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.
Protsess.
Sarnaselt standardse orgaanilise polümerisatsiooniga sisaldab geopolümerisatsiooni protsess monomeeride moodustumist lahuses ning seejärel nende termilisel töötlemisel tahkeks polümeeriks muutumist.
Geopolümerisatsioon koosneb eraldatud, kuid omavahel seotud etappidest: algsel segunemisel lahustuvad leeliselises lahuses tooraine amorfsetest faasidest räni ja alumiiniumi ioonid. Nii moodustunud kolloidlahuses kondenseeruvad räni ja alumiiniumi hüdroksiidide molekulid, luues hapniksideme, et siduda räni ja alumiiniumi hüdroksiidmolekule vabade veemolekulidega:
OH- + OH- -&gt; O2- + H2O
Iga kondensatsiooni tulemusel moodustunud hapnikside seob kõrvuti olevad räni või alumiiniumi tetraeedrisse.
Madalate temperatuuride kasutamine (tavaliselt umbes 90 °C) põhjustab monomeeridel ja teistel räni ja alumiiniumi hüdroksiidmolekulidel polükondenseerumise või polümeriseerumise, loomaks hapniku poolt seotud tetraeedrite jäigad ketid või võrgud.
Kõrgema temperatuuri juures saadakse tugevamaid geopolümeere. Iga hüdroksüülrühm tetraeedris on võimeline kondenseeruma ühega naabermolekulist, seega on teoreetiliselt võimalik, et iga räni ioon on hapniksideme abil seotud nelja lähedalasuva räni- või alumiiniumiiooniga, moodustades niimoodi väga jäiga polümeerse võrgustiku. Alumiiniumioonid sellises võrgustikus vajavad assotsieerunud leelismetalliioone (tavaliselt lämmastik), et tasakaalustada laenguid.
Lõpp-produktid on:
Kõvenenud geopolümeeri füüsikalised omadused on mõjutatud räni/alumiiniumi suhtest geopolümeeri võrgustikus. Kui antud suhe on alla 3:1, siis on tulemuseks jäigad 3D võrgud, kohased betoonile, tsemendile või jäätmeid kapseldavale vahendajale. Kui räni/alumiiniumi suhe tõuseb üle 3, muutub geopolümeer painduvamaks. Kõrgemate räni/alumiiniumi suhete puhul, juba üle 35:1, on tulemuseks ristseotud 2D ketid, mis sobivad paremini liimiks või tihendusmaterjaliks, ka immutusvaiguks vormimaks kiulisi mattkomposiite.
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.
Jätkusuutlikkuse eelised.
Arvatakse, et geopolümeeride tehnoloogia rakendamine kaevandamis- ja ehitusjäätmete isoleerimistööstustes annab nendel aladel hea võimaluse lahendada aktuaalseid jätkusuutlikkuse probleeme. Need on näiteks:
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.