UTILIZZO DI SEDIMENTI LACUALI PER LA ... - SEE Hydropower

UTILIZZO DI SEDIMENTI LACUALI PERLA PRODUZIONE DI MATERIALI DACOSTRUZIONE ECO-SOSTENIBILIClaudio Ferone, Raffaele Cioffi, Francesco Colangelo,Università Parthenope NapoliBruno MolinoUniversità del MoliseVenezia, 31 maggio 2012

GeopolimeriMateriali a base allumino‐silicatica, formati perpolimerizzazione di condensazione, o “geopolimerizzazione”.La materia prima, costituita principalmente da silice edallumina amorfe, viene miscelata con una soluzione alcalinacontenente NaOH oppure NaOH e silicato di sodio.Attraverso un meccanismo di dissoluzione e precipitazioneavvengono la presa e l’indurimento dell’impasto, conformazione di una struttura solida reticolata.Il processo di indurimento, “curing”, viene condotto atemperature comprese fra la temperatura ambiente e 60°C.

Pre‐trattamento e caratterizzazione deisedimenti• Frantumazione/macinazione• Calcinazione• Analisi mineralogica –XRD• Analisi termica –TG‐DTA• Analisi chimica –XRF• Analisi spettroscopica –FTIR• Contenuto di metalli pesanti• Rilascio di metalli pesanti

Fasi cristalline presenti:•Quarzo•Caolinite•Illite/Smectite•CalciteAnalisi mineralogica ‐ XRD

Analisi termica – TG/DTGAnalisi termica sedimento Sabetta100989694Massa (%)929088PerditaacquaDTG868482Decomposizioneorganici e argillaDecomposizionecarbonati800 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000temperatura (°C)

Analisi termica – TG/DTGAnalisi termica sedimento Occhito100989694Massa (%)929088PerditaacquaDecomposizioneorganici e argillaDTG868482800 200 400 600 800 1000Temperatura (°C)Decomposizionecarbonati

Analisi chimica ‐ XRFCampione SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO Na 2 O LOISabetta 48.56 13.45 9.46 5.35 0.3 19.11Occhito 46.31 15.17 6.58 9.50 0.3 16.37Il rapporto silice/allumina costituisce un importanteparametro per la fase di mix design.La presenza di altri ossidi, in particolare ossido di calcio,influisce sulla microstruttura e sulle proprietà delmanufatto.

Trattamenti di calcinazioneTemperatureTempi400 °C - 2 h550 °C 1 h 2 h650 °C 1 h 2 h750 °C 1 h 2 h

Analisi FT‐IRSedimento calcinato 750 °CSedimento tal qualeScomparsa dei picchi caratteristici della caolinite (3697 cm -1 e 917 cm -1 ) e deipicchi relativi al carbonato di calcio (1430 cm -1 e 875 cm -1 )

Schema produzione geopolimeriMateriali silico/alluminatici:•Metacaolino•Scorie•Ceneri volanti•Residui argillosi (SEDIMENTI)•…MiscelazioneAttivatori alcalini:•NaOH/KOH•Soluzione di silicato di sodio•Soluzione di silicato di potassio•… + acquaLeganteCuringEGeopolimero

Come dobbiamo classificare i geopolimeri,nuovi materiali o nuovi leganti?I geopolimeri possono essere sia: Nuovi materiali per:• Rivestimenti• Ceramici• Adesivi Nuovi leganti per:• Calcestruzzo• Incapsulamento rifiuti• Malte• Compositi fibro‐rinforzati

Miscele prodotteCampionicilindriciNaOHSilicato disodioSedimenti Loppa Si/Al Na/Al Acqua/solidiSoluzione/solidi1 100 %[5 M]2 33 %[10 M]3 100 %[5 M]4 33 %[10 M]0 % 100 % 0 % 2.7 0.76 0.45 0.6066 % 100 % 0 % 3.0 0.89 0.37 0.640 % 70% 30 % 2,7 0.84 0,45 0.6066 % 70% 30% 3.2 0.84 0.33 0.60Nota: i campioni sono stati stagionati per 3 giorni a 60 °C

