Riassunto analitico
Le fly ash da inceneritore (chiamate con l'acronimo MSWI FA) sono classificate dalla legge come rifiuti pericolosi per l’alto contenuto di metalli pesanti e sali solubili e il loro rischio di lisciviazione. Ad oggi le FA vengono collocate in discariche per rifiuti pericolosi, soluzione non più accettabile per un’Europa che promuove il recupero e riciclo dei rifiuti. Il recupero e l’inertizzazione delle FA nei materiali da costruzione sembra una soluzione convincente, specialmente l’utilizzo dei geopolimeri, materiali con interessanti proprietà quali il basso costo e T di produzione e l’abbassamento delle emissioni di CO2 se paragonato al processo di produzione del cemento. È inoltre un materiale che ha la naturale capacità di intrappolare i metalli pesanti chimicamente e fisicamente così da abbassare il rischio legato all’uso delle FA. Appare tuttavia interessante l’applicazione di pretrattamenti alle FA prima della loro collocazione nel materiale, per abbassare il contenuto e il rischio di lisciviazione dei metalli pesanti e sali presenti. Scopo della mia tesi è quindi indagare i benefici che diversi pretrattamenti possono avere sulle proprietà ambientali e meccaniche di un geopolimero che utilizza MSWI FA come riempitivo. Le ceneri vengono dall’impianto di incenerimento di Copenaghen e il precursore a base allumino-silicatica usato nel geopolimero è il metacaolino. L’attivatore alcalino è una soluzione di 8M NaOH e 3M Na2SiO3. Le FA sono state aggiunte al materiale in diverse percentuali (5, 10, 20 wt%) confrontando le sue proprietà con un campione con 0% FA. I pretrattamenti applicati alle FA sono un trattamento “elettrodialitico” (EDR treatment), messo a punto dall'Università Tecnica della Danimarca, di 28 giorni e un lavaggio con acqua. Le ceneri trattate e non trattate sono state caratterizzate per la loro fase cristallina, microstruttura e composizione elementare. Il rischio di lisciviazione è stato valutato attraverso due test di cessione e i risultati confrontati con i limiti previsti dalla normativa Europea, per il conferimento in discariche per rifiuti non pericolosi, e Danese per il loro uso in campo geotecnico. Dopo l’attivazione alcalina delle ceneri è stata valutata la resistenza a compressione del materiale, dopo 28 giorni di consolidazione a T ambiente, e sono state analizzate la microstruttura e la fase cristallina. Infine, sono stati applicati due test di cessione che considerano il materiale in due diverse fasi di vita. Il primo test considera il fine vita del materiale e il suo smaltimento confrontando i risultati con i limiti previsti dalla legge per il suo smaltimento in discariche per rifiuti non pericolosi, il secondo considera il suo uso nel settore edilizio, confrontando i risultati dopo 7 e 31 giorni di consolidazione. Il trattamento EDR ha mostrato buoni risultati per la rimozione in particolare di Cd, Cu e Zn, ma il pH acido raggiunto dalle ceneri dopo il trattamento ha aumentato il rischio di lisciviazione di tali metalli. Il lavaggio invece è ottimale per la riduzione del rischio di lisciviazione. Entrambi i trattamenti riducono il contenuto di cloruri. I geopolimeri con FA trattate e non mostrano in generale valori di lisciviazione sotto la soglia di rilevamento, e interessanti risultati sono stati raggiunti dai geopolimeri con EDR FA per la lisciviazione di Cr e Zn. Entrambi i trattamenti hanno ridotto il rischio di lisciviazione dei cloruri. La resistenza a compressione dei geopolimeri con FA trattate con trattamento elettrodialitico, e ceneri non trattate è paragonabile a quella del materiale realizzato senza FA. Il lavaggio delle FA riduce invece la resistenza a compressione del materiale. L'uso dei pretrattamenti risulta pertanto efficace, e sarebbe interessante in futuro modificare il set-up del trattamento elettrodialitico per valutarne gli ulteriori eventuali benefici, o aumentare la percentuale di FA all'interno della formulazione dei geopolimeri.
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Abstract
Municipal solid incineration fly ash (MSWI FA) is classified by the law as hazardous waste for its high content of heavy metals and soluble salts, and the risk of leaching. Today the ashes are usually collected in site for the disposal of hazardous waste, but it could be a better solution to inertize and recycle them in building materials. Geopolymers appear an interesting solution for their good mechanical properties, low production of CO2 and low cost and T of production. Furthermore, they have the natural capacity to entrap heavy metals physically and chemically in their matrix, decreasing the hazardousness of the FA used. However, to have a safer material with a wider use, it can be necessary to apply some pre-treatments to reduce the risk of leaching before the use of the FA. The aim of this thesis is to apply an electrodialytic treatment and water-washing on MSWI FA, comparing the treated ash with the raw ash, investigating the benefits that they can have on the environmental and mechanical property of geopolymers that use MSWI FA as filler. The precursor used for the geopolymers is metakaolin, and the alkali activator is a solution of 8M NaOH and 3M Na2SiO3. The material adds the FA in different percentages (0,5,10,20 wt%). The electrodialytic treatment had a duration of 28 days, and the water-washing used an extracting time of 5 minutes. The treated and untreated FA were analyzed for their microstructure, crystalline phase, and elementary composition. I applied two different leaching tests and compared the results with the limits of the Danish and European law. After the alkali-activation I investigated the compressive strength of the geopolymer’s samples cured for 28days, the microstructure and crystalline phase. I applied two leaching tests to simulate the leaching in two different stages of its life. The first one considered the end of life of the material and its disposal, comparing the results with the European law limits, the latter considered the use of the material in the building sector, comparing the results after 7 and 31 days of curing. The electrodialytic treatment was effective for the removal of heavy metals as Cd, Cu, Zn while the water-washing decreased the leaching of almost all the metals. The treatments were both good for the removal of chlorides. The geopolymers sample with treated and untreated FA showed leaching values under the detection limits for a lot of metals, and the electrodialytic treatment appeared effective for the decreasing of leaching of Cr and Zn. Both treatments decreased the leaching of Cl in geopolymers. The compressive strength of geopolymers with EDR and raw ash was comparable with the strength of a material with 0% of FA while the water-washing decreased this property. The use of pre-treatments resulted interesting, and for future studies I think it could be interesting to change the set-up of the electrodialytic treatment to see if the effects can change on geopolymers, or to increase the amount of FA used in the material.
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