Solidification/stabilization of an extremely heavy metals rich industrial side stream with ettringite-rich solid binders
Piekkari, Katri (2024-11-01)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202410046182
Kuvaus
Tiivistelmä
Contamination of the environment by heavy metals and other harmful elements from different industrial activities is a major issue globally. One common method to prevent this contamination is mixing harmful waste with ordinary Portland cement (OPC) in order to form a solid block from which the harmful components cannot escape. However, the large carbon footprint of OPC has created interest in finding ways to replace it in different applications.
The aim of this thesis was to test new binders for the immobilization, i.e., solidification/stabilization (S/S), of several harmful ionic compounds at once. An industrial side stream (FS) with exceptionally high contents of several hazardous components: Pb, Hg, Se, As, Cd, Cr, Cu, Ni, and Zn, was immobilized using two different CSAB clinkers, mayenite, and ladle slag (LS), all used with gypsum and water to achieve a high ettringite content. Ettringite can chemically incorporate different ions into its structure, enhancing the S/S. The leaching of the heavy metals was tested in water for 24 h and compared to the legal limit values for landfilled waste in Finland.
During testing the following harmful components were entirely immobilized in all scenarios: As, Cd, Cr, Cu, Ni, and Zn. Hg was successfully immobilized in most samples despite its high content in FS and low legal limit for leaching. The CSAB clinkers worked best for Pb and Hg immobilization, but had difficulty containing SO4 and Se. To counter this, the total sulfate content of the binder-FS mixture was reduced through two methods: replacing gypsum with Ca(OH)2 and using mayenite-based binders. This approach did reduce the leaching of SO4 and Se, but it also caused some issues for setting the binders. The incorporation of the contaminants into the immobilized solid samples was mostly encapsulation, whereas chemical incorporation into ettringite was observed for Se.
Several parameters were tested for their effect on the solidification of the binders and the S/S of the contaminants. Most noteworthily, citric acid can be used as a retarder to adjust the setting time of LS binders without compromising immobilization as long as the Ca(OH)2 content is kept low.
Ympäristön saastuminen erilaisista teollisuuden toiminnoista peräisin olevilla raskasmetalleilla ja muilla haitallisilla alkuaineilla on maailmanlaajuisesti merkittävä ongelma. Haitallisen jätteen sekoittaminen Portland-sementtiin (OPC) ja kovettaminen betonin sisään on yleinen ratkaisu, jolla vähennetään haitallisten kemikaalien päätymistä ympäristöön. OPC:lla on kuitenkin suuri hiilijalanjälki, minkä vuoksi sille etsitään korvaavia materiaaleja eri sovelluskohteissa.
Tämän väitöskirjan tavoitteena oli testata uusia materiaaleja haitallisen jätemateriaalin käsittelyyn käyttäen teollisuuden sivuvirtaa (FS), joka sisältää poikkeuksellinen suurina pitoisuuksina useita haitallisia alkuaineita: Pb, Hg, Se, As, Cd, Cr, Cu, Ni ja Zn. Tarkoitukseen käytettiin kahta eri CSAB-klinkkeriä, mayeniittia ja jatkuvavalukuonaa (JVK), joista kukin kovettuu kipsin ja veden kanssa reagoidessaan betoninkaltaiseksi sidosaineeksi, joka sisältää paljon ettringiitti-mineraalia. Ettringiitti pystyy sitomaan kemialliseen rakenteeseensa erilaisia ioneita, tehostaen niiden sitoutumista materiaaliin. Käsittelyn jälkeen haitallisten komponenttien liukoisuus testattiin vedessä 24 h ajan ja sitä verrattiin Suomen Kaatopaikka-asetuksessa jätteelle määritettyihin raja-arvoihin.
Kokeissa havaittiin, että As, Cd, Cr, Cu, Ni ja Zn sitoutuivat täysin kaikilla sidosaineilla. Hg sitoutui onnistuneesti useimmissa tapauksissa, vaikka sen pitoisuus FS:ssä oli suuri, ja sallitun liukeneman raja matala. CSAB-klinkkerit sitoivat parhaiten Pb:ä ja Hg:a, mutta huonommin SO4:a ja Se:ä. Tämän vuoksi SO4:n kokonaispitoisuutta alennettiin kahdella tavalla: korvaamalla sidosaineessa käytettyä kipsiä Ca(OH)2:lla, ja siirtymällä käyttämään mayeniitti-pohjaisia sidosaineita (mayeniitti ja JVK). Näillä keinoin SO4:n ja Se:n liukoisuus saatiin laskemaan, mutta sidosaineiden kovettuminen kärsi. Haitallisten alkuaineiden sitoutuminen tapahtui pääasiassa sidosaineeseen kapseloitumalla, mutta Se:llä havaittiin myös sitoutumista ettringiittiin.
Työssä tutkittiin lisäksi sidosaineen koostumuksen merkitystä haitta-aineiden sitoutumiselle. Merkittävin havainto oli, että sitruunahapon avulla voidaan muokata JVK:n kovettumisaikaa ilman, että sitoutuminen kärsii, kunhan Ca(OH)2:n määrä on matala.
Original papers
-
Piekkari, K., Ohenoja, K., Isteri, V., Tanskanen, P., & Illikainen, M. (2020). Immobilization of heavy metals, selenate, and sulfate from a hazardous industrial side stream by using calcium sulfoaluminate-belite cement. Journal of Cleaner Production, 258, 120560. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120560 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120560
-
Piekkari, K., Isteri, V., Ohenoja, K., & Illikainen, M. (2021). Effect of gypsum content on CSAB cement-based immobilization of Se and SO4 from industrial filter sludge and sodium–selenium salts. Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste, 25(3), 04021018. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HZ.2153-5515.0000623 https://doi.org/10.1061/(ASCE)HZ.2153-5515.0000623
-
Piekkari, K., Isteri, V., Ohenoja, K., & Illikainen, M. (2023). Hazardous industrial filter sludge immobilization with mayenite and gypsum. Journal of Cleaner Production, 387, 135873. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.135873 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.135873
-
Piekkari, K., Nguyen, H., Kilpimaa, K., & Illikainen, M. (2024). Ladle slag–based binder for the solidification/stabilization of heavy-metal-rich industrial waste. Journal of Environmental Management, 367, 121956. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121956 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121956
Osajulkaisut
-
Piekkari, K., Ohenoja, K., Isteri, V., Tanskanen, P., & Illikainen, M. (2020). Immobilization of heavy metals, selenate, and sulfate from a hazardous industrial side stream by using calcium sulfoaluminate-belite cement. Journal of Cleaner Production, 258, 120560. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120560 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120560
-
Piekkari, K., Isteri, V., Ohenoja, K., & Illikainen, M. (2021). Effect of gypsum content on CSAB cement-based immobilization of Se and SO4 from industrial filter sludge and sodium–selenium salts. Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste, 25(3), 04021018. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HZ.2153-5515.0000623 https://doi.org/10.1061/(ASCE)HZ.2153-5515.0000623
-
Piekkari, K., Isteri, V., Ohenoja, K., & Illikainen, M. (2023). Hazardous industrial filter sludge immobilization with mayenite and gypsum. Journal of Cleaner Production, 387, 135873. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.135873 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.135873
-
Piekkari, K., Nguyen, H., Kilpimaa, K., & Illikainen, M. (2024). Ladle slag–based binder for the solidification/stabilization of heavy-metal-rich industrial waste. Journal of Environmental Management, 367, 121956. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121956 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121956
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38840]