Comparative study on the characteristics of coal fly ash and biomass ash geopolymers

• Autorzy: Sitarz-Palczak Elżbieta , Kalembkiewicz Jan , Galas Dagmara

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2019.126427

Warianty tytułu

PL

Porównanie właściwości geopolimerów na bazie lotnego popiołu ze spalania węgla i biomasy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Geopolymers are a new class of materials that can be synthesized using natural minerals, and waste materials. Among these substrates, the use of fly ash is desirable as it involves the conversion of a copious waste material into a useful product. The aim of the research was geopolymers synthesis from coal fly ash and biomass ash. Concentrated sodium hydroxide and sodium silicate solutions were used as activators in geopolymerisation reaction. The results show that both coal fly ash and biomass ash can be utilized as source materials for the production of geopolymers. The surface morphology and chemical composition analysis were examined for the obtained geopolymers and ashes from coal and biomass combustion by SEM-EDS methods. It was found almost total disappearance of spherical forms of grains and reduction the porosity of structure for geopolymer based on fly ash from coal combustion. While the structure of the geopolymer based ash from biomass combustion is more porous. The UV-VIS-NIR spectra were performed on the coal fly ash, biomass ash and geopolymers. They showed that the obtained geopolymers possess optical and photocatalytic properties. The similarity of the geopolymer network and the zeolite framework in relation to ion exchange and accommodation of metal ions open questions on possibilities for the application of geopolymer materials as amorphous analogues of zeolite. The FT-IR spectra analyses were used on the geopolymers before and after metals sorption. It was found that geopolymer based on ash from biomass combustion has better sorption properties compared to geopolymer based on ash from coal combustion.

PL

Geopolimery są nową klasą materiałów, które mogą być syntetyzowane z użyciem naturalnych minerałów i materiałów odpadowych. Wśród tych substratów, użycie popiołu lotnego jest pożądane ponieważ wiąże się z możliwością konwersji materiału odpadowego w użyteczny produkt. Celem badań była synteza geopolimerów z lotnego popiołu węglowego oraz z popiołu z biomasy. Jako aktywatory reakcji geopolimeryzacji były stosowane stężony wodorotlenek sodu i roztwór krzemianu sodu. Rezultaty pokazują, że zarówno lotny popiół węglowy i popiół z biomasy mogą być wykorzystane jako źródło materiałów do produkcji geopolimerów. Badania morfologii powierzchni i analizę składu chemicznego dla otrzymanych geopolimerów i popiołów ze spalania węgla i biomasy wykonano metodą SEM-EDS. Stwierdzono prawie całkowity zanik form kulistych ziaren i zmniejszenie porowatości struktury dla geopolimeru na bazie popiołu lotnego ze spalania węgla. W przypadku geopolimeru na bazie popiołu ze spalania biomasy występuje struktura bardziej porowata. Widma UV-VIS zostały wykonane dla lotnego popiołu węglowego, popiołu z biomasy oraz geopolimerów. Pokazują one, że otrzymane geopolimery wykazują właściwości optyczne i fotokatalityczne. Podobieństwo sieci geopolimeru i struktury zeolitu w związku z wymianą jonową i akomodacją jonów metali otwiera pytania dotyczące możliwości zastosowania materiałów geopolimerowych, jako bezpostaciowych analogów zeolitu. Widma FT-IR zostały wykonane dla geopolimerów przed i po sorpcji metali. Stwierdzono, że geopolimer na bazie popiołu z biomasy ma lepsze właściwości sorpcyjne w porównaniu do geopolimeru na bazie popiołu lotnego ze spalania węgla.

