Μελέτη αξιοποίησης παραπροϊόντων βιομηχανικής δραστηριότητας για την παραγωγή γεωπολυμερικών υλικών
| datacite.contributor.Supervisor | Αγγελόπουλος, Γεώργιος | |
| dc.contributor.author | Κάρνος, Ελευθέριος | |
| dc.contributor.other | Karnos, Eleftherios | |
| dc.date.accessioned | 2025-07-22T08:15:52Z | |
| dc.date.available | 2025-07-22T08:15:52Z | |
| dc.date.issued | 2024-03-05 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Σήμερα, δύο από τα μεγάλα προβλήματα που πλήττουν τον πλανήτη είναι η εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου από τη βιομηχανική δραστηριότητα και η συσσώρευση αναξιοποίητων βιομηχανικών παραπροϊόντων. Πιο συγκεκριμένα η παγκόσμια παραγωγή αερίων του θερμοκηπίου το 2021 ήταν 6.9 t ανά άτομο. Παράλληλα, η παραγωγή καταλοίπου βωξίτη (BR), τέφρας φλοιού ρυζιού (RHA) και κεραμάλευρου (CW) ήταν 130.68 Mt ανά έτος (2022), 70 Mt ανά έτος (2022) και 22 Gt ανά έτος αντίστοιχα. Ο μεγάλος όγκος παραπροϊόντων αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για την αξιοποίηση πιθανώς αρώσιμης γης, τόσο λόγω όγκου (υποβάθμιση εδάφους), όσο και τοξικότητας, αφού μπορεί να περιέχουν τοξικές για το περιβάλλον ουσίες (καταστροφή ωφέλιμης χλωρίδας και πανίδας). Η λύση σε αυτά τα προβλήματα είναι: η εύρεση νέων τεχνολογιών για την μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, η μείωση ζήτησης προϊόντων βιομηχανικής δραστηριότητας, που δεν είναι πρακτικά εφαρμόσιμο σε σχέση με την συνεχή αύξηση του πληθυσμού και η έρευνα για χρήση υλικών νέου τύπου από ανανεώσιμες πρώτες ύλες ή παραπροϊόντα που θα αντικαταστήσουν τα υλικά με μεγάλο ενεργειακό αποτύπωμα στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας. Στο γενικό πλαίσιο επίλυσης αυτών των δύο προβλημάτων, στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η σύνθεση γεωπολυμερικών υλικών με τη χρήση παραπροϊόντων ως φιλικότερα προς το περιβάλλον υλικά με παραπλήσιες ιδιότητες με τα χρησιμοποιούμενα ως τώρα υλικά. Τα γεωπολυμερή παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές και χημικές ιδιότητες, γεγονός που οδηγεί στην αξιοποίηση τους σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς ανάμεσα στους οποίους και ο κατασκευαστικός. Στόχος της συγκεκριμένης έρευνας ήταν η δημιουργία γεωπολυμερών με ιδιότητες συγκρίσιμες και ανταγωνιστικές προς αυτές που διαθέτουν τα χρησιμοποιούμενα μέχρι σήμερα δομικά υλικά. Επίσης, το κόστος παραγωγής τους θα μπορούσε να είναι ακόμα χαμηλότερο λόγω της χρήσης παραπροϊόντων από άλλες βιομηχανικές δραστηριότητες. Με βάση τα δύο αυτά χαρακτηριστικά, σχεδιάστηκαν και εκτελέστηκαν πειράματα σύνθεσης γεωπολυμερών από συνδυασμούς παραπροϊόντων. Η βασική μέθοδος ήταν η αλκαλική ενεργοποίηση μιγμάτων στερεών παραπροϊόντων με σημαντική περιεκτικότητα σε οξείδιο του πυριτίου και αργιλίου. Ως δυνητικές Α΄ ύλες μελετήθηκαν: α) το κατάλοιπο βωξίτη (BR), παραπροϊόν επεξεργασίας βωξίτη (Αλουμίνιον της Ελλάδος), β) η Τέφρα Φλοιού Ρυζιού (RHA), παραπροϊόν επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων μετά από στάδιο θερμικής κατεργασίας (Agrino, ΕΥ.ΓΕ. ΑΒΕΕ) και γ) το κεραμάλευρο (CW), παραπροϊόν παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών (Κεραμοτουβλοποιία Παναγιωτόπουλος ΑΒΕΕ). Οι συνθέσεις ανόργανων γεωπολυμερών που μελετήθηκαν ήταν μίγματα με εκατοστιαία κατά βάρος αναλογία από 0 - 100 % κ.β. (100:0, 75:25, 50:50, 25:75 και 0:100), των εξής: κατάλοιπου βωξίτη με τέφρα φλοιού ρυζιού, BR/RHA, και κεραμάλευρου με τέφρα φλοιού ρυζιού, CW/RHA. