Oddělení struktury a vlastností materiálů se zabývá vztahy mezi strukturou a vlastnostmi anorganických a organických materiálů, jejich přípravou a procesy zpracování s využitím experimentálního a matematického modelování. Výzkumná témata jsou zaměřena na studium
(a) vitrifikačních procesů, tavicích procesů skel a speciálních skel pro fotoniku, (b) aluminosilikátových pojiv a fixaci anorganických odpadů v geopolymerní matrici a (c) technologií zpracování organických odpadů na dále využitelné produkty.
1. Modelování tavících procesů skla Výzkumné práce jsou zaměřeny na návrhy a aplikace pokročilých technologií a příslušných tavicích prostorů skel za podmínek vedoucích ke snížení energetické spotřeby a k podstatnému zvýšení tavicího výkonu nebo k miniaturizovaným kompaktním tavicím prostorům.
2. Konverze kmene na sklo a vitrifikační procesy Cílem výzkumu je vyvinout pokročilý model konverze vstupní vsázky na sklo a začlenit jej do CFD modelů sklářských tavicích a vitrifikačních prostorů. Studujeme procesy probíhající při tavení vsázky a analyzujeme tepelné a mechanické vlastnosti vsázky za účelem řešení tepelné a hmotnostní bilance.
3. Speciální skla pro infračervené záření Výzkum speciálních skel z oxidů těžkých kovů a skel chalkogenidových, která jsou propustná pro záření o delších vlnových délkách, než jaké jsou schopná propouštět konvenční skla na bázi klasických sklotvorných oxidů SiO2 a B2O3. Popis fyzikálněchemických vlastností nových skelných materiálů s důrazem na jejich optickou propustnost a v případě skel dopovaných ionty vzácných zemin i na jejich fotoluminiscenční vlastnosti.
4. Nové geopolymery Příprava geopolymerních materiálů; studium podmínek reakce a určení vlastností vzniklých solidifikátů; charakterizace surovin pro přípravu geopolymerních materiálů a využití nových netradičních zdrojů surovin; solidifikace a inhibice nebezpečných odpadů; návrh možné aplikace geopolymerního kompozitu dle stanovených vlastností, rentgenová fluorescenční analýza (XRF).
5. Zpracování odpadních materiálů Znovuvyužití různých typů organických odpadních materiálů jejich tepelnou přeměnou pro přípravu dále využitelných látek. Studium tepelně degradačních reakcí a jejich katalyzátorů. Úprava a využití hnědých uhlí pro neenergické účely. Termogravimetrická analýza s hmotnostní detekcí, plynová chromatografie plynných látek, reologické vlastnosti olejů.
Navázání spolupráce s Universitou Mines ParisTech a výzkumným centrem CEA Marcoule: Členové výzkumného týmu byli pozváni na přednášky na Seminář o modelování procesů tavení skla, který se konal v červenci 2018 ve francouzském Marcoule. Doktorand z ParisTech strávil čtyři týdny v naší laboratoři, práce na tématu chování bublin ve skle. Získané experimentální výsledky jsou v současné době analyzovány a připraveny ke společné publikaci.
Vědecký tým pro vývoj "Speciálních skel pro infračervené záření" rozvinul širokou mezinárodní spolupráci, jejímž výsledkem byly výměnné programy a společné publikace
Vědecký tým pro vývoj "Speciálních skel pro infračervené záření" rozvinul širokou mezinárodní spolupráci, jejímž výsledkem byly výměnné programy a společné publikace
Vědecký tým pro vývoj "Speciálních skel pro infračervené záření" rozvinul širokou mezinárodní spolupráci, jejímž výsledkem byly výměnné programy a společné publikace
Spolecny projekt byl zahajen v polovine roku 2013. Prvni etapa projektu se bude resit dva roky. Cilem projektu je podstatne snizit spotrebu energie v tavicim procesu skel a celkove zvysit efektivitu provozovanych tavicich agregatu. V uvahu pripadaji i netradicni reseni, jakymi se zabyva cesky tym. ukolem ceskeho tymu je hledat a nalezt podminky, za nichz lze v prumyslovych tavicich agregatech uplatnit rizene proudeni taveniny. Grantovym partnerem je ceska spolecnost Glass Service a.s.. Hlavnim prostredkem dosazeni cile je matematicke modelovani navrhovanych tavicich prostoru s rizenym proudenim a jejich hodnoceni z hlediska vyuzitelnosti prostoru pro hlavni tavici deje.
Modelování procesů tavení skla - optimalizace taviče pro vitrifikaci radioaktivního odpadu.
