Turning Hazardous Waste into Low-Carbon Cement

18/11/24-FR-English-NL-footer

Transformation des déchets dangereux en ciment à faible teneur en carbone

Image- Green and Smart Mining Engineering

L’urbanisation rapide de la Chine a entraîné une croissance tout aussi rapide de la production de déchets. Au cœur de ce défi se trouve le secteur de l’incinération des déchets en pleine expansion, où environ 90 % des installations utilisent des fours à grille mécanique pour traiter les déchets solides municipaux.

Cependant, ce processus crée un sous-produit problématique : les cendres volantes d’incinération des déchets solides municipaux (CDMSM), qui contiennent des matières dangereuses comme des sels de chlore, des dioxines et des métaux lourds. Le volume de CDMSM devrait grimper en flèche pour atteindre 10 millions de tonnes par an d’ici 2025, soit environ 10 % de la production de déchets dangereux de la Chine. Pour répondre à cette préoccupation environnementale croissante, il faut des solutions innovantes.

Dans une étude révolutionnaire publiée dans Green and Smart Mining Engineering, des chercheurs proposent une méthode qui transforme les CDMSM en un matériau cimentaire stabilisé à faible teneur en carbone en le combinant avec du laitier de haut fourneau (BFS) et du gypse de désulfuration (DFG). Cette approche prometteuse offre non seulement une alternative durable au ciment conventionnel, mais aussi une méthode plus sûre d’élimination des déchets dangereux.

Comme le souligne le chercheur principal Siqi Zhang : « Cette approche offre non seulement une solution durable pour l’élimination des déchets dangereux, mais offre également une alternative viable au ciment traditionnel dans diverses applications industrielles. »

Les cendres volantes d’incinération des déchets solides municipaux sont classées HW18 sur la liste des déchets dangereux de la Chine en raison de leur concentration en polluants, notamment en métaux lourds comme le plomb et le chrome, ainsi qu’en dioxines toxiques. Ces polluants rendent leur élimination difficile, car ils présentent de graves risques pour la santé humaine et l’environnement s’ils sont mal manipulés. Les méthodes traditionnelles d’élimination des FA des incinérateurs de déchets solides municipaux impliquent l’encapsulation ou la mise en décharge, mais elles sont coûteuses et n’offrent aucun avantage économique ou environnemental.

Grâce à la recherche innovante qui permet de trouver de nouvelles solutions, les FA des incinérateurs de déchets solides municipaux peuvent désormais être transformés en un matériau stabilisé qui retient ces éléments dangereux, ce qui les rend beaucoup moins susceptibles de s’infiltrer dans l’environnement. Ce matériau composite, créé en mélangeant des MSWI FA avec du BFS et du DFG, change la donne pour le secteur de la construction, offrant à la fois des avantages économiques et à faible émission de carbone.
Le mélange : un puissant trio de déchets, de substitut de ciment et de stabilisateur

La combinaison de MSWI FA avec du BFS et du DFG crée un matériau composite qui est non seulement à faible émission de carbone, mais également économiquement viable. Le BFS, un sous-produit de la production de fer, est depuis longtemps reconnu comme un précieux substitut du ciment en raison de son faible coût, de sa durabilité et de sa résistance. Lorsqu'il est mélangé avec du MSWI FA et du DFG, un sous-produit riche en sulfate de la désulfuration des gaz de combustion, le composite obtenu forme une matrice cimentaire qui répond aux normes de sécurité environnementale.

Ce mélange innovant fonctionne en immobilisant les métaux lourds nocifs comme le plomb, le zinc et le chrome dans la structure composite. Comme l'explique Zhang : « Cette recherche ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation des déchets dangereux d'une manière à la fois respectueuse de l'environnement et économiquement viable. En utilisant des méthodes d’analyse microscopique avancées, nous avons découvert que les métaux lourds peuvent être efficacement immobilisés, formant des composés stables qui réduisent considérablement la lixiviation de ces toxines. »

L’un des aspects les plus convaincants de cette étude est l’efficacité élevée de fixation obtenue pour les métaux lourds, avec des résultats montrant un taux d’immobilisation remarquable de 99,8 % pour le plomb et l’arsenic. Ce processus de fixation, principalement réalisé à l’aide de liants à base de sulfate, surpasse considérablement les approches traditionnelles, offrant une méthode plus sûre et plus efficace pour la stabilisation des éléments dangereux.

À l’aide de techniques sophistiquées comme l’analyse de la structure fine par absorption des rayons X (XAFS), les chercheurs ont observé les interactions atomiques au sein du composite BFS-MSWI FA-DFG, obtenant ainsi des informations sur les longueurs de liaison et l’évolution microstructurelle. Ce processus a révélé que la structure vitreuse du BFS se désintègre et se réassemble en structures cristallines compactes capables de piéger les éléments nocifs.

