Rosnące obawy dotyczące odpadów przemysłowych zachęciły naukowców do poszukiwania sposobów ponownego wykorzystania materiałów, które w przeciwnym razie zostałyby wyrzucone. Jednym z takich odpadów jest czerwony błoto, substancja pozostała po produkcji aluminium. Co roku gromadzą się ogromne ilości tych czerwonawych pozostałości, często składowanych w dużych obszarach zamkniętych, które mogą stwarzać ryzyko dla środowiska. Znalezienie nowych zastosowań tego materiału mogłoby zmniejszyć zanieczyszczenie, jednocześnie wspierając bardziej zrównoważone praktyki budowlane. Naukowcy badają zatem, w jaki sposób czerwony błoto można przekształcić w praktyczne materiały budowlane, które są zarówno mocne, jak i przyjazne dla środowiska.
Naukowcy profesor Bing Bai i dr Fan Bai z Uniwersytetu Jiaotong w Pekinie, współpracując z Qingke Nie i Xiangxin Jia z China Hebei Construction and Geotechnical Investigation Group Ltd., badali, w jaki sposób czerwony szlam można połączyć z innym przemysłowym produktem ubocznym zwanym popiołami lotnymi. Popiół lotny to drobny proszek pozostały po spalaniu węgla w elektrowniach. Celem zespołu było stworzenie utwardzonego materiału konstrukcyjnego zwanego geopolimerem – rodzajem sztucznego kamienia powstającego w wyniku reakcji proszków bogatych w minerały z cieczami alkalicznymi i twardnienia w stałą masę. Ich badania, opublikowane w recenzowanym czasopiśmie Powder Technology, badają, w jaki sposób warunki przygotowania – takie jak temperatura, skład mieszaniny i dodatki chemiczne – wpływają na wytrzymałość i stabilność końcowego materiału.
Eksperymenty przeprowadzone przez zespół wykazały, że uważna kontrola procesu przygotowania może znacząco poprawić właściwości użytkowe materiału. Podczas testów czerwony błoto zmieszano z kilkoma rodzajami popiołów lotnych, a następnie poddano działaniu roztworów alkalicznych, czyli cieczy zawierających podstawowe związki chemiczne zdolne do wywoływania reakcji między minerałami. Gdy mieszaninę trzymano w umiarkowanie ciepłej temperaturze, a nie w warunkach pokojowych, reakcje odpowiedzialne za utworzenie stałej struktury zachodziły szybciej. Profesor Bai wyjaśnił znaczenie tego etapu, zauważając: „Stosunkowo wysoka temperatura przyspieszy proces geopolimeryzacji i skróci czas wymagany do formowania próbek”. Geopolimeryzacja to proces chemiczny, podczas którego rozpuszczone minerały łączą się ze sobą i stopniowo tworzą materiał przypominający kamień. Mówiąc prościej, dodatkowe ciepło pomaga materiałom szybciej reagować i wiązać się ze sobą, tworząc stałą substancję odpowiednią do zastosowań budowlanych.
Co ciekawe, badanie wykazało, że ten pomysłowy materiał kompozytowy może osiągnąć bardzo wysoki poziom wytrzymałości w odpowiednich warunkach. Kiedy badacze zastosowali kombinację roztworów aktywujących i pozostawili mieszaninę do utwardzenia w ciepłych warunkach, uzyskany materiał po kilkutygodniowym utwardzaniu uzyskał wytrzymałość porównywalną z wytrzymałością wysokiej jakości cementu budowlanego. Wytrzymałość na ściskanie tego pionierskiego materiału staje się podobna do wytrzymałości mocnego komercyjnego cementu stosowanego w wielu projektach budowlanych. Wytrzymałość na ściskanie odnosi się do ciśnienia, jakie materiał może wytrzymać, zanim pęknie lub pęknie, co jest kluczową właściwością materiałów budowlanych. Takie wyniki sugerują, że poddane recyklingowi odpady przemysłowe odgrywają znaczącą rolę w opracowywaniu ultrawytrzymałych materiałów budowlanych.
Dalsze obserwacje pomogły wyjaśnić, dlaczego materiał staje się tak mocny. Kiedy popiół lotny zostanie wystawiony na działanie roztworu aktywującego, jego kluczowe składniki mineralne rozpuszczają się i przekształcają w żelową substancję, która działa jako środek wiążący. Substancja ta nazywa się żelem poliglinokrzemianowym, klejem na bazie minerałów wykonanym z aluminium, krzemu i tlenu, który tworzy się, gdy te pierwiastki reagują w warunkach zasadowych. Żel stopniowo wypełnia szczeliny pomiędzy cząsteczkami i spaja je w gęstą i stabilną strukturę. W mieszaninach zawierających popiół lotny bogaty w wapń zachodziła kolejna pomocna reakcja, w wyniku której powstała dodatkowa substancja wiążąca, znana jako żel hydratu krzemianu wapnia, ten sam główny materiał wiążący, który występuje w zwykłym cemencie. To dodatkowo wzmocniło materiał i zmniejszyło puste przestrzenie w jego wnętrzu. Zdjęcia wykonane za pomocą potężnych mikroskopów potwierdziły, że struktura wewnętrzna stała się ciasno upakowana i dobrze połączona, co pomogło wyjaśnić zwiększoną trwałość.
