Geopolymeric potential of the Estonian oil shale processing waste

Abstract

Geopolümeerid on anorgaaniliste polümeeride hulka kuuluvad kolmedimensionaalse struktuuriga tsementeeruvad materjalid, mis moodustuvad alumosilikaatide leelisaktivisatsioonil. Geopolümeersed sideained ja nendest valmistatud betoon on oma omadustelt võrreldavad või sageli isegi paremate omadustega, kui tavalise portlandtsemendi baasil valmistatud analoogid. Geopolümeeride valmistamiseks on toormena võimalik kasutada erinevaid looduslikke- või tehislikke alumosilikaatseid toormeid. Seejuures võimaldab tööstusjäätmete taaskasutamine geopolümeersete materjalide toormena neid jäätmeid väärindada ning vähendada ladestatavate jäätmete keskkonnamõju. Eesti põlevkivitööstuses tekib põlevkivi termilisel töötlemisel igal aastal 8–9 Mt põlevkivituhka ja u 1 Mt õlitööstuse jäätmeid. Põlevkivituhale on siiani leitud vaid minimaalset taaskasutust ( <5%) ja ülejäänud jäätmed ladestatakse tuhaväljadele. Samas puudub aga igasugune taaskasutus õlitööstuse jäätmetele, mis ladestatakse täies mahus jäätmehoidlates. Seega on oluline leida võimalusi nende jäätmete taaskasutamiseks ning geopolümeeride tootmine võiks potentsiaalselt avada täiesti uue võimaluse jäätmete väärindamiseks. Käesolevas doktoritöös uuriti Eesti põlekivitööstuse tahkete jäätmete omadusi ja nende sobivust geopolümeeride valmistamiseks. Geopolümerisatsiooni esile kutsumiseks aktiveeriti elektritootmises ja õlitööstuses tekkivaid värskeid tuhamaterjale ja eletrijaama tuhaplatoolt kogutud hüdratiseerunud põlevkivituha setendit erinevate leeliseliste lahustega. Uuringu tulemused näitavad, et tuhaplatoodele ladestatud materjal ei ole sobilik geopolümeersete materjalide valmistamiseks. Polümeersete tsementeeruvate faaside teke on aga nähtav värske tuha aktiveerimisel. Parema sideaineliste omadustega materjali tunnuseks on pikad polümeersed ahelad ja kolmedimensionaalselt põimunud struktuur. Nende tunnuste alusel sobivad uuritud tahketest jäätmetest geopolümeersete materjalide valmistamiseks kõige paremini õlitööstuse tuhad. Siiski leidub mitmeid tegureid, mis limiteerivad geopolümerisatsiooniprotsesse ning toovad esile vajaduse täiendavate uuringute järele enne tööstuslike rakenduste välja töötamist.

Geopolymers, also referred as inorganic polymers, are three-dimensionally structured aluminosilicate binders that posess cemetitious properties. These polymers can be used to produce mortar and concrete with mechanical properties similar to or better than ordinary Portland cement based analogues. Geopolymeric binders can be produced from a variety of naturally occurring or industrially produced aluminosilicate raw materials. Notably, the valorisation of different industrial by-products and solid wastes through the production of geopolymeric cementitious binders is recognized as one of the most viable options for their reuse. Estonian oil shale industry produces 8 – 9 Mt of environmentally hazardous solid wastes per year. Only a fraction (< 5%) of annual oil shale combustion residue has secondary use, while residues from shale-oil production hve no beneficial use at all and are landfilled 100%. It is therefore important to find sustainable uses for oil shale solid residues, and synthesising geopolymeric materials potentially used in building-construction industry could be one of the viable options. The current thesis studies the characteristics and geopolymerization potential of unaltered (fresh) combustion and shale-oil production ash from Estonian oil shale industry, and in addition the altered waste material already landfilled on a ash waste “plateaus” next to the power plants. To produce geopolymeric binders, the waste materials were activated with different alkaline solutions that induce the formation of cementitious polymer phase. The experiments show that the ash plateau deposits, that represent the largest volume of readily available waste, are not suitable for geopolymer production. However, the tests with ash from the combustion and shale-oil production processes showedformation of a polymeric cementitious phase. The suitability for geopolymer production is connected to the structure of the forming polymer, whereby the formation of longer and more interconnected polymeric chains corresponds to a geopolymer with better charecteristics. Under this assumption, it was concluded that ashes formed at different shale oil production processes were most suitable as geopolymer precursors, however, there are several key factors limiting the geopolymerisation processes that must be addressed before commercial applications can be pursued.