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία ωρίμανσης 20 ℃ ή 68 ℃ ή 100 ℃. Επιπλέον, η μελέτη των συνθέσεων διαφοροποιούνταν ως προς τις παραμέτρους λόγου στερεού προς υγρό με τιμές λόγων S/L = 1.00 – 4.00, λόγου Si/Al και συγκέντρωσης διαλύματος ενεργοποίησης NaOH με τιμές συγκέντρωσης 4-15 Μ. Oι πρώτες δοκιμές για τις συνθέσεις BR-RHA και CW-RHA πραγματοποιήθηκαν για όλες τις αναλογίες με μικρές ποσότητες πρώτων υλών. Oι πάστες τοποθετήθηκαν σε μικρά καλούπια που αποτελούνταν είτε από πλαστικά καπάκια μεγάλων φιαλών, είτε από παγοκύστες. Όσες συνθέσεις εμφάνισαν επιτυχή πήξη και επιτυχή αφαίρεση από τις μήτρες παρήχθησαν σε μεγαλύτερης κλίμακας δοκίμια, διαστάσεων 2 x 2 x 8 cm3. Τα μεγάλης κλίμακας δοκίμια υποβλήθηκαν σε χαρακτηρισμό των μηχανικών τους ιδιοτήτων, με δοκιμές κάμψης 3 σημείων και με δοκιμές αντοχής σε θλίψη με ρυθμό φόρτισης 2 mm/min και 8 mm/min. Τα θραύσματα που προέκυψαν μετά τις δοκιμές μηχανικών ιδιοτήτων, μελετήθηκαν με δύο τρόπους: α) μέρος τους αλέστηκε για χαρακτηρισμό φάσεων με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ και β) τα συμπαγή κομμάτια χρησιμοποιήθηκαν για έλεγχο της συμπεριφοράς των δοκιμίων σε επαφή με νερό. Τα συμπεράσματα ήταν ότι μόνο η σύνθεση BR-RHA μπόρεσε να δημιουργήσει γεωπολυμερή με επιθυμητές αντοχές. Πιο συγκεκριμένα η σύνθεση 50% BR – 50% RHA, με διάλυμα ενεργοποίησης 10.00 Μ NaOH, S/L= 2.00 οδήγησε σε δοκίμια με αντοχή σε θλίψη άνω των 32.5 MPa τιμή συγκρίσιμη με το τσιμέντο κατηγορίας CEM 32.5N. Ομοίως και η σύνθεση 25% BR – 75% RHA με διάλυμα ενεργοποίησης 14.18 Μ NaOH και S/L= 1.42 παρήγαγε δοκίμια με αντοχή σε θλίψη με ρυθμό φόρτισης στα 2 mm/min στα 46.4 MPa, τιμή συγκρίσιμη με τσιμέντο κατηγορίας CEM 42.5N και δοκίμια με αντοχή σε θλίψη με ρυθμό 8 mm/min, η οποία ήταν σταθερή στα 74.8 MPa, συγκρίσιμη με τσιμέντο κατηγορίας CEM 52.5N. Επομένως, το κύριο συμπέρασμα είναι ότι τα βιομηχανικά παραπροϊόντα,· κατάλοιπο βωξίτη και τέφρα φλοιού ρυζιού, μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτες ύλες για σύνθεση γεωπολυμερών με πληθώρα εφαρμογών. Σε αντίθεση οι μελετηθείσες συνθέσεις με κεραμάλευρο δεν έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα. | |
| dc.description.translatedabstract | Today, two of the major problems affecting the planet are the emission of greenhouse gases from the industrial activity and the accumulation of unused industrial by-products. More specifically, the global production of greenhouse gases in 2021 was 6.9 t per capita. Meanwhile, the production of bauxite residue (BR), rice husk ash (RHA) and ceramic waste (CW) was 130.68 Mt per year (2022), 70 Mt per year (2022) and 22 Gt per year, respectively. The large volume of by-products is an inhibiting factor for the utilization of potentially arable land, both due to volume (soil degradation) and toxicity, since they may contain environmentally toxic substances (destruction of beneficial flora and fauna). The solution to these problems is: finding new technologies to reduce greenhouse gas emissions, reducing the demand for products of industrial activity, which is not practically applicable in relation to the continuous increase in population, and research for the use of new types of materials from renewable raw materials or by-products that will replace materials with a large energy footprint in the context of the circular economy. In the general context of solving these two problems, in this thesis the composition of geopolymers was studied using industrial by-products as more environmentally friendly materials with similar properties to the materials used so far. Geopolymers show excellent mechanical and chemical properties, which leads to their utilization in many industrial sectors, including construction. The aim of this specific research was to create geopolymers with comparable and competitive properties to those of the building materials used to date. Also, their production cost could be even lower due to the use of byproducts from other industrial activities. Based on these two characteristics, experiments were designed and performed to synthesize geopolymers from combinations of byproducts. The basic method was the alkaline activation of solid by-product mixtures with significant silica and aluminum oxide content. The following were studied as potential raw materials: a) Bauxite Residue (BR), a byproduct of bauxite processing (Aluminum of Greece), b) Rice Husk Ash (RHA), a byproduct of the processing of agricultural products after a heat treatment stage (Agrino, ΕΤ.