Spolupráce s americkými laboratořemi pomohla rozvíjet další kontakty s předními světovými pracovišti v oboru - včetně stáží členů týmu a studentů v PNNL a hostujících výzkumníků z PNNL a TITECH v naší laboratoři. Tým doktorandů strávil 12 měsíců na PNNL. Společná práce v Praze a v Richlandu přinesla velké množství experimentálních výsledků, které vyústily v úspěšnou obhajobu diplomové práce v roce 2019 a pět publikací převážně v prvním a druhém kvartilním časopise. V letech 2018--2019 výzkumný pracovník PNNL recipročně pracoval na svém postdoktorském projektu v naší laboratoři. Projekt se zaměřil na téma přeměny šarže na sklo a byl plně financován americkým ministerstvem energetiky (US DOE). Výsledkem spolupráce s PNNL bylo asi 15 vědeckých publikací publikovaných převážně v prvních kvartilních časopisech. Rostoucí prestiž společného mezinárodního týmu vedla k přípravě příspěvku s názvem "Modeling Batch Melting: Role of Heat Transfer and Reaction", který byl publikován na konci roku 2019 jako pozvaný celovečerní článek (včetně titulní fotografie) v Journal of the American Ceramic Society, a journal of the first quartile in the category Materials Science - Ceramics.
Výsledky
Vitrifikace jaderného odpadu: stupeň přeměny a přenos tepla v chladné části kmene a jejich vliv na rychlost produkce skla v elektrickém tavicím agregátu
2023
Vypracovaný prediktivní model rychlosti tavení při vitrifikaci odpadního skla je nezbytný pro hlubší znalost provozu zejména při abnormálních situacích. Je popsán vývoj modelu chladné části kmene (cold cap), který spojuje přenos tepla s kinetikou konverze suroviny na sklo. Model byl aplikován na čtyři typy kmenů navržených pro vitrifikaci vysoce-radioaktivního a nízko-radioaktivního jaderného odpadu s využitím vlastností materiálu, ať už měřených nebo odhadnutých, a k získání distribuce teploty a konverze uvnitř chladné části kmene. Model chladné části kmene spolu s modelem dynamiky kapalin v tavicí peci otápěné Jouleovým teplem umožňuje predikci rychlosti výroby skla a spotřeby energie. Výsledky ukazují racionální shodu s rychlostmi tavení naměřenými během poloprovozních zkoušek v peci.
Publikace: Ferkl P., Hrma P., Abboud A., Guillen D., Vernerová M., Kloužek J., Hall M., Kruger A.A., Pokorný R. (2023): Conversion degree and heat transfer in the cold cap and their effect on glass production rate in an electric melter. International Journal of Applied Glass Science 14, 318-329. doi: 10.1111/ijag.16615
Image
Energetická bilance tavení sklářského kmene v tavicím agregátu pro vitrifikaci radioaktivního odpadu
Brusné kameny na bázi geopolymerů využitelné při obrábění kovů
2023
Jílovo-struskový geopolymer s korundovými zrny byl použit pro přípravu nových brusných nástrojů pro účinné broušení kovů. Výsledky prokázaly, že v případě broušení kovů může geopolymerní matrice nahradit keramické pojivo v brusných nástrojích. Geopolymerní brusné kameny představují novou generací brusných materiálů, které jednak využívají odpadní materiály, jednak šetří primární surovinové zdroje, rovněž snižují spotřebu energie a mají minimální dopad na životní prostředí. Výsledku bylo dosaženo ve spolupráci s průmyslovou společností I&AAT s.r.o., Buštěhrad – Kladno.
Publikace: Perná I., Hanzlíček T., Lučaník A., Šupová M. (2023): Geopolymer-based grinding stones utilizable in metal machining. Construction and Building Materials 363, 129869. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129869
Image
Celkový pohled na broušenou ocelovou trubku s různým účinkem brusných kamenů (lesklé plochy)
Vliv sacharózy na oxidačně-redukční podmínky a retenci rhenia během vitrifikace nízkoaktivního odpadu
2023
Khawand J., Kloužek J., Vernerová M., Cincibusová P., Hrma P., Kruger A., Pokorný R. (2023): Effect of sucrose on the oxidation-reduction conditions and retention of rhenium during vitrification of low-activity waste. Journal of Nuclear Materials. 573 (January 2023), 154155. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154155
Degradační procesy středověké a renesanční glazované keramiky
2023
Kolářová M., Kloužková A., Kohoutková M., Kloužek J., Dvořáková P. (2023): Degradation Processes of Medieval and Renaissance Glazed Ceramics. Materials. 16 (1), 375. https://doi.org/10.3390/ma16010375
Alternativní redukční činidla pro regulaci pěny při vitrifikaci vysokoželezného vysokoaktivního odpadu (HLW).
