University of Oulu

Synthesis and alkali activation of Magnesium-rich aluminosilicates

Saved in:
Author: Nellattukuzhi Sreenivasan, Harisankar1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230597
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-10-01
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 8 October 2021, at 12 noon
Tutor: Associate Professor Päivö Kinnunen
Reviewer: Assistant Professor Erika La Plante
Associate Professor Jørgen Skibsted
Opponent: Associate Professor Isabella Lancelloti
Description:

Abstract

Alkali-activated materials (AAMs) are alternative cementitious materials with lower carbon footprints compared to traditional Portland cement (PC). In addition to Ca, Si, and Al, the precursors used in the preparation of AAMs can sometimes include considerable amounts of Mg, so that Mg significantly influences the structure and properties of AAMs. When compared to Ca, Si, and Al, relatively few studies have focused on the role of Mg in AAMs. This thesis deals with alkali activation of Mg-rich aluminosilicate precursors with the following objectives: 1) preparation, characterization, and estimation of alkaline reactivity of Na-Mg aluminosilicate glasses; 2) synthesis of AAMs from Na-Mg aluminosilicate glasses and their detailed characterization to understand the fate of Mg; and 3) estimation of the potential of phlogopite as a Mg-rich raw material for alkali activation.

The structural study of Na-Mg aluminosilicate glasses indicates that the higher cationic field strength (CFS) of Mg than Na makes Mg preferable as a network modifier, whereas Na acts as a charge compensator. Alkaline reactivity studies of Na-Mg aluminosilicate glasses reveal that as Mg replaces Na in glasses, the reactivity of the glasses increases initially, attains a maximum, and then drops. This trend can be explained by the interplay between glass depolymerization and optical basicity: depolymerization dictates the glass reactivity initially, while the effect of optical basicity dominates at later stages. Detailed structural study of AAMs prepared from Na-Mg aluminosilicate glasses indicates that Mg in AAMs exists as an amorphous magnesium silicate (AMS) phase, but the existence of this phase is not well documented in the literature. The driving force for AMS formation is the high CFS of Mg, which leads to effective stabilization of the depolymerized silicate species. The absence of hydrotalcite-group phases from these AAMs is due to the depletion of Al by zeolite production. The assessment of phlogopite mineral as a Mg-rich precursor for alkali activation indicates that untreated phlogopite is highly inert. However, thermal treatment could enhance the alkaline reactivity of phlogopite.

see all

Tiivistelmä

Alkali -aktivoidut materiaalit (AAM) ovat vaihtoehtoisia sementtimateriaaleja, joilla on pienempi hiilijalanjälki verrattuna perinteiseen portland -sementtiin (PC). Ca: n, Si: n ja Al: n lisäksi esiasteissa (joita käytetään AAM: ien valmistukseen) voi joskus olla huomattava määrä Mg: tä, ja tämä johtaa siihen, että Mg vaikuttaa merkittävästi AAM: ien rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Verrattuna Ca, Si ja Al, on ollut suhteellisen vähän tutkimuksia, joissa keskitytään Mg: n rooliin AAM: issä. Tämä opinnäytetyö käsittelee Mg-rikkaiden alumiinisilikaattiesiasteiden alkaliaktivaatiota seuraavilla tavoitteilla: 1) Na-Mg-alumiinisilikaattilasien alkalisen reaktiivisuuden valmistelu, karakterisointi ja arviointi; 2) synteesi AAM: istä Na-Mg-alumiinisilikaattilasista ja niiden yksityiskohtainen karakterisointi Mg: n kohtalon ymmärtämiseksi; 3) Flogopiitin potentiaalin arviointi Mg-rikkaana raaka-aineena alkalin aktivoimiseksi.

Na-Mg-alumiinisilikaattilasien rakennetutkimus osoittaa, että Mg: n korkeamman kationisen kentänvoimakkuuden (CFS) takia Na: n vuoksi Mg on edullinen verkon muokkaajana, kun taas Na toimii varauksen kompensoijana. Na-Mg-alumiinisilikaattilasien alkaliset reaktiivisuustutkimukset paljastavat, että kun Mg korvaa Na: n lasissa, lasien reaktiivisuus kasvaa aluksi ja saavuttaa maksimin, minkä jälkeen se laskee. Tämä suuntaus voidaan selittää lasin depolymeroinnin ja optisen emäksisyyden välisellä vuorovaikutuksella: depolymerointi sanelee aluksi lasin reaktiivisuuden, kun taas optisen emäksisyyden vaikutus hallitsee myöhemmässä vaiheessa. Yksityiskohtainen rakenteellinen tutkimus AAM: ista, jotka on valmistettu Na-Mg-alumiinisilikaattilasista, osoittaa, että Mg AAM-yhdisteissä esiintyy amorfisena magnesiumsilikaatti (AMS) -faasina, jonka olemassaoloa ei ole hyvin dokumentoitu kirjallisuudessa. AMS: n muodostumisen liikkeellepaneva voima on Mg: n korkea CFS, mikä johtaa depolymeroitujen silikaattilajien tehokkaaseen vakautumiseen. Hydrotaltsiittiryhmän faasien puuttuminen näistä AAM: ista on havaittu johtuvan Al: n ehtymisestä zeoliittituotannolla. Flogopiittimineraalin arviointi Mg-rikkaana esiasteena alkalin aktivoitumiselle osoittaa, että käsittelemätön flogopiitti on erittäin inertti. Lämpökäsittely voi kuitenkin parantaa flogopiitin emäksistä reaktiivisuutta.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Sreenivasan, H., Kinnunen, P., Adesanya, E., Patanen, M., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., Huttula, M., Cao, W., Provis, J. L., & Illikainen, M. (2020). Field Strength of Network-Modifying Cation Dictates the Structure of (Na-Mg) Aluminosilicate Glasses. Frontiers in Materials, 7. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00267

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Sreenivasan, H., Cao, W., Hu, Y., Xiao, Q., Shakouri, M., Huttula, M., Provis, J. L., Illikainen, M., & Kinnunen, P. (2020). Towards designing reactive glasses for alkali activation: Understanding the origins of alkaline reactivity of Na-Mg aluminosilicate glasses. PLOS ONE, 15(12), e0244621. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244621

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Sreenivasan, H., Adesanya, E., Niu, H., Perumal, P., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., Huttula, M., Cao, W., Provis, J. L., Illikainen, M., & Kinnunen, P. (2021). Evidence of formation of an amorphous magnesium silicate (AMS) phase during alkali activation of (Na-Mg) aluminosilicate glasses. Cement and Concrete Research, 145, 106464. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106464

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Sreenivasan, H., Kinnunen, P., Heikkinen, E.-P., & Illikainen, M. (2017). Thermally treated phlogopite as magnesium-rich precursor for alkali activation purpose. Minerals Engineering, 113, 47–54. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2017.08.003

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3059-7
ISBN Print: 978-952-62-3058-0
Issue: 802
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 116 Chemical sciences
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.