Alkali-Activation of Blast Furnace Slag as Possible Modification for Improving Sorption Properties of Heavy Metals

• Autorzy: Blahova L. , Navratilova Z. , Mucha M. , Gorosova S.

Warianty tytułu

PL

Aktywacja alkaliczna żużla wielkopiecowego w celu poprawy właściwości sorpcyjnych metali ciężkich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

New direction of research uses the alkali-activated slags as sorbents for removing metals cations from the solution. Slag materials modified by alkali-activation were prepared by interaction of blast furnace slag (BFS Basic) with water glass. The prepared alkali-activated slags were dried under different conditions to form new structure in slag. The slag dried at room temperature for 7 days (AA BFS) and in a dryer at 105°C for 8 hours (AA BFS 105) were prepared and characterized with the aim to study their sorption properties. Characterization of the prepared slags by means of infrared spectrometry (with diffuse reflectance method) demonstrates that the alkaline activation forms a new structure. The new structures are products of hydration processes and structural changes after contact with water glass. Changes are significant in the comparison with original blast furnace slag. The influence of this new structure on the sorption properties was studied for the copper Cu(II) and lead Pb(II) cations. The sorption experiments were performed by batch method in the aqueous solutions without pH treatment for the concentration range 2–140 mmol/L. The maximum removal amounts of Cu(II) on the alkali-activated slags were almost three times higher and the maximum removal amounts of Pb(II) were at least twice higher in comparison to the BFS Basic. Removal efficiency achieved almost 100% to initial concentration 20 mmol/L for Cu(II) and Pb(II). The removal efficiency for both cations decreases with increasing concentration of metals cations. The removal efficiency is higher for both alkali-activated blast furnace slags in the comparison with BFS Basic. A mechanism of the metal cations removing is influenced by self-alkalization and the removing is mainly due to precipitation and complexation of copper and lead cations on the surface of slags. The alkaline activated slags can be possibly used for remediation of wastewater containing metals ions.

PL

Nowy kierunek badań obejmuje wykorzystanie aktywowanych alkalicznie żużli jako sorbentów do usuwania kationów metali z roztworów. Żużle modyfikowane alkalicznie przygotowano w reakcji żużla wielkopiecowego (BFS Basic) ze szkłem wodnym. Przygotowane żużle aktywowane alkalicznie wysuszono w różnych warunkach, tworząc nową strukturę w żużlu. Żużel wysuszono w temperaturze pokojowej przez 7 dni (AA BFS) i suszarce w temperaturze 105°C przez 8 godzin (AA BFS 105), w celu zbadania ich właściwości sorpcyjnych. Charakterystyka przygotowanych żużli za pomocą spektrometrii w podczerwieni (metodą rozproszonego odbicia) wykazuje, że aktywacja alkaliczna tworzy nową strukturę. Nowe struktury są produktami procesów hydratacji i zmianami strukturalnymi po kontakcie ze szkłem wodnym. Zmiany są znaczące w porównaniu z żużlem wielkopiecowym. Wpływ nowej struktury na właściwości sorpcyjne zbadano dla kationów miedzi Cu (II) i ołowiu Pb (II). Eksperymenty sorpcyjne przeprowadzono metodą wsadową w wodnych roztworach bez obróbki pH w zakresie stężenia 2–140 mmol/l. Maksymalna redukcja Cu (II) w żużlach aktywowanych alkaliami była prawie trzy razy wyższa, a maksymalny stopień redukcji Pb (II) był co najmniej dwa razy wyższy w porównaniu do BFS Basic. Wydajność redukcji osiągnęła prawie 100% w stosunku do początkowego stężenia 20 mmol/l dla Cu (II) i Pb (II). Skuteczność redukcji kationów maleje wraz ze wzrostem stężenia kationów. Skuteczność redukcji jest większa w przypadku żużli wielkopiecowych w porównaniu z BFS Basic. Mechanizm usuwania kationów metali wpływa na samoalkalizację, a redukcja jest głównie spowodowana wytrącaniem się kationów miedzi i ołowiu na powierzchni żużla. Żużle alkaliczne mogą być używane do oczyszczania ścieków zawierających jony metali.