2023
Rigby J.C., Dixon D.R., Kloužek J., Pokorný R., Thompson P.B.J., Scrimshire A., Kruger A.A., Bell A.M.T., Bingham P.A. (2023): Alternative reductants for foam control during vitrification of high-iron High Level Waste (HLW) feeds. Journal of Non-Crystalline Solids. 608, 122240. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122240
Vliv vlastností materiálu na kinetiku přeměny vsázky na sklo.
2023
Ferkl P., Hrma P., Kloužek J., Kruger A., Pokorný R. (2023): Effect of material properties on batch-to-glass conversion kinetics. International Journal of Applied Glass Science. 14, 491-501. https://doi.org/10.1111/ijag.16631
Přechodná tvorba taveniny a její vliv na konverzní jevy při vitrifikaci jaderného odpadu - analýza HT-ESEM
2023
Pokorný R., Vernerová M., Kloužek J., Cincibusová P., Kohoutková M., Pezl R., Ferkl P., Hrma P., Podor R., Schuller S., Kruger A. (2023): Transient Melt Formation and its Effect on Conversion Phenomena during Nuclear Waste Vitrification – HT-ESEM Analysis. Journal of the American Ceramic Society. 1–15. https://doi.org/10.1111/jace.19361
Struktura studeného uzávěru v elektrické tavicí peci s náplní
2023
Ferkl P., Hrma P., Kloužek J., Kruger A., Pokorný R. (2023): Cold-cap structure in a slurry-fed electric melter. International Journal of Applied Glass Science, 15, 73-87 https://doi.org/10.1111/ijag.16645
Brusné kameny na bázi geopolymerů využitelné při obrábění kovů.
2023
Perná I., Hanzlíček T., Lučaník A., Šupová M. (2023): Geopolymer-based grinding stones utilizable in metal machining. Construction and Building Materials 363, 129869 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129869
Charakteristika a obnova dlažby v parteru poutního kostela sv. Jana Nepomuckého (Česká republika).
2023
Hanzlíček T., Perná I., Michoinová D., Rafl J. (2023): The characterization and renovation of parterre floor tiles in the pilgrimage church of St. John of Nepomuk (Czech Republic). Case Studies in Construction Materials 19, e02297 https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02297
Biochar jako účinný materiál pro sorpci acetonu a vliv plochy povrchu na mechanismus sorpce
2023
Švábová M. Bičáková O., Vorokhta M. (2023): Biochar as an effective material for acetone sorption and the effect of surface area on the mechanism of sorption. Journal of Environmental Management 348, 119205. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119205
Vliv složení krmiva na produkci zplodin při vitrifikaci simulovaného nízkoaktivního jaderného odpadu
2023
Kunc J., Kloužek J., Vernerová M., Cincibusová P., Ferkl P., Hall M., Eaton W., Hrma P., Guillen D., Kruger A., Pokorný R. (2023): Effect of feed composition on the production of off-gases during vitrification of simulated low-activity nuclear waste. Progress in Nuclear Energy. 166, 104932. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2023.104932
Přechodná tvorba taveniny a její vliv na konverzní jevy při vitrifikaci jaderného odpadu - analýza HT-ESEM
2023
Pokorný R., Vernerová M., Kloužek J., Cincibusová P., Kohoutková M., Pezl R., Ferkl P., Hrma P., Podor R., Schuller S., Kruger A. (2023): Transient Melt Formation and its Effect on Conversion Phenomena during Nuclear Waste Vitrification – HT-ESEM Analysis. Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/10.1111/jace.19361
Vliv složení křemičitého horninového skla na účinnost prebiotických reakcí polymerizace RNA: Případ 3',5' cyklického guanosinmonofosfátu.
