Συμβολή στη διερεύνηση των μηχανισμών γεωπολυμερισμού μεταλλουργικών αποβλήτων με έμφαση στις σκωρίες ηλεκτροκαμίνων
Authors: Ζαχαράκη Δήμητρα 
Published: August 2021

Το πρόβληµα της διαχείρισης των µεταλλευτικών και µεταλλουργικών αποβλήτων ώστε να περιοριστούν οι διάφορες περιβαλλοντικές επιπτώσεις και να ελαχιστοποιηθεί το κόστος διάθεσης, οδηγεί στην αναζήτηση νέων φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών. Ο γεωπολυµερισµός αναδύεται ως µια πιθανή τεχνολογία που συµβάλλει στην αξιοποίηση µερικών αποβλήτων δηµιουργώντας νέα υλικά µε χαρακτηριστικές ιδιότητες και σηµαντικό εύρος εφαρµογών. Η σύνθεση γεωπολυµερών από σκωρίες σιδηρονικελίου µε χαµηλή περιεκτικότητα σε ασβέστιο, αποτελεί ένα πρωτότυπο ερευνητικό αντικείµενο. Αντίστοιχες προσπάθειες έχουν γίνει σε µερικά ερευνητικά ιδρύµατα του εξωτερικού, όπως της Αυστραλίας, Γαλλίας και Ουκρανίας. Οι περισσότερες έρευνες αφορούν στη χρήση αργιλο-πυριτικών υλικών, ιπτάµενης τέφρας ή σκωριών µε υψηλή περιεκτικότητα σε ασβέστιο (>40%) για την παραγωγή νέων προϊόντων και τη σταθεροποίηση επικίνδυνων συστατικών. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να διερευνηθούν οιµηχανισµοί των γεωπολυµερικών αντιδράσεων που λαµβάνουν χώρα όταν χρησιµοποιούνται µεταλλευτικά και µεταλλουργικά απόβλητα και κυρίως σκωρία σιδηρονικελίου. Η επίδραση των διαφόρων παραγόντων ερευνάται µέσω δοκιµών αντοχής των γεωπολυµερών σε θλίψη, ώστε να βελτιστοποιηθεί η διαδικασία σύνθεσης. Οι παράγοντες που µελετήθηκαν είναι η χρήση αλκαλικού διαλύµατος ενεργοποίησης σε διάφορες συγκεντρώσεις, η προσθήκη καολινίτη, µετακαολινίτη,ποζολάνης, CaO, ιπτάµενης τέφρας Μεγαλόπολης/Πτολεµαΐδας, ερυθράς ιλύος και χαλαζιακής άµµου σε γεωπολυµερή σκωρίας, η περιεκτικότητα σε νερό, ο χρόνος ωρίµανσης, η θερµοκρασία θέρµανσης καθώς και η περίοδος θέρµανσης και γήρανσης. Κάθε ένας από τους παραπάνω παράγοντες παίζει καθοριστικό ρόλο στην αντοχή των τελικών προϊόντων. Η περίσσεια Al και Si που παρέχεται στο σύστηµα από τα προσθετικά υλικά δεν αντιδρά πλήρως µε αποτέλεσµα να µη συµµετέχει στις αντιδράσεις γεωπολυµερισµού µειώνοντας σηµαντικά την τελική αντοχή. Ηπροσθήκη διαλύµατος ενεργοποίησης στις κατάλληλες αναλογίες (περίπου 8 Μ ΚΟΗ ή 6 Μ NaOH και 8 % κ.β. Na2SiO3) ενισχύει την αντοχή των γεωπολυµερών. Το προστιθέµενο νερό βελτιώνει την πλαστικότητα του µίγµατος και περιορίζει την ανάπτυξη πόρων και ρωγµών. Ωστόσο, προκειµένου να αποκτήσουν τα γεωπολυµερή σκωρίας ικανοποιητικές αντοχές και να παραχθούν δευτερογένη προϊόντα µε επιθυµητές εφαρµογές, θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν οι βέλτιστες συνθήκες ωρίµανσης (2 ηµέρες), θέρµανσης (48 ώρες στους 80 οC) και γήρανσης (28 ηµέρες). Η ανθεκτικότητα των γεωπολυµερών µελετήθηκε µέσω εµβάπτισής τους σε διαβρωτικά και όξινα περιβάλλοντα και προσδιορισµού των επικίνδυνων στοιχείων που διαλυτοποιούνται. Τα γεωπολυµερή σκωρίας εµφανίζουν γενικότερα καλύτερη συµπεριφορά από τα γεωπολυµερή σκωρίας-καολινίτη. Η αντοχή τους µειώνεται σηµαντικά µόνο όταν εµβαπτίζονται σε διαβρωτικά διαλύµατα όπως προσοµοιωµένης όξινης βροχής, HCl 0,5 Ν ή 0,05 Ν. Η προσθήκη βαρέων µετάλλων (Pb, Cu, Ni ή Cr) σε µορφή νιτρικών ή θειϊκών αλάτων επηρεάζει αρνητικά την τελική αντοχή των γεωπολυµερών όσο αυξάνεται το ποσοστό προσθήκης. Ωστόσο µέσω της δοκιµής τοξικότητας (TCLP) αποδεικνύεται ότι τα παραπάνω µέταλλα σταθεροποιούνται σε ικανοποιητικό βαθµό στα γεωπολυµερή σκωρίας. Για τη διερεύνηση της µορφολογίας των γεωπολυµερών χρησιµοποιήθηκαν οι µέθοδοι ορυκτολογικής ανάλυσης XRD, οπτική µικροσκοπία ανακλωµένου φωτός, SEM, FTIR και TG. Παρά τη χαρακτηριστική άµορφη φύση των γεωπολυµερών, οιτεχνικές αυτές συµβάλλουν σε κάποιο βαθµό, στην κατανόηση των πολύπλοκων µηχανισµών των αντιδράσεων που λαµβάνουν χώρα.