Ważna okazała się również dbałość o warunki utwardzania. Utwardzanie odnosi się do okresu, w którym nowo powstały materiał powoli twardnieje i zyskuje wytrzymałość. Utrzymanie odpowiedniej wilgotności na tym etapie zapobiegło tworzeniu się pęknięć podczas wiązania materiału. Jednocześnie kontrolując ilość roztworu alkalicznego stosowanego w mieszaninie, zapobiegnięto tworzeniu się na powierzchni białych osadów mineralnych, zwanych wykwitami, czyli sypkiej pozostałości, która może pojawić się, gdy rozpuszczone sole wypłyną na powierzchnię i krystalizują. Unikanie tego efektu pomaga zachować trwałość i wygląd materiału. Odkrycia te pokazują, że nawet niewielkie zmiany w metodach przygotowania mogą mieć wpływ na końcowe właściwości materiału.
Podsumowując, wyniki pokazują, w jaki sposób odpady z przemysłu ciężkiego można przekształcić w cenne zasoby dzięki przemyślanemu projektowi naukowemu. Łącząc czerwone błoto i popiół lotny – dwa materiały często traktowane jako niepożądane produkty uboczne – badacze uzyskali trwały materiał budowlany o imponującej wytrzymałości. Takie kreatywne alternatywy zmniejszają zapotrzebowanie na tradycyjny cement, którego produkcja jest energochłonna i znacząco przyczynia się do emisji dwutlenku węgla.
Patrząc w przyszłość, tego typu innowacje wspierają rozwój bardziej ekologicznych technologii budowlanych. Przekształcanie odpadów przemysłowych w niezawodne materiały budowlane nie tylko rozwiązuje problemy związane z utylizacją odpadów dla środowiska, ale także oferuje nowe możliwości dla zrównoważonej infrastruktury. Ta praca badawcza jest na wiodącym poziomie międzynarodowej społeczności akademickiej. Dzięki ciągłym badaniom i testom materiały na bazie czerwonego błota mogą ostatecznie stać się praktyczną opcją w przypadku dróg, fundamentów i innych projektów inżynieryjnych.
Odniesienie do czasopisma
Bai Bing, Bai Fan, Nie Qingke, Jia Xiangxin. „Wysoko wytrzymały geopolimer z czerwonego popiołu lotnego i konsekwencje temperatury utwardzania”. Technologia proszkowa, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118242
O autorze
Bai Bing urodził się w październiku 1966 r. i jest profesorem na Uniwersytecie Beijing Jiaotong w Pekinie, Chiny. Jego zainteresowania badawcze obejmują inżynierię geośrodowiskową, teorię konsolidacji termicznej, teorię transportu zanieczyszczeń i metody kontroli. Poświęcił się postępowi w zanieczyszczeniu gleby, przetwarzaniu odpadów stałych i środowisku geotechnicznym. Opracował teorię opisującą współtransport metali ciężkich i cząstek zawieszonych z uwzględnieniem temperatury w ośrodkach porowatych i zaproponował nieliniowy model przyłączania-odrywania z histerezą odpowiedni dla substancji o rozmiarach od jonów do dużych cząstek, co ma ogromne znaczenie w mechanizmie zanieczyszczenia wód gruntowych i technologii oczyszczania. Opracował serię wysokowydajnych materiałów geopolimerowych na bazie czerwonego szlamu, dostarczając ważnych pomysłów badawczych i technologii wykorzystania odpadów stałych.
Opublikował ponad 200 prac naukowych w międzynarodowych czasopismach naukowych oraz zredagował 10 monografii akademickich i podręczników. W 2023 r. otrzymał Pekińską Nagrodę Nauk Przyrodniczych oraz Nagrodę Nauk Przyrodniczych Ministerstwa Edukacji Chińskiej Republiki Ludowej w 2022 r. za wybitne badania naukowe jako pierwszy laureat. Przez kolejne lata znajdował się na liście karier „2% najlepszych naukowców świata” Uniwersytetu Stanforda. Zdobył nagrodę „Scott Sloan Award dla najlepszego artykułu w 2021 r.” przyznaną przez członka Royal Society. W 2023 r. był nominowany do nagrody Eni, prestiżowej nagrody międzynarodowej w dziedzinie energii i środowiska. Został odznaczony 15. Medalem Naukowca przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Materiałów Zaawansowanych (IAAM), a w 2024 r. został przyjęty jako członek IAAM. Jest członkiem rady redakcyjnej czasopism Journal of Geotechnical Engineering oraz Rock and Soil Mechanics of China. Jest członkiem kilku komisji zawodowych, takich jak dyrektor chińskiego oddziału mechaniki i inżynierii gruntów.
