Valorization of mining wastes in alkali-activated materials |
|
Author: | Niu, He1,2 |
Organizations: |
1University of Oulu Graduate School 2University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering, Fibre and Particle Engineering (FPE) |
Format: | ebook |
Version: | published version |
Access: | open |
Online Access: | PDF Full Text (PDF, 3.3 MB) |
Persistent link: | http://urn.fi/urn:isbn:9789526233444 |
Language: | English |
Published: |
Oulu : University of Oulu,
2022
|
Publish Date: | 2022-08-12 |
Thesis type: | Doctoral Dissertation |
Defence Note: | Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 19 August 2022, at 12 noon |
Tutor: |
Professor Mirja Illikainen Associate Professor Päivö Kinnunen |
Reviewer: |
Professor Lianyang Zhang Professor João A. Labrincha |
Opponent: |
Professor Kostas Komnitsas |
Description: |
AbstractThe mining industry can generate wastes from excavation and mineral processing, namely waste rock, and mine tailings, which poses potential environmental ricks worldwide. The European Union mining industries have discarded their waste residues for more than 100 years. It is estimated that almost 65% of the waste produced in the EU is mineral waste. Large amounts of waste rock and tailings are stored in stockpiles and tailing impoundments without further exploration. Small portions of these wastes are utilized as fillers or backfills with cement pastes. The challenge lies in how to valorize those underutilized side streams, turning mining waste issues into a secondary raw materials opportunity. Alkali-activated materials are alternative cementitious materials with a lower carbon footprint than traditional Portland cement. The typical raw precursor, calcined kaolin (metakaolin), is rich in aluminosilicates, generating a three-dimensional framework under alkali conditions. Mining wastes, that contain aluminosilicate minerals are potential precursors for alkali activation. In contrast to calcined kaolin, mining wastes containing aluminosilicate-bearing minerals can be chemically inert and cannot be directly used as precursors. This requires enhanced chemical reactivity or mixing with other reactive raw materials. The aim of this work was to investigate the potential of using mining wastes as secondary raw materials for alkali activation and valorizing waste rock and mine tailings in alkali-activated materials. It focuses on enhancing the chemical reactivity of mining wastes via a potentially greener approach (mechanochemical activation) compared to the calcination. Mechanochemical activation was implemented on both mine tailings and waste rock. Further, mine tailings are incorporated with metakaolin and blast furnace slag to produce alkali-activated tailing co-binders. The role of tailings in final alkali-activated materials was also investigated using diverse characterization methods. The phlogopite and carbonate-bear phosphate mine tailings and muscovite-bearing sulfidic waste rock were subjected to mechanochemical activation, and they generated amorphous phases, which yielded a higher alkaline dissolution. The sole mine tailings or waste rock-based alkali-activated materials were successfully synthesized. Incorporation of mine tailings in alkali-activated co-binders, such as metakaolin and blast furnace slag, can significantly affect the hydration process, alkali activation, and physical performance. The role of tailings in alkali-activated materials is complicated, especially after mechanochemical activation. The amorphous part of phosphate mine tailings participates in alkali activation, forming C-(N)-A-S-H and other zeolites. Although sulfidic mine tailings contain only crystalline substances, they considerably alter the hydration and porosity of the final products. see all