Słowa kluczowe

EN

sorption; slags; metal cations; alkali activated slag

PL

sorpcja; żużel; kationy metali; żużel aktywowany alkalicznie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Przeróbki Kopalin
• Czasopismo: Inżynieria Mineralna
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 18, nr 1
• Strony: 59--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Blahova L.

• Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Ostrava, 30. dubna 22, 701 33 Ostrava, Czech Republic

autor

Navratilova Z.

• Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Ostrava, 30. dubna 22, 701 33 Ostrava, Czech Republic

autor

Mucha M.

• Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Ostrava, 30. dubna 22, 701 33 Ostrava, Czech Republic

autor

Gorosova S.

• Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Ostrava, 30. dubna 22, 701 33 Ostrava, Czech Republic

Bibliografia

• 1. BAKHAREV, T., J.G. SANJAYAN a Y.-B. CHENG. Sulfate attack on alkali-activated slag concrete. Cement and Concrete Research. 2002, 32(2), 211-216. DOI: 10.1016/S0008-8846(01)00659-7. ISSN 00088846.
• 2. BERNAL, Susan A., Rackel SAN NICOLAS, Rupert J. MYERS, Ruby MEJÍA DE GUTIÉRREZ, Francisca PUERTAS, Jannie S.J. VAN DEVENTER a John L. PROVIS. MgO content of slag controls phase evolution and structural changes induced by accelerated carbonation in alkali-activated binders. Cement and Concrete Research. 2014, 57, 33-43.
• 3. BLÁHOVÁ, L., M. MUCHA, Z. NAVRÁTILOVÁ a S. GOROŠOVÁ. Sorption properties of slags. Inżynieria Mineralna – Journal of the Polish Mineral Engineering Society. 2015, 2(36), 89-94. ISSN 1640-4920.
• 4. COLLINS, F.G. a J.G. SANJAYAN. Workability and mechanical properties of alkali activated slag concrete.Cement and Concrete Research . 1999, 29(3), 455-458. DOI: 10.1016/S0008-8846(98)00236-1. ISSN 00088846
• 5. DAS, B., S. PRAKASH, P.S.R. REDDY a V.N. MISRA. An overview of utilization of slag and sludge from steel industries. Resources, Conservation and Recycling. 2007, 50(1), 40-57. DOI: 10.1016/j.resconrec.2006.05.008. ISSN 09213449.
• 6. DIMITROVA, S.V. Metal sorption on blast-furnace slag. Water Research. 1996, 30(1), 228-232. DOI: 10.1016/0043-1354(95)00104-S.
• 7. DIMITROVA, S. Interaction of blast-furnace slag with heavy metal ions in water solutions. Water Research. 34(6), 1957-1961. DOI: 10.1016/S0043-1354(99)00328-0. ISSN 00431354.
• 8. KIM, Do-Hyung, Min-Chul SHIN, Hyun-Doc CHOI, Chang-Il SEO a Kitae BAEK. Removal mechanisms of copper using steel-making slag: adsorption and precipitation. Desalination. 2008, 223(1-3), 283-289. DOI: 10.1016/j.desal.2007.01.226. ISSN 00119164.
• 9. LI, Chao, Henghu SUN a Longtu LI. A review: The comparison between alkali-activated slag (Si+Ca) and metakaolin (Si+Al) cements. Cement and Concrete Research. 2010, 40(9), 1341-1349. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.03.020. ISSN 00088846.
• 10. OH, Jae Eun, Paulo J.M. MONTEIRO, Ssang Sun JUN, Sejin CHOI a Simon M. CLARK. The evolution of strength and crystalline phases for alkali-activated ground blast furnace slag and fly ash-based geopolymers. Cement and Concrete Research. 2010, 40(2), 189-196. DOI: 10.1016/j.cemconres.2009.10.010. ISSN 00088846.
• 11. XUE, Yongjie, Haobo HOU a Shujing ZHU. Competitive adsorption of copper(II), cadmium(II), lead(II) and zinc(II) onto basic oxygen furnace slag. Journal of Hazardous Materials. 2009, 162(1), 391-401. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.05.072. ISSN 03043894.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).