitrure de titane
Carbure de silicium
Diffraction des rayons X
Structure cellulaire
Microscopie Electronique à Balayage (MEB)
Spectroscopie d'Absorption X (XAFS)
Spectroscopie photoélectronique à rayonnements X (XPS)
Propriétés mécaniques
Domaines
Matériaux
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