Alkali activation of fresh and deposited black coal fly ash with high loss on ignition

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.

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.