Ces formations cristallines étroitement liées fournissent un environnement stable qui empêche les toxines de s’infiltrer, rendant le matériau plus sûr pour une utilisation à long terme dans les projets de construction.
Comment le processus d’hydratation améliore la stabilité

L’hydratation joue un rôle essentiel dans le renforcement du matériau composite. Au cours de l’hydratation, les particules vitreuses du BFS se décomposent et se reconfigurent en structures cristallines denses qui renforcent le composite. Cette transformation non seulement augmente la durabilité du matériau, mais améliore également sa capacité à encapsuler les métaux lourds nocifs dans sa matrice.

L'étude met en évidence la manière dont l'hydratation stabilise le matériau, réduisant la mobilité des métaux lourds et d'autres substances dangereuses au sein du composite. À chaque phase d'hydratation, le matériau BFS-MSWI FA-DFG devient plus compact, piégeant efficacement les polluants et minimisant considérablement leur impact environnemental.
Cela pourrait-il changer le ciment pour toujours ?

L'étude suggère que ce mélange innovant de MSWI FA, BFS et DFG pourrait révolutionner l'industrie de la construction en offrant une alternative viable au ciment Portland traditionnel. Bien que des tests supplémentaires soient essentiels, le potentiel d'utilisation à grande échelle de ce matériau composite dans la construction est prometteur.

Le remplacement du ciment traditionnel par cette option écologique pourrait réduire considérablement les émissions de carbone, étant donné que la production de ciment conventionnel est responsable d'environ 8 % des émissions mondiales de CO₂.

Principaux avantages du ciment BFS-MSWI FA-DFG :

Rentable : utilise des sous-produits de déchets, réduisant ainsi la dépendance aux matières premières coûteuses du ciment.
FrançaisRéduction des émissions de carbone : réduit l'empreinte carbone de la production de ciment en utilisant des matériaux alternatifs.
Sécurité environnementale : stabilise et immobilise les métaux lourds dangereux dans la matrice, réduisant ainsi le risque de pollution.
Durable : offre une résistance comparable à celle du ciment traditionnel, ce qui le rend adapté aux applications industrielles.

Cette avancée s'aligne parfaitement sur les principes d'une économie circulaire, où les déchets sont réutilisés au lieu d'être jetés. En intégrant les FA MSWI dans les matériaux cimentaires, cette méthode réduit le besoin de ressources vierges tout en trouvant une utilisation bénéfique pour les déchets dangereux.

Les avantages potentiels s'étendent bien au-delà de la Chine. Partout dans le monde, les gouvernements et les industries recherchent des moyens de réduire les déchets et les émissions de gaz à effet de serre. Alors que les préoccupations climatiques s'intensifient, des solutions comme celle-ci deviennent de plus en plus vitales. Le composite BFS-MSWI FA-DFG répond non seulement à un problème environnemental urgent, mais rapproche également l'industrie de la construction de la neutralité carbone.

Alors que l'industrie de la construction continue de lutter contre l'impact environnemental de la production de ciment, des innovations comme les composites BFS-MSWI FA-DFG pourraient devenir partie intégrante des pratiques de construction durables. En exploitant les déchets, cette recherche offre un aperçu d'un avenir plus durable dans lequel les matériaux de construction contribuent à la santé environnementale plutôt qu'à la nuire.

Cette étude, dirigée par Zhang et son équipe, pourrait bien servir de pierre angulaire à la recherche future et aux applications industrielles, ouvrant la voie à des pratiques de construction plus écologiques et plus durables dans le monde entier.
NJC.© Info Green and Smart Mining Engineering

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18/11/24-English

Turning Hazardous Waste into Low-Carbon Cement

Image- Green and Smart Mining Engineering

China’s rapid urbanisation has spurred an equally rapid growth in waste production. At the heart of this challenge is the country’s expanding waste incineration sector, where approximately 90% of facilities use mechanical grate furnaces to process municipal solid waste.

Yet, this process creates a problematic by-product: municipal solid waste incineration fly ash (MSWI FA), which contains hazardous materials like chlorine salts, dioxins, and heavy metals. The volume of MSWI FA is projected to skyrocket to 10 million tons annually by 2025—equivalent to roughly 10% of China’s hazardous waste production. Addressing this growing environmental concern requires innovative solutions.

In a ground-breaking study published in Green and Smart Mining Engineering, researchers propose a method that transforms MSWI FA into a low-carbon, stabilised cementitious material by combining it with blast furnace slag (BFS) and desulfurization gypsum (DFG). This promising approach not only offers a sustainable alternative to conventional cement but also provides a safer method of hazardous waste disposal.

As lead researcher Siqi Zhang notes: “This approach not only provides a sustainable solution for hazardous waste disposal but also offers a viable alternative to traditional cement in various industrial applications.”

Municipal solid waste incineration fly ash is classified as HW18 on China’s hazardous waste list due to its concentration of pollutants, including heavy metals like lead and chromium, as well as toxic dioxins. These pollutants make disposal a challenge, posing serious risks to both human health and the environment if handled improperly. Traditional methods of disposing of MSWI FA involve encapsulation or landfilling, but these are costly and fail to offer any economic