Geopolümeerid

Geopolümeerid on klass anorgaanilisi polümeere, mis on harilikult sünteesitud leeliselise lahuse ja alumosilikaadi allika vahelisel reaktsioonil. Sõltuvalt tooraine valikust ja töötlemise tingimustest võib geopolümeeridel olla mitmesuguseid omadusi ja tunnuseid, sealhulgas suur survetugevus, vähene kokkutõmbumine, kiire või aeglane settimine, hea vastupidavus hapetele, tulekindlus ja väike soojusjuhtivus.
See kõvastunud materjal on amorfse 3-dimensionaalse struktuuriga. Erinevalt alumosilikaatsest klaasist on need materjalid moodustunud madalatel temperatuuridel ning protsessi käigus omandavad lisatugevust tagava sisemise karkassi.

Reaktandid

Reaktandid on leelismetallide hüdroksiidid või silikaadi lahused (antud protsessi keemilised aktivaatorid) ja tahke alumosilikaadi allikad. Viimane peab sisaldama kindlas proportsioonis räni (Si) ja alumiiniumi (Al) ioone amorfsetes faasides. Kõige tavalisem aktivaator on segu veest, naatriumhüdroksiidist ja naatriumsilikaadist, kuid saab kasutada ka teisi leelismetallisüsteeme või leeliste segusid. Lahus peab olema kontsentreeritud, vastasel korral on lõpp-produktiks pigem kristalliline tseoliit kui geopolümeer.
Tahke alumosilikaadi allikaks võib kasutada lendtuhka, maapinna sõmerdunud räbu või kaoliniiti. Kasutada saab põhimõtteliselt igat tüüpi amorfset alumosilikaatset materjali.

Ajalugu

Enamik maakoorest koosneb räni-alumiinium komponentidest. Geopolümerisatsiooni kontseptsiooni kirjeldas esmalt oma arvukates artiklites ja autoritunnistustes Joseph Davidovits . Ta pakkus 1978. aastal välja, et räni ja alumiiniumit sisaldav komponent, tavaliselt geoloogilise päritoluga, võiks reageerida polümerisatsiooniprotsessis leelislahusega. Produktina saadavaid täiteaineid hakati kutsuma "geopolümeerideks", et saaks paremini selgitada antud keemilisi protsesse ja resultaatmaterjali omadusi. Siiski tänapäeval on enamik alumosilikaatsetest allikatest orgaanilise põlemise kaasproduktid, näiteks lendtuhk söe põlemisel.  "Geopolümeeri" mõiste omaksvõtmiseks oli vaja olulist muutust senises mõtlemises ning terminoloogias, konventsionaalsest tsemendi kristalse hüdratatsiooni keemiast orgaanilise keemia poole. Tänapäevani ei ole see muutus hästi juurdunud tsemenditööstuses, kus geopolümeristatsiooni seletamisel kasutatakse ikka portlandtsemendi ehk tavatsemendi terminoloogiat. Neil anorgaanilistel polümeeridel on tseoliitsete materjalidega sarnane keemiline koostis, kuid nad eksisteerivad amorfsete tahkistena, mitte ei oma kristallilist struktuuri.
Davidovits on välja pakkunud, et mõned tähtsamad püramiidid pole mitte ehitatud suurtest kohale tassitud tahketest lubjakiviplokkidest, vaid on pigem tehtud geopolümeeridest, mis valati õigesse kohta otse püramiidi struktuuris. Ta on arvanud ka, et Rooma tsement oli tehtud geopolümeerse tehnikaga. Siiski, kuna Rooma tsement koosneb kaltsium-silikaat-hüdraatidest ning vajab reaktandina kaltsineeritud lubjakivi, on ta pigem sarnane portlandtsemendiga, mitte leelis-aktiveeritud geopolümeersete tsementidega.

Jäätmete tarbimine

Kaevanduse ja tööstuse kõrvalproduktidest võib põhimõtteliselt geopolümeerseid tsemente teha. Näiteks: lendtuhka ja põhjatuhka, mis tekivad kivisöel töötavates energiajaamades, saab täiendavate sideainetena teistes tsemendipõhistes materjalides ära kasutada. Veel võiks tsemente teha boksiiditootmisjääkidest, kaoliniitsetest savidest, paljudest kaevandusjäätmetest või teistest kasutavatest materjalidest, mis sisaldavad piisavalt suurtes kogustes amorfsetes vormides olevat räni ja alumiiniumi.

Kasvuhoonegaasid

Laialdasem geopolümeersete tsementide kasutamine ja sellega kaasnev portlandtsemendi tarbimise vähendamine võiks kaasa tuua CO₂ emissioonide vähenemise. Portlandtsemendi tootmine on vastutav 5–10% ülemaailmsete CO₂ emissioonide eest. Ühe tonni portlandtsemendi tootmine vabastab atmosfääri umbes 1 tonni CO₂. Kasutades lendtuhka ja standardseid keemilisi aktivaatoreid, eeldatakse 1 tonni geopolümeerse tsemendi tootmisel vabanevaks CO₂ hulgaks vaid ligikaudu 0,16 tonni. Järelikult, võimalik on tsemenditootmise pealt CO₂ emissioonide vähenemine kuni 80%. Täielik geopolümeerse tsemendi kasutuselevõtt vähendaks globaalselt emissioone 4–8%.

Teised keskkonnaprobleemid

Erinevalt tavabetoonist, kus toksilised raskmetallid asetsevad poorilahustes ja kapillaarses võrgustikus, kapseldavad geopolümeervõrgustikud need, sidudes nad oma polümeersete ahelate osaks või isoleerides nad võrgustiku sisse. See võib anda hea meetme, saamaks lahti toksilistest jäätmetest, isoleerimaks tahkunud kaevandusjäätmeid, tööstuslikke keemiajäätmeid ning lihtsamaid radioaktiivseid jäätmeid. 
Geopolümeersed ehitusmaterjalid nagu betoonid, ehitusvahud ja laminaadid pakuvad paremaid alternatiive tavabetoonidele ja orgaanilistele polümeeridele (plastid, PVC, polüestrid, jne).
Erinevalt antud orgaanilistest materjalidest, nad kas ei põle või ei vabasta põledes toksilisi gaase ning ei killustu plahvatuslikult, kui neid tugevalt kuumutada (nagu juhtub tavabetooniga).
Geopolümeerid on happeresistentsed, luues pikaajalisi lahendusi ka probleemidele kanalisatsioonisüsteemides. Seal, kus on kasutatud tavabetooni, on süsteemi eeldatav kasutusaeg umbes 50 aastat, samas kui geopolümeerset betooni kasutades võib sama hinna eest selle tõsta kuni 300 aastani. Selle tõttu oleks tulevikus harvem vaja remonditöid teha ning langeks kasvuhoonegaaside emissioon.