Studio meccanicistico dell'effetto del ferrato di potassio e della fibra di paglia sull'aumento della resistenza del cemento

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7660 (2023) Citare questo articolo

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L'elevato contenuto di sostanza organica nei fanghi è la causa principale dello scarso effetto solidificante e dell'eccessivo dosaggio della base cementizia. In questo studio, il ferrato di potassio e la fibra di paglia vengono utilizzati per potenziare sinergicamente l'effetto solidificante del cemento ed elaborare i meccanismi di resistenza. Tra questi, è stato selezionato il ferrato di potassio per ossidare e rompere la struttura della sostanza organica nei fanghi e consumare parte della sostanza organica; la fibra di paglia è stata utilizzata come materiale di assorbimento per assorbire parte del materiale organico e ridurre la sua interferenza con la reazione di idratazione del cemento; la funzione scheletrica della fibra di paglia nei fanghi solidificati è stata utilizzata per migliorare la resistenza finale dei fanghi solidificati. È dimostrato che la presenza di questi due additivi ha migliorato significativamente la resistenza alla solidificazione del cemento e ha ridotto il contenuto di umidità del corpo solidificato. Inoltre, il contenuto di umidità e la resistenza seguivano un’ovvia relazione lineare (R2 corretto = 0,92), con la resistenza che aumentava al diminuire del contenuto di umidità. Dopo il pretrattamento con ferrato di potassio, il contenuto di acqua libera nei fanghi disidratati è aumentato del 4,5%, favorendo un'adeguata reazione di idratazione con il cemento. L’analisi mediante diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (SEM/EDS) e porosimetria a intrusione di mercurio (MIP) ha rivelato che il ferrato di potassio si sinergizza con le fibre di paglia per promuovere la produzione di gesso emiidrato e gismondine . Tuttavia, il gesso emiidrato, il carbonato di calcio e la gismondina hanno provocato un rigonfiamento strutturale, confermato dalla morfologia microscopica e dall’analisi della struttura dei pori. Tuttavia, gli effetti negativi dovuti al rigonfiamento sono stati compensati dall'aumento di resistenza apportato dalle suddette sostanze cristalline.

I fanghi contengono un elevato contenuto di umidità, un'elevata viscosità e un elevato contenuto di materia organica oltre a scarse proprietà geotecniche e rifiuti tossici e pericolosi. Attualmente, l’80% dei fanghi in Cina non è stato ancora stabilizzato e smaltito in modo sicuro e corretto, ponendo seri rischi per la sicurezza e pressione ambientale; pertanto, è della massima importanza affrontare il problema dei fanghi.

La solidificazione dei fanghi come copertura della discarica è ancora un metodo di smaltimento pratico grazie alla sua semplicità, efficienza economica, consumo elevato e tecnologia avanzata. I leganti comunemente utilizzati includono cemento Portland ordinario, calce, ceneri volanti, scorie e ossido di magnesio attivato1,2,3. Il cemento Portland ordinario (OPC) è stato riconosciuto come il miglior agente indurente poiché è facilmente disponibile, poco costoso e semplice da incorporare nei rifiuti umidi4. Nonostante ciò, ci sono tre principali inconvenienti nell’utilizzo dell’OPC per la solidificazione dei fanghi. Innanzitutto, la produzione di cemento può avere impatti ambientali negativi, come un aumento dell’effetto serra, un elevato consumo di energia e l’uso di risorse non rinnovabili5,6,7. Secondo le statistiche, l’industria del cemento rappresenta il 6-7% delle emissioni globali di CO28,9. In secondo luogo, i fanghi solidificati con cemento hanno spesso un pH elevato, il che è dannoso per le falde acquifere e per la crescita delle piante10,11. Infine, la reazione di idratazione del cemento viene facilmente disturbata dalla materia organica presente nei fanghi7,12,13, riducendo significativamente l'effetto di polimerizzazione e richiedendo dosaggi aggiuntivi di cemento. Pertanto, una strategia praticabile prevede l’aggiunta di modeste quantità di additivi ausiliari per regolare il dosaggio del cemento, minimizzare l’impatto della materia organica sulla reazione di idratazione del cemento e aumentare la resistenza dei fanghi solidificati. Attualmente, gli additivi ausiliari sono studiati principalmente da due prospettive: compensare o evitare l'interferenza della materia organica con l'idratazione del cemento e il consumo di ossidazione diretta e rompere la struttura della materia organica nei fanghi per ridurre l'interferenza. In questa direzione, Zhen et al.13 hanno scoperto che la miscela di una piccola quantità dei nuovi cristalli di alluminato 12CaO·7Al2O3 contrastava l'interferenza della materia organica e dei cristalli formati rapidamente, come ettringite e calcite, con i prodotti di idratazione del cemento. In un altro lavoro, Chen et al.12 hanno esplorato che il cemento alluminato solfato evitava direttamente anche l'interferenza della materia organica, generando quasi le stesse quantità di allumina di calcio e gel di alluminato di calcio del gruppo di controllo del bianco. Tuttavia, il cemento solfato-alluminato è più costoso e viene spesso impiegato come additivo al cemento silicato per aumentare la resistenza dei fanghi solidificati14. In uno studio di Lei et al.7, attraverso le misurazioni della diffrazione dei raggi X, è stato riscontrato che l'aggiunta di nano-silice aiuta a formare ulteriore silicato di calcio idratato che contrasta l'effetto indebolente della materia organica sulla resistenza alla solidificazione del cemento. È chiaro che è stata svolta un'enorme quantità di ricerca e sviluppo per contrastare la reazione di idratazione della materia organica sul cemento. Inoltre, Sun15 e Li16 hanno scoperto che l'uso del permanganato di potassio e del persolfato di potassio come additivi cementizi aumentava rispettivamente l'effetto della resistenza alla solidificazione. Tuttavia, in entrambi i rapporti non sono stati condotti studi e analisi approfonditi. Pertanto, c’è ancora molto spazio per ulteriori ricerche sul consumo ossidativo e sulla rottura della struttura della materia organica dei fanghi per migliorare l’effetto di solidificazione cementizia. Il ferrato di potassio è uno speciale agente ossidante utilizzato nella ricerca sulla disidratazione dei fanghi17, sulla riduzione dei fanghi18,19 e sulla disinfezione delle acque reflue grazie alle sue potenti proprietà ossidanti, flocculanti e rispettose dell'ambiente20,21. Tuttavia, il ferrato di potassio è stato raramente esplorato per le sue potenzialità nella solidificazione dei fanghi per migliorarne la resistenza.