Alkali activation of fresh and deposited black coal fly ash with high loss on ignition
,
 
,
 
 
 
 
More details
Hide details
1
Technical University in Košice, Institute of Montaneous Sciences and Environmental Protection, Faculty of Mining, Ecology, Process Control and Geotechnologies, Košice, Slovak Republic
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2014;30(2):103–116
 
KEYWORDS
ABSTRACT
Heating plants and power stations using coal as a fuel are employed worldwide as energy sources, consequently generating large quantities of fly ashes. Only a small part of these fly ashes are used as a secondary raw material. Most commonly, fly ash is deposited at sludge bed where it poses substantial ecological risks. Possibilities of utilizing fly ashes are mainly found in the construction industry; however, utilization of fly ash with a high content of unburned coal residues, expressed by loss on ignition (LOI), is limited to 2–5% LOI by the European standard STN EN 206-1. That is why fly ash with a high content of unburned coal residues is deposited at sludge bed. Fly ash deposition, hand in hand with exogenous and biogenous factors, changes the chemical and phase composition of fly ashes so the possibility for their further utilization as a secondary raw material is evenmore diminished. Currently, one possibility for the use of high-LOI fly ashes is in the synthesis of geopolymers. These new materials are inorganic materials obtained from an inorganic polycondensation reaction of solid aluminosilicates with sodium silicate solution in a highly alkaline environment. This paper deals with the production of geopolymer binders from the alkaline activation of fresh and deposited fly ash. The fly ashes originated from black coal fired in melting boilers, and have a high content of unburned coal residues. Content of LOI in both fly ashes exceeds 20%. The fly ashes are alkali activated with solutions containing sodium hydroxide and sodium waterglass. The analysis examines the effects of the SiO2-to-Na2O ratio, Na2O, as well as the water content in the synthesis of fly ash-based geopolymers on their compressive strength. The compressive strength of alkali-activated, deposited fly ash (DPA) and fresh fly ash (FFA) were 39.8MPa and 46.8MPa after 7 days, respectively. Their compressive strength increased with time.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Aktywacja alkaliczna popiołów lotnych ze spalania węgla kamiennego, wykazujących wysoką stratę prażenia, pochodzących z bieżącej działalności i ze zwałowiska
aktywacja alkaliczna, popioły lotne, strata prażenia
Elektrownie i elektrociepłownie stosujące węgiel jako paliwo mają istotne znaczenie jako źródła energii, choć z drugiej strony wytwarzają duże ilości popiołów lotnych ze spalania węgli. Tylko mała część tych popiołów jest użytkowana jako surowce odpadowe. Zazwyczaj popioły lotne są deponowane w osadnikach, co stwarza poważne zagrożenie środowiskowe. Możliwości zagospodarowania popiołów lotnych stwarza przede wszystkim przemysł materiałów budowlanych; tym niemniej użytkowanie popiołów lotnych z podwyższoną zawartością niespalonych cząstek węgla, co wyraża się wartością straty prażenia, jest ograniczone do popiołów wykazujących stratę prażenia 2–5% zgodnie z europejską normą EN 206-1. Dlatego też popioły lotne z wysoką zawartością niespalonych cząstek węgla są deponowane w osadnikach. Depozycja popiołów lotnych, biorąc pod uwagę także czynniki egzogeniczne i biogeniczne, powoduje zmiany składu chemicznego i fazowego popiołów, co powoduje, że możliwości ich późniejszego wykorzystania jako surowce odpadowe, jeszcze bardziej maleją. Obecnie, jedyną możliwością użytkowania popiołów lotnych wykazujących wysoką stratę prażenia, jest synteza geopolimerów. Te nowe materiały nieorganiczne są otrzymywane w wyniku reakcji nieorganicznej polikondensacji glinokrzemianów z krzemianem sodu w środowisku wysoce alkalicznym. Praca zajmuje się produkcją spoiw geopolimerowych otrzymywanych w wyniku aktywacji alkalicznej popiołów lotnych pochodzących z bieżącej działalności oraz ze zwałowiska. Popioły lotne pochodzą ze spalania węgla kamiennego w kotłach pyłowych, wykazując wysoką zawartość niespalonych cząstek węgla. Wartość straty prażenia w tych popiołach przekracza 20%. Są one aktywowane alkalicznie roztworami wodorotlenku sodowego i szkła wodnego. Analizowano zależność wytrzymałości na ściskanie syntetyzowanych geopolimerów od stosunku SiO2/Na2O, zawartości Na2O i zawartości wody. Wytrzymałość na ściskanie aktywowanych alkalicznie popiołów lotnych deponowanych (DPA) i z bieżącej działalności (FFA) wynosi odpowiednio 39,8 MPa i 46,8 MPa po 7 dniach i wzrasta z czasem.
 
REFERENCES (23)
1.
Criado et al. 2007 – Criado,M., Fernández-Jiménez, A. and Palomo, A. 2007. Alkali activation of fly ash: Effect of the SiO2/Na2O ratio. Part I: FTIR study. Microporous and Mesoporous Materials vol. 106, pp. 180–191.
 
2.
Davidovits, J., 1990. Geopolymers: Inorganic Polymeric new materials. Journal of thermal analysis vol. 37, pp. 1633–1656.
 