TiivistelmäKaivosteollisuuden louhinta- ja mineraalinkäsittelyprosessit tuottavat valtavia määriä jätettä, pääasiassa sivukiveä ja rikastushiekkaa. Euroopan unionin kaivosteollisuus on tuottanut näitä jätteitä jo yli 100 vuoden ajan, ja EU:ssa tuotetusta jätteestä lähes 65 %:n on arvioitu olevan mineraalijätettä. Sivukivet ja rikastushiekka varastoidaan pääasiassa läjittämällä ne rikastushiekka-altaisiin, ja vain pieni osa jätteistä hyödynnetään esimerkiksi täyteaineena sementtipastassa. Nämä alihyödynnetyt sivuvirrat voisivat kuitenkin toimia uusioraaka-aineena neitseellisten luonnonvarojen sijaan, mikä vähentäisi läjitykseen päätyvän jätteen määrää. Alkaliaktivoidut materiaalit ovat vaihtoehtoisia sementtimäisiä materiaaleja, joilla on perinteistä portlandsementtiä pienempi hiilijalanjälki. Tyypillinen lähtöaine on kalsinoitu kaoliini (metakaoliini), joka sisältää runsaasti alumiinisilikaatteja, jotka reagoivat alkalisissa olosuhteissa lujittuvaksi materiaaliksi. Alumiinisilikaattimineraaleja sisältävät kaivosjätteet ovat potentiaalisia raaka-aineita alkaliaktivointiin. Toisin kuin kalsinoitu kaoliini, alumiinisilikaattia sisältävät kaivosjätteet ovat tyypillisesti kemiallisesti inerttejä, eikä niiden käyttö suoraan alkaliaktivoitujen materiaalien lähtöaineena ole mahdollista. Sen sijaan ne vaativat kemiallisen reaktiivisuuden parantamista tai sekoittamista muiden reaktiivisten raaka-aineiden kanssa. Tämän työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia hyödyntää kaivosjätettä alkaliaktivoinnin lähtöaineena sekä kaivosjätteen hyödyntämistä alkaliaktivoiduissa materiaaleissa. Työ keskittyy kaivosjätteiden kemiallisen reaktiivisuuden parantamiseen mekanokemiallisella aktivoinnilla. Mekanokemiallista aktivointia sovellettiin sekä kaivoksen rikastusjätteeseen että sivukiveen. Lisäksi kaivoksen rikastushiekkaan yhdistettiin metakaoliinia ja masuunikuonaa, ja seoksesta valmistettiin alkaliaktivoituja materiaaleja. Rikastushiekan roolia lopullisissa alkaliaktivoiduissa materiaaleissa tutkittiin erilaisilla karakterisointimenetelmillä. Flogopiittia ja karbonaatteja sisältävää fosfaattirikastushiekkaa sekä muskoviittia sisältävää sulfidista sivukiveä aktivoitiin mekanokemiallisesti. Näin muodostui amorfista faasia, joka on lähtöainetta reaktiivisempi alkalisissa olosuhteissa. Käsitellyistä rikastushiekasta ja sivukivestä valmistettiin onnistuneesti alkaliaktivoituja materiaaleja. Kaivosjätteiden yhdistäminen muiden lähtöaineiden, kuten metakaoliinin ja masuunikuonan, paransi alkali aktivoidun materiaalin ominaisuuksia. Rikastushiekan rooli alkaliaktivoiduissa materiaaleissa on monimutkainen erityisesti mekanokemiallisen aktivoinnin jälkeen. Fosfaattisen rikastushiekan amorfinen osa voi osallistua alkaliaktivointiint muodostaen C-(N)-A-S-H:ta ja zeoliittirakenteita. Vaikka sulfidiset rikastusjätteet sisältävät vain kiteistä ainetta, myös se vaikuttaa alkaliaktivointireaktioihin ja lopputuotteen ominaisuuksiin. see all
Osajulkaisut / Original papersOsajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.
see all
|
Series: |
Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica |
ISSN: | 0355-3213 |
ISSN-E: | 1796-2226 |
ISSN-L: | 0355-3213 |
ISBN: | 978-952-62-3344-4 |
ISBN Print: | 978-952-62-3343-7 |
Issue: | 832 |
Type of Publication: |
G5 Doctoral dissertation (articles) |
Field of Science: |
216 Materials engineering |
Subjects: | |
Funding: |
The work is funded by the European Union’s H2020 Marie Skłodowska-Curie Actions Initial Training Network-SULTAN Grant Agreement No. 812580, and “Novel synthesis methods for porous ceramics from mine tailings” under Academy of Finland (No. 292526). |
EU Grant Number: |
(812580) SULTAN - European Training Network for the remediation and reprocessing of sulfidic mining waste sites |
Academy of Finland Grant Number: |
292526 |
Detailed Information: |
292526 (Academy of Finland Funding decision) |
Copyright information: |
© University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. |