Słowa kluczowe

EN

immobilization; fly ash; metals; geopolymer

PL

unieruchomienie; popiół lotny; metale; geopolimer

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 45, no. 1
• Strony: 126--135
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sitarz-Palczak Elżbieta

• Rzeszów University of Technology Poland, Faculty of Chemistry, Department of Inorganic and Analytical Chemistry

autor

Kalembkiewicz Jan

• Rzeszów University of Technology Poland, Faculty of Chemistry, Department of Inorganic and Analytical Chemistry

autor

Galas Dagmara

Bibliografia

• 1. Al-Zboona, K., Al-Harahshehb, M.S. & Hania, F.B. (2011). Fly ash-based geopolymer for Pb removal from aqueous solution, Journal of Hazardous Materials, 188, 1-3, pp. 414-421.
• 2. Bailey, S.E., Olin, T.J., Bricka, R.M. & Adriana, D.D. (1999). A review of potentially low-cost sorbents for heavy metals, Water Research, 33, 11, pp. 2469-2479.
• 3. Bakharew, T. (2005). Resistance of geopolymer materials to acid attack, Cement and Concrete Research, 35, 4, pp. 658-670.
• 4. Bożęcka, A., Bożęcki, P. & Sanak-Rydlewska, S. (2014). Study of chemical surface structure of natural sorbents used for removing of Pb2+ ions from model aqueous solutions (part II), The Journal of Committee of Mining of Polish Academy of Sciences, 59, 1, pp. 217-223.
• 5. Böke, N., Birch, G.D., Nyale, S.M. & Petrik, L.F. (2015). New synthesis method for the production of coal fly ash-based foamed geopolymers, Construction and Building Materials, 75, pp. 189-199.
• 6. Davidovits, J. (2015). Geopolymer chemistry and applications, Institute Geopolymere, Saint-Quentin 2015.
• 7. Delair, S., Prud’homme, E., Peyratout, C., Smith, A., Michaud, P., Eloy, L., Joussein, E. & Rossignol, S. (2012). Durability of inorganic foam in solution: the role of alkali elements in the geopolymer network, Corrosion Science, 59, pp. 213-221.
• 8. El-Shafey, E.I. (2010). Removal of Zn(II) and Hg(II) from aqueous solution on a carbonaceous sorbent chemically prepared from rice husk, Journal of Hazardous Materials, 175, 1-3, pp. 319-327.
• 9. Faheem, M.T.M., Al Bakri, A.M.M., Kamarudin, H., Binhussain, M., Ruzaidi, C.M. & Izzat, A.M. (2013). Application of clay - based geopolymer in brick production: a review, Advanced Materials Research, 626, pp. 878-882.
• 10. He, J., Zhang, J., Yu, Y & Zhang, G. (2012). The strength and microstructure of two geopolymers derived from metakaolin and red mud-fly ash admixture: a comparative study, Construction and Building Materials, 30, pp. 80-91.
• 11. Kalembkiewicz, J., Sitarz-Palczak, E.(2015). Efficiency of leaching tests in the context of the influence of the fly ash on the environment, Journal of Ecological Engineering, 16, pp. 67-80.
• 12. Karamanis, D. & Vardoulakis, E. (2012). Application of zeolitic materials prepared from fly ash to water vapor adsorption for solar cooling, Applied Energy, 97, pp. 334-339.
• 13. Khale, D. & Chaudhary, R. (2007). Mechanism of geopolymerization and factors influencing its development: a review, Journal of Materials Science, 42, pp. 729-746.
• 14. Khan, M.I., Azizli, K., Sufian, S. & Man, Z. (2014). Effect of Na/Al and Si/Al ratios on adhesion strength of geopolymers as coating material, Applied Mechanics and Materials, 625, pp. 85-89.
• 15. Kong, D.L.Y. & Sanjayan, J.G. (2008). Damage behavior of geopolymer composites exposed to elevated temperatures, Cement and Concrete Composites, 30, 10, pp. 986-991.
• 16. Koukouzas, N., Vasilatos, C., Itskos, G., Mitsis, I. & Moutsatsou, A. (2010). Removal of heavy metals from wastewater using CFB-coal fly ash zeolitic materials, Journal of Hazardous Materials, 173, 1-3, pp. 581-588.