SedimentiMateriali utilizzati

Sedimenti macinati e calcinatiMateriali utilizzati

Loppa d’altofornoMateriali utilizzati

Materiali utilizzati: silicato di sodioLavorabilità impastoSoluzione di silicato di sodio(fornita da PROCHIN Italia srl)costo orientativo 0,20 €/kg

Foglio di calcoloMix design

Diagramma ternarioComposizione materie primeAl 2 O 3 + Fe 2 O 3Loppa d’altofornoMetacaolinoBFSFly ash(Class C)Sedimenti calcinatiCeneri di pula di risoCaO+MgOSFSiO 2LS Dent-Glasser and JA Duffy, J Chem Soc, Dalton Trans, 10, 2323, (1987)

Mix designParametri fondamentali• pH• rapporto molare Si/Al• rapporto molare Na/Al• rapporto in peso acqua/soliditotali• rapporto in pesosoluzione/materiali precursori• temperatura di curing• tempo di curingdissoluzione precursoristruttura geopolimero (valori ottimali 1‐ 3)bilanciamento cariche (valore ideale 1)lavorabilità, proprietà meccanicheproprietà meccaniche

Schema di processoIdrossido disodioAcquaSoluzione disilicato di sodioSedimentiCalcinazioneStampoCuring

ProduzioneFasi di miscelazioneAggiunta della soluzioneattivante alcalina ai materialiprecursori

Campioni prodottiCampioni cilindrici (h = 5 cm)prodotti con sedimenticalcinati e soluzione NaOH 5M

Campioni prodottiCampioni cilindrici (h = 5 cm)prodotti con sedimenticalcinati e miscela alcalinaNaOH 10M + silicato di sodio

Campioni prodottiCampioni cilindrici (h = 5 cm)prodotti con sedimenticalcinati e loppa con soluzioneNaOH 5M

Campioni prodottiCampioni cilindrici (h = 5 cm)prodotti con sedimenticalcinati e loppa con miscelaalcalina NaOH 5M + silicato disodio

RISULTATI PROVE A COMPRESSIONE4540R (Mpa)3530252015I risultati riportatisono la media ditre misure perciascun provinocilindrico1050NaOH +sedimenti +ceneri (50%)NaOH +sedimentiNaOH + sodiosilicato +sedimentiNaOH +sedimenti +loppaNaOH + sodiosilicato +sedimenti +loppaTutti i campionitestati sono statisottoposti a“curing” a 60°C per3giorni

Granulazione: schema di processoLoppaIdrossido disodioAcquaSoluzione disilicato di sodioSedimentiCalcinazioneCuring 60° CGranuli

Preparazione aggregati artificiali: granulazioneDipartimento per le TecnologieUniParthenope

Granuli prodotti

CONCLUSIONIIl riutilizzo dei sedimenti lacuali recuperati comeprecursori di materiali geopolimerici permetterebbe diraggiungere molteplici scopi quali:- Il recupero di capacità idrica;- La destinazione dei sedimenti lacuali a utilizziproduttivi ed economici;- L’ammortizzamento dei costi di recupero deisedimenti.

SVILUPPI FUTURI Allargamento del campo d’analisi a più bacini dell’ItaliaMeridionale (Campania, Puglia e Basilicata) Ottimizzazione:• rapporti molari• rapporti liquido/solidi totali• parametri granulazione: velocità, inclinazione piatto• temperatura e tempo di curing Selezione:• scorie e ceneri allumino‐silicatiche• materiali precursori della policondensazione

SVILUPPI FUTURIIndagini merceologiche:• Aggregati artificiali• Manufatti non strutturali: arredi urbaniEcosostenibilità:• valutazione del ciclo di vita (LCA‐Life CycleAssessment)• marcatura e certificazione

Grazie della corteseattenzioneclaudio.ferone@uniparthenope.it