2023
Šponer J.E., Kloužek J., Výravský J., Wunnava S., Scheu B., Braun D., Mojzsis S.J., Palacký J., Vorlíčková M., Šponer J., Matyášek R., Kovařík A. (2023): Influence of Silicate Rock Glass Compositions on the Efficacy of Prebiotic RNA Polymerization Reactions: The Case of 3’,5’ Cyclic Guanosine Monophosphate. ChemSystemsChem. 5. https://doi.org/10.1002/syst.202300016
Tepelné, optické, strukturní a elektrické vlastnosti skel ZnO-MoO3-TeO2
2023
Miray Celikbilek Ersundu, Ali Ercin Ersundu, Ondrej Bosak, Marian Kubliha, Petr Kostka (2023): Thermal, optical, structural, and electrical properties of ZnO-MoO3-TeO2 glasses. Ceramics International 49, 12950-12958. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.12.166
Influence of substituted acetic acids on “bridge” synthesis of highly photocatalytic active heterophase TiO2 in hydrogen production
2023
Cihlář J., Navarro L.K.T., Cihlář J., Kasparek V., Michalicka J., Částková K., Lazar I., Kastyl J., Celko L., Vesely M., Dzik P. (2023): Influence of substituted acetic acids on “bridge” synthesis of highly photocatalytic active heterophase TiO2 in hydrogen production. Journal of Sol-Gel Science and Technology 105, 471–488. https://doi.org/10.1007/s10971-022-06011-8
Slow pyrolysis of waste polyethylene terephthalate yielding paraldehyde, ethylene glycol, benzoic acid and clean fuel
2022
Straka P., Bičáková O., Šupová M. (2022): Slow pyrolysis of waste polyethylene terephthalate yielding paraldehyde, ethylene glycol, benzoic acid and clean fuel. Polymer Degradation and Stability 198, 109900. doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109900
A Comparison of the Efficiency of Catalysts Based on Ni, Ni-Co and Ni-Mo in Pressure Pyrolysis of Biomass Leading to Hythane
2022
Straka P., Bičáková O., Hlinčík T. (2021): A Comparison of the Efficiency of Catalysts Based on Ni, Ni-Co and Ni-Mo in Pressure Pyrolysis of Biomass Leading to Hythane. Catalysts 11, 1480. DOI: doi.org/10.3390/catal11121480
Modified Geopolymers for the Photocatalytic Dye Decomposition
2022
Novotná M., Knotek P., Hanzlíček T., Kutálek P., Perná I., Melánová K., Černošková E., Kopecká K. (2021): TiO2 Modified Geopolymers for the Photocatalytic Dye Decomposition. Crystals 11(12), 1511. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst11121511
Effect of network connectivity on behavior of synthetic Broborg Hillfort glasses
2022
Marcial J., Cicconi M., Pearce C., Kloužek J., Neeway J., Pokorný R., Vernerová M., McCloy J., Nienhuis E., Sjoblom R., Weaver J., Hand R., Hrma P., Neuville D., Kruger A. (2022): Effect of network connectivity on behavior of synthetic Broborg Hillfort glasses. Journal of the American Ceramic Society. First published: 11 September 2022. DOI: doi.org/10.1111/jace.18778 (accepted) (RVO 67985891)
Elemental mapping and iron oxidation state measurement of synthetic low-activity waste feeds.
2022
Marcial J., George J., Ferkl P., Pokorný R., Kissinger R., Crum J., Kloužek J., Hrma P., Kruger A., (2022): Elemental mapping and iron oxidation state measurement of synthetic low-activity waste feeds. Journal of Non-Crystalline Solids. 591 (1 September 2022), 121725. DOI: doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121725 (RVO 67985891)
In-situ x-ray and visual observation of foam morphology and behavior at the batch-melt interface during melting of simulated waste glass
2022
Marcial J., Luksic S., Kloužek J., Vernerová M., Cutforth D., Varga T., Hrma P., Kruger A., Pokorný R. (2022): In-situ x-ray and visual observation of foam morphology and behavior at the batch-melt interface during melting of simulated waste glass. Ceramics International. 48 (6), 7975-7985. DOI: doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.344 (RVO 67985891)
Effect of Al and Fe sources on conversion of high-level nuclear waste feed to glass.
2022
5. Marcial J., Kloužek J., Vernerová M., Ferkl P., Lee S., Cutforth D., Hrma P., Kruger A., Pokorný R. (2022): Effect of Al and Fe sources on conversion of high-level nuclear waste feed to glass. Journal of Nuclear Materials. 559 (February 2022), 153423. doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153423 (RVO 67985891)
Temperature sensing down to 4 K with erbium doped tellurite glasses
2022
4. Yatskiv R., Kostka P., Grym J., Zavadil J. (2022): Temperature sensing down to 4 K with erbium doped tellurite glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 575 (1 January 2022), 121183. DOI: doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121183 (GAČR 19-07456S)
Impact of melt flow on the process of glass melting
2022
3. Cincibusová P., Jebavá M.,Tonarová V., Němec L. (2022): Impact of melt flow on the process of glass melting. Journal of Asian Ceramic Societies. 10 (3), 621-637.doi.org/10.1080/21870764.2022.2099102 (TH02020316, RVO 67985891)
Interaction of historical lead glazes with corrosive media
2022
2. Kolářová M., Kloužková A., Stodolová K., Kloužek J., Dvořáková P., Kohoutková M. (2021): Interaction of historical lead glazes with corrosive media. Ceramics-Silikaty 65 (4), 417-426. doi.org/10.13168/cs.2021.0045 (RVO 67985891)
Visual observation of foaming at the batch-melt interface during melting of soda-lime-silica glass.
2022
1. Kloužek J., Cincibusová P., Vernerová M., Hrma P., Marcial J., Pokorný R. (2021): Visual observation of foaming at the batch-melt interface during melting of soda-lime-silica glass. Ceramics-Silikaty 65 (4), 410-416. doi.org/10.13168/cs.2021.0044(RVO 67985891)
Komplexní studie technologie Power-to-Gas: Přehled technických realizací, ekonomické posouzení, metanizace jako pomocný provoz hnědouhelné elektrárny
2021
Primárním cílem práce je řešení otázky skladování energie. V této souvislosti jsou hodnoceny technické implementace technologie Power-to-Gas, související technicko-ekonomické aspekty a možnosti hromadného nasazení. Práce také hodnotí využitelnost zdrojů oxidu uhličitého. Atraktivita a konkurenceschopnost uvažované technologie závisí na její provázanosti s průmyslovými sektory, zejména s dopravou a energetikou. Pro různé diskontní sazby je kalkulována diskontní doba návratnosti, která ukazuje, že investice do technologie Power-to-Gas mají velmi dobrou návratnost.
Publikace: Straka Pavel: A comprehensive study of Power-to-Gas technology: Technical implementations overview, economic assessments, methanation plant as auxiliary operation of lignite-fired power station. Journal of Cleaner Production 311, 2021, 127642. Doi: doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127642
obr.: Power-to-Gas-technology2
Model tavení kmene: propojení přenosu tepla s kinetikou konverze
2022
Studie popisuje model konverze kmene na sklo pro tavicí pec na obalovou sklovinu. Model zahrnuje vztahy mezi teplotní historií částic kmene, vlastnostmi kmene a rychlostí tavení propojenými s modely přestupu tepla a kinetiky konverze kmene. Přestup tepla v kmeni je počítán 1-dimenzionálním modelem konvektivně-konduktivní bilance tepla, zatímco kinetika konverze je popsána pomocí modelů založených na datech rozpouštění částic písku.
Publikace: Ferkl, P., Hrma, P., Kloužek, J., Vernerová, M., Kruger, A.A., Pokorný, R.: Model for batch-to-glass conversion: coupling the heat transfer with conversion kinetics. Journal of Asian Ceramic Societies 9, 652-664 (2021). DOI: doi.org/10.1111/jace.17406
Laboratoř anorganických materiálů(LAM) je společným pracovištěm Vysoké školy chemicko-technologické v Praze a Ústavu struktury a mechaniky hornin AVČR, v.v.i. Činnost LAM pokrývá rovnoměrně oblast výuky a základního i aplikovaného výzkumu.
V pedagogické oblasti se podílíme na výuce bakalářského studijního oboru Chemie a technologie materiálů, magisterského studijního oboru Anorganické nekovové materiály a doktorského studijního oboru Chemie a technologie anorganických materiálů.
Naše výzkumná činnost je zaměřena na studium tavicích procesů skel a materiálů pro aplikace ve fotonice.
Doc. Ing. Jaroslav Kloužek CSc. Prof. Ing. Lubomír Němec DrSc. Ing. Petra Cincibusová Ph.D. Ing. Marcela Jebavá Ph.D. Jana Hurníková Ing. Petr Kostka, Ph.D. Ing. Richard Pokorný, Ph.D. Ing. Vladislava Tonarová, Ph.D. Ing. Miroslava Vernerová, Ph.D.
Doktorandi Ing. Nikola Bašinová Ing. Lukáš Hrbek Ing. Miroslava Hujová Ing. Petra Kocourková
Laboratoř enviromentálních technologií
Laboratoř environmentálních technologií se zabývá vztahy mezi strukturou a vlastnostmi anorganických a organických materiálů, jejich přípravou a procesy zpracování s využitím experimentálního a matematického modelování.
Výzkumná témata jsou zaměřena na studium
(a) aluminosilikátových pojiv a fixaci anorganických odpadů v geopolymerní matrici, (b) možnostmi aplikace geopolymerních materiálů a (c) technologií zpracování organických odpadů na dále využitelné produkty a jejich charakterizaci.
Ing. Olga Bičáková, Ph.D. Ing. Jaroslav Cihlář, Ph.D. Ing. Sergei Izieiavlev Ing. Jana Náhunková Ing. Martina Novotná Ing. Ivana Perná Ph.D. Doc. RNDr. Pavel Straka, DrSc