• 17. Król, M., Matras, E. & Mozgawa, W. (2016). Sorption of Cd2+ ions onto zeolite synthesized from perlite waste, International Journal of Environmental Science and Technology, 13(11), pp. 2697-2704.
• 18. Król, M., Rożek, P., Chlebda, D. & Mozgawa, W. (2018). Influence of alkali metal cations/type of activator on the structure of alkali- -activated fly ash - ATR-FTIR studies, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 198, pp. 33-37.
• 19. Liu, Y., Yan, C., Zhang, Z., Wang, H., Zhou, S. & Zhou, W. (2016). A comparative study on fly ash, geopolymer and faujasite block for Pb removal from aqueous solution, Fuel, 185, pp. 181-189.
• 20. Mazur, P., Mikuła, J. & Kowalski, J.S. (2013). The corrosion resistance of the base geopolymer fly ash, Advances in Science and Technology Research Journal, 7, 19, pp. 88-92.
• 21. McLellan, B.C., Williams, R.P., Lay, J., Van Riessen, A. & Corder, G.D. (2011). Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement, Journal of Cleaner Production, 19, 9-10, pp. 1080-1090.
• 22. Mozgawa, W., Król, M. & Bajda, T. (2009). Application of IR spectra in the studies of heavy metal cations immobilization on natural sorbents, Journal of Molecular Structure, 924-926, pp. 427-433.
• 23. Murayama, N., Yamamoto, H. & Shibata J. (2002). Mechanism of zeolite synthesis from fly ash by alkali hydrothermal reaction, International Journal of Mineral Processing, 64, 1, pp. 1-17.
• 24. O’Connell, D.W., Birkinshaw, C. & O’Dwyer, T.F. (2008). Heavy metal adsorbents prepared from the modification of cellulose: A review, Bioresource Technology, 99, 15, pp. 6709-6724.
• 25. Oliveira, W.E., Franca, A.S., Oliveira, L.S. & Rocha, S.D. (2008). Untreated coffee husks as biosorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions, Journal of Hazardous Materials, 152, pp. 1073-1081.
• 26. Roa, K.J. & Euiott, S.R. (1981). Characteristic vibrations of cations in glasses, Journal of Non Crystalline Solids, 46, pp. 371-378.
• 27. Romisuhani, A., Abdullah, M.M.A.B., Kamarudin, H., Sandu, A.V., Binhussain, M., Izzat, A. & Jaya, N.A. (2015). The effect of solid-to-liquid ratio and temperature on mechanical properties of kaolin geopolymer ceramics, Key Engineering Materials, 660, pp. 23-27.
• 28. Rożek, P., Król, M. & Mozgawa, W. (2018). Spectroscopic studies of fly ash-based geopolymers, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 198, pp. 283-289.
• 29. Sazama, P., Bortnovsky, O., Dedecek, J., Tvaruzková, Z. & Sobalík, Z. (2011). Geopolymer based catalysts - New group of catalytic materials, Catalysis Today, 164, 1, pp. 92-99.
• 30. Sindhunata, van Deventer, J.S.J., Lukey, G.C. & Xu, H. (2006). Effect of curing temperature and silicate concentration on fly-ash- based geopolymerization, Industrial and Engineering Chemistry Research, 45, 10, pp. 3559-3568.
• 31. Yu, J., Zhang, P., Yu, H. & Trapalis, C. (2012). Environmental photocatalysis, International Journal of Photoenergy, Article ID 594214.
• 32. Zhang, J., Provis, J.L., Feng, D. & van Deventer, J.S. (2008). Geopolymers for immobilization of Cr(6+), Cd(2+), and Pb(2+), Journal of Hazardous Materials, 157, 2-3, pp. 587-598.
• 33. Zhang. Z., Wang, H. & Provis, J.L. (2012). Quantitative study of the reactivity of fly ash in geopolymerization by FTIR, Journal of Sustainable Cement -Based Materials, 1, 4, pp. 154-166.
• 34. Zivica, V., Palou, M.T. & Bágel, T.I.L. (2014). High strength metahalloysite based geopolymer, Composites Part B: Engineering, 57, pp. 155-165.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).