3.
Davidovits J. 2008. Geopolymer: Chemistry and applications. Ed. 2. Institut Géopolymère, France.
 
4.
Duxson et al. 2007 – Duxson, P., Mallicoat, S.W., Lukey, G.C., Kriven, W.M. and Van Deventer, J.S.J. 2007. The effect of alkali and Si/Al ratio on the development of mechanical properties of metakaolin-based geopolymers. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects vol. 292, pp. 8–20.
 
5.
Fernández-Jiménez, A. and Palomo, A. 2003. Characterisation of fly ashes. Potential reactivity as alkaline cements. Fuel vol. 82, pp. 2259–2265.
 
6.
Fernández-Jiménez et al. 2006a – Fernández-Jiménez, A., Palomo, A., Sobrados, I. and Sanz, J. 2006. The role played by the reactive alumina content in the alkaline activation of fly ashes. Microporous and Mesoporous Materials vol. 91, pp. 111–119.
 
7.
Fernández-Jiménez et al. 2006b – Fernández-Jiménez, A., De la Torre, A.G., Palomo, A., López-Olmo, G., Alonso, M.M. and Aranda, M.A.G. 2006. Quantitative determination of phases in the alkali activation of fly ash. Part I. Potential ash reactivity. Fuel vol. 85, pp. 625–634.
 
8.
Ha et al. 2005 – Ha, T.H.,Muralidharan, S., Bae ,J.H., Ha ,Y.C., Lee, H.G., Park, K.W. and Kim, D.K. 2005. Effect of unburned carbon on the corrosion performance of fly ash cement mortar. Construction and Building Materials vol. 19, pp. 509–515.
 
9.
Kumar, S. and Kumar, R. 2011. Mechanical activation of fly ash: Effect on reaction, structure and properties of resulting geopolymer. Ceramics International vol. 37, pp. 533–541.
 
10.
Lee, W.K.W. and Van Deventer, J.S.J. 2002. The effect of ionic contaminants on the early-age properties of alkali-activated fly ash-based cements. Cement and Concrete Research vol. 32, pp. 577–584.
 
11.
Panias et al. 2007 – Panias, D., Giannopoulou, I.P. and Perraki, T. 2007. Effect of synthesis parameters on the mechanical properties of fly ash-based geopolymers. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects vol. 301, pp. 246–254.
 
12.
Phair, J.W. and Van Deventer, J.S.J. 2001. Effect of silicate activator pH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers. Minerals Engineering vol. 14, pp. 289–304.
 
13.
Steveson, M. and Sagoe-Crentsil, K. 2005a. Relationships between composition, structure and strength of inorganic polymers. Part 1 Metakaolin-derived inorganic polymers. Journal of materials science vol. 40, pp. 2023–2036.
 
14.
Steveson, M. and Sagoe-Crentsil, K. 2005b. Relationships between composition, structure and strength of inorganic polymers. Part 2 Fly ash-derived inorganic polymers. Journal of materials science vol. 40, pp. 4247–4259.
 
15.
Škvára et al. 2005 – Škvára, F., Jílek, T. and Kopecký, L. 2005. Geopolymermaterials based on fly ash. Ceramics – Silikáty vol. 49, pp. 195–204.
 
16.
Temuujin et al. 2009 – Temuujin, J., Williams, R.P. and Van Riessen, A. 2009. Effect of mechanical activation of fly ash on the properties of geopolymér cured at ambient temperature. Journal of Materials Processing Technology vol. 209, pp. 5276–5280.
 
17.
Van Jaarsveld et al. 1997 – Van Jaarsveld, J.G.S., Van Deventer, J.S.J. and Lorenzen, L. 1997. The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part I. Theory and applications. Minerals Engineering vol. 10, pp. 659–669.
 
18.
Van Jaarsveld et al. 1999 – Van Jaarsveld, J.G.S., Van Deventer, J.S.J. and Schwartzman, A. 1999. The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part II. Material and leaching characteristics. Minerals Engineering vol. 12, pp. 75–91.
 
19.
Van Jaarsveld et al. 2003 – Van Jaarsveld, J. G. S., Van Deventer, J.S.J. and Lukey, G.C. 2003. The characterisation of source materials in fly ash-based geopolymers. Materials Letters vol. 57, pp. 1272–1280.
 
20.
Xu ,H. and Van Deventer, J.S.J. 2000. The geopolymerisation of alumina-silicate materials. International Journal of Mineral Processing vol. 59, pp. 257–266.
 
21.
Xu, H. and Van Deventer, J.S.J. 2002. Geopolymerization of multiple minerals. Minerals Engineering vol. 15, pp. 1131–1139.
 
22.
Yip et al. 2005 – Yip, C.K., Lukey, G.C. and Van Deventer, J.S.J. 2005. The coexistence of geopolymeric gel and calcium silicate hydrate at the early stage of alkaline activation. Cement and Concrete Research vol. 35, pp. 1688–1697.
 
23.
Yip et al. 2008 – Yip, C.K., Lukey, G.C., Provis, J.L. and Van Deventer, J.S.J. 2008. Effect of calcium silicate sources on geopolymerisation. Cement and Concrete Research vol. 38, pp. 554–564.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953