Ε. ΑΒΕΕ) and c) Ceramic Waste (CW), a byproduct of the production of ceramic building materials (Panagiotopoulos Brick and Rooftiles Refractory). The studied inorganic geopolymer compositions were mixtures with a percentage by weight ratio of 0 - 100 wt. %. (100:0, 75:25, 50:50, 25:75 and 0:100), of the following : bauxite residue with rice husk ash, BR/RHA and ceramic waste with rice husk ash, CW/RHA. The experiments were conducted at a curing temperature of 20 ℃ or 68 ℃ or 100 ℃. In addition, the study of the mixtures varied in terms of solid to liquid ratio with values of ratios S/L= 1.00 – 4.00, Si/Al ratio and concentration of NaOH activation solution with concentration values of 4-15 M. The first tests for the BR-RHA and CW-RHA mixtures were performed for all ratios with small amounts of raw materials. The pastes were placed in small molds consisting of either plastic caps of large bottles or ice packs. Those compositions that showed successful coagulation and successful removal from the matrices were produced in larger-scale test pieces, measuring 2 x 2 x 8 cm3. The large-scale specimens were subjected to characterization of their mechanical properties, with 3-point bending tests and with compressive strength tests at loading rates of 2 mm/min and 8 mm/min. T The fragments obtained after the mechanical properties tests were studied in two ways: part of them was ground for phase characterization by X-ray diffractometry and the solid pieces were used to check the behavior of the samples in contact with water. The conclusions were that only the BR-RHA formulation was able to create geopolymers with desirable strengths. More specifically, the composition of 50% BR – 50% RHA, with an activation solution of 10.00 M NaOH, S/L= 2.00 led to specimens with a compressive strength of more than 32.5 MPa, a value comparable to the CEM 32.5N class cement. Similarly, the 25% BR – 75% RHA composition with 14.18 M NaOH activation solution and S/L= 1.42 produced specimens with compressive strength at a loading rate of 2 mm/min at 46.4 MPa, a value comparable to CEM 42.5N class cement and specimens with compressive strength at a rate of 8 mm/min, which was constant at 74.8 MPa, comparable to CEM 52.5N class cement. Therefore, the main conclusion is that the industrial by-products, bauxite residue and rice husk ash, can be utilized as raw materials for the synthesis of geopolymers with a multitude of applications. In contrast, the studied compositions with ceramic flour did not give satisfactory results. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/30187 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Γεωπολυμερισμός | |
| dc.subject | Σύνθετα υλικά | |
| dc.subject | Αλκαλικώς ενεργοποιούμενα υλικά | |
| dc.subject | Παραπροϊόντα βιομηχανίας | |
| dc.subject | Κυκλική οικονομία | |
| dc.subject.alternative | Geopolymerism | |
| dc.subject.alternative | Composite materials | |
| dc.subject.alternative | Alkali-activated materials | |
| dc.subject.alternative | Industrial by-products | |
| dc.subject.alternative | Circular economy | |
| dc.title | Μελέτη αξιοποίησης παραπροϊόντων βιομηχανικής δραστηριότητας για την παραγωγή γεωπολυμερικών υλικών | |
| dc.title.alternative | Study on the utilization of industrial activity by-products for the production of geopolymer materials |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- Κάρνος 2024 - Μελέτη αξιοποίησης παραπροϊόντων βιομηχανικής δραστηριότητας για την παραγωγή γεωπολυμερικών υλικών.pdf
- Size:
- 3.7 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
License bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- license.txt
- Size:
- 5.02 KB
- Format:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Description: