FLASH SINTERING EFFECT ON FLY ASH MICROSTRUCTURE

Öz

In this study, densification of fly ash, (FA, industrial waste glass ceramic material) powder is carried out by electric field assisted flash sintering method. FA obtained from Tunçbilek Thermal Power Plant (Kütahya, Turkey). During the flash sintering experiment, 450 V/mm electric field is applied on sample with 0.85 amp current cutoff value. Flash sintering is accomplished in 70 sec at ≈ 1137℃. According to XRD analysis, glassy phase, quartz, hematite, magnetite, magnesioferrite and mullite structures are in the structure. Based on the results of chemical analysis (XRF), reported in the literature, the sintering of ceramic materials formed by SiO2, Al2O3 and Fe2O3 individually or all together occurs at temperatures of 1500 ℃ and above. By electric field assisted flash sintering technique, the sintering temperature is decreased from 1500 to 1137℃ along with a decrement in sintering time from 3 hours to 70 seconds. The sintering process with this method was performed at a lower temperature and in a shorter time than traditional sintering methods. With the SEM micrographs, it has been proven that fly ash flash sintering processes have a denser structure compared to the conventional sintering.

Anahtar Kelimeler

• fly ash
• electric field
• flash sintering
• glass ceramic

Flaş sinterleme yönteminin uçucu kül mikroyapısına etkisi

Öz

Bu çalışmada termik santral atığı olan cam seramik malzemelerden uçucu kül’ ün yoğunlaştırılması (sinterlenmesi) elektrik alan destekli flaş sinterleme yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Uçucu Kül numuneleri Tunçbilek Termik Santralinden (Kütahya, Türkiye) temin edilmiştir. Flaş sinterleme deneyinde 0,85 A akım üst limiti belirlenerek 450 V/mm elektrik alan uygulanmıştır. XRD analizine göre yapıda camsı faz, kuvars, hematit, manyetit, magnezyoferrit ve müllit yapıları bulunmaktadır. Kimyasal analizi (XRF) ile içeriğinde belirlenen yüksek orandaki SiO2, Al2O3 ve Fe2O3’ün tek başlarına ve/veya birlikte oluşturdukları cam-seramik malzemelerin sinterlenmesi 1500℃ ve üzeri sıcaklıklarda gerçekleştiği literatürde rapor edilmiştir. Elektrik alanlı flaş sinterleme işlemi uçucu külün ortalama sinter sıcaklığını 1500℃’lerden 1137℃’ye düşürürken sinter süresini de 3 saatten 70 saniyeye çekmiştir. Bu yöntem ile gerçekleştirilen sinterleme işlemi geleneksel sinterleme yöntemlerinden daha düşük sıcaklık ve daha kısa sürede gerçekleştirilmiştir. Literatürdeki uçucu kül sinterleme işlemlerinin SEM mikrografları ile karşılaştırıldığında daha yoğun bir yapı sinter işleminin başarılı bir şekilde gerçekleştiğini kanıtlanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• uçucu kül
• cam seramik
• elektrik alan
• flaş sinterleme

Kaynakça

1. 1. Şengul Ü., Uçucu kül ve çevresel etkileri, Afyon Kocatepe University Journal of Science, 2007. 7(1).
2. 2. Karayannis V., Moutsatsou A., Domopoulou A., Katsika E., Drossou C. and Baklavaridis A., Fired ceramics 100% from lignite fly ash and waste glass cullet mixtures, Journal of Building Engineering, 14, 1-6, 2017.
3. 3. Koçkal N.U., Özturan T., Sinterleme sıcaklığının uçucu kül hafif agregaların özelliklerine etkisi, Ulusal Beton Kongresi, Maya basın yayın, 33-143, 2007.
4. 4. Qian L.-P., Wang Y.-S., Alrefaei Y., Dai J.-G., Experimental study on full-volume fly ash geopolymer mortars: Sintered fly ash versus sand as fine aggregates, Journal of Cleaner Production, 263, 121445, 2020.
5. 5. Rzepa K., Wons W., Sitarz M., Reben M., Structure and microstructure of sintered ceramic obtained by crystallization of fly ash mixtures and glass cullet, Journal of Molecular Structure,. 1217, 128402, 2020.
6. 6. Yoon S.-D., Lee J.-U., Lee J.-H., Yun Y.-H., Yoon W.-J., Characterization of wollastonite glass-ceramics made from waste glass and coal fly ash, Journal of Materials Science & Technology, 29 (2), 149-153, 2013.
7. 7. Topçu İ. B., Boğa A.R., Uçucu kül ve çelik liflerin beton ve beton borularda kullanımı, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 18 (2), 1-14, 2005.
8. 8. Öntürk K., Fırat S., Vural İ., Khatib J. M., Uçucu Kül ve Mermer Tozu Kullanarak Yol Altyapısının İyileştirilmesi, Politeknik Dergisi, 17 (1), 35-42, 2014.

9. 9. Güler G., Güler E., İpekoğlu Ü., Mordoğan H., Uçucu küllerin özellikleri ve kullanım alanları, Türkiye, 19, 419-423, 2005.
10. 10. Erdal İ., Özkul M. Yavuz G., Küçükyumuk Z., Kireçli bir toprakta yetiştirilen nohut ve buğdayın gelişimi ve mineral beslenmesi üzerine termik santral uçucu külünün etkisi, Ziraat Fakültesi Dergisi, 7 (2), 65-72, 2012.
11. 11. Dinçyürek Ö., Bayat B., Termik santral uçucu kül tiplerinin atıksulardaki fenolün adsorpsiyon yöntemi ile giderim etkinliklerinin karşılaştırılması, Çukurova Fen Bilimleri Enstitüsü, 20 (2), 71-81, 2009.
12. 12. Türker P., Erdoğan B., Kantaş F., Yeğinobalı A., Türkiye'deki uçucu küllerin sınıflandırılması ve özellikleri, Ankara, TÇMB, 2009.
13. 13. Binhussain M.A., et al., Sintered and glazed glass-ceramics from natural and waste raw materials, Ceramics International, 40 (2), 3543-3551, 2014.
14. 14. Akdoğan E., Şavklıyıldız İ., Biçer H., Paxton W., Toksoy F., Zhong Z., Tsakalakos T., Anomalous lattice expansion in yttria stabilized zirconia under simultaneous applied electric and thermal fields: A time-resolved in situ energy dispersive x-ray diffractometry study with an ultrahigh energy synchrotron probe, Journal of Applied Physics, 113 (23), 233503, 2013.
15. 15. Gaur A., Sglavo V. M., Flash-sintering of MnCo2O4 and its relation to phase stability, Journal of the European Ceramic Society, 34 (10), 2391-2400, 2014.
16. 16. Raj R., Joule heating during flash-sintering, Journal of the European Ceramic Society, 32 (10), 2293-2301, 2012.
17. 17. Serrazina R., Vilarinho P. M., Senos A. M. O. R., Pereira L., Reaney I. M., dean J. S., Modelling the particle contact influence on the Joule heating and temperature distribution during FLASH sintering, Journal of the European Ceramic Society, 40 (4), 1205-1211 2020.
18. 18. Bicer H., Beyoğlu B., Özdemir T. E., Okasinski J., Tsakalakos T., Direct in situ observation of electric field assisted densification of ZnO by energy dispersive X-ray diffraction, Ceramics International, 45 (6), 7614-7618, 2019.
19. 19. Du Y., Stevenson J., Vernat D., Diaz M., Marinha D., Estimating Joule heating and ionic conductivity during flash sintering of 8YSZ, Journal of the European Ceramic Society, 36 (3), 749-759, 2016.
20. 20. Todd R., Zapata Solvas E., Bonilla R. S., Sneddon T., Wilshaw P. R., Electrical characteristics of flash sintering: Thermal runaway of Joule heating, Journal of the European Ceramic Society, 35 (6), 1865-1877, 2015.
21. 21. Zhan X., Wang L., Wang L., Gong J., Wang X., Song X., Xu T., Co-sintering MSWI fly ash with electrolytic manganese residue and coal fly ash for lightweight ceramisite, Chemosphere, 263, 127914. 2021.