Valorization of mining and metallurgical wastes through alkali activation

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η εμβάθυνση της κατανόησης της αλκαλικής ενεργοποίησης μεταλλουργικών και μεταλλευτικών αποβλήτων, όπως διάφοροι τύποι μεταλλουργικών σκωριών και υπολείμματα εκχύλισης λατεριτών, για την παραγωγή αλκαλικά ενεργοποιημένων υλικών (ΑΕΥ) με επιθυμητή χημική και ορυκτολογική σύσταση και ωφέλιμες ιδιότητες. Η αλκαλική ενεργοποίηση των συγκεκριμένων αποβλήτων διερευνήθηκε με την χρήση υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) και διαλύματος πυριτικού νατρίου (Na2SiO3) ως ενεργοποιητές. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν είναι ο λόγος Η2Ο/Νa2Ο και άλλοι επιλεγμένοι λόγοι που υπάρχουν στο διάλυμα ενεργοποίησης και στην αντιδραστική πάστα, η κοκκομετρία των πρώτων υλών, η θερμοκρασία ωρίμανσης και η περίοδος γήρανσης. Στα παραγόμενα ΑΕΥ προσδιορίστηκε η αντοχή σε θλίψη και άλλες επιλεγμένες ιδιότητες, όπως το πορώδες, η υδατοαπορροφητικότητα και η φαινόμενη πυκνότητα. Επίσης, μελετήθηκε η δομική ακεραιότητα επιλεγμένων ΑΕΥ μετά από θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες (200–1000 oC για 4 ή 6 h), εμβάπτιση σε απιονισμένο νερό και όξινα διαλύματα (1Μ ΗCl και 1M H2SO4) και κύκλους ψύξης θέρμανσης για περίοδο 7–30 ημερών. Η διερεύνηση της μορφολογίας και της μικροδομής των πρώτων υλών αλλά και των παραγόμενων ΑΕΥ πραγματοποιήθηκε με την χρήση διαφόρων τεχνικών, όπως είναι η περίθλαση ακτίνων–Χ (XRD), η φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR) και η μικροσκοπία ηλεκτρονικής σάρωσης (SEM).Όσον αφορά την αλκαλική ενεργοποίηση μιας Πολωνικής σκωρίας (PS), τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι τα παραγόμενα ΑΕΥ απέκτησαν αντοχή σε θλίψη που υπερβαίνει τα 65 MPa, ενώ μετά την θέρμανση στους 400 oC η αντοχή σε θλίψη αυξήθηκε στα 115 MPa. Από την άλλη πλευρά, τα παραγόμενα ΑΕΥ από φαϋαλιτικές σκωρίες, δηλαδή FS και FSP, οι οποίες προέκυψαν πριν και μετά την επεξεργασία πλάσματος, απέκτησαν χαμηλότερες τιμές αντοχής σε θλίψη, συγκεκριμένα 45 MPa και 27 MPa, αντίστοιχα. Αντίθετα, τα ΑΕΥ που παράχθηκαν από την ανάμειξη φαϋαλιτικών σκωριών με 50% κ.β. FeNi σκωρία (LS) απέκτησαν υψηλότερες τιμές αντοχής σε θλίψη, δηλαδή 64 MPa (FS50LS50 AEY) και 46 MPa (FSP50LS50 AEY). Ένα καινοτόμο στοιχείο της διδακτορικής διατριβής είναι η παραγωγή ΑΕΥ από υπολείμματα εκχύλισης λατεριτών, καθώς μέχρι την έναρξη της μελέτης δεν υπήρχαν διαθέσιμες αναφορές στην βιβλιογραφία σχετικά με αυτό το θέμα. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η ανάμειξη των υπολειμμάτων εκχύλισης με μετακαολίνη ή σκωρίες οδήγησαν σε επιτυχή αλκαλική ενεργοποίηση. Τα ΑΕΥ που παράχθηκαν υπό τις βέλτιστες συνθήκες σύνθεσης απέκτησαν τιμές αντοχής σε θλίψη οι οποίες κυμαίνονταν μεταξύ 26 MPa και 51 MPa. Τα αποτελέσματα αυτής της διδακτορικής διατριβής αποδεικνύουν ότι η αξιοποίηση ή η συν–αξιοποίηση μεταλλουργικών αποβλήτων είναι μια βιώσιμη εναλλακτική λύση για την παραγωγή ΑΕΥ με ευεργετικές ιδιότητες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συνδετικά ή δομικά υλικά σε διάφορες κατασκευαστικές εφαρμογές, βελτιώνοντας έτσι τη βιωσιμότητα αυτού του βιομηχανικού τομέα και ελαχιστοποιώντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της μεταλλουργικής βιομηχανίας σύμφωνα με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας και της παραγωγής μηδενικών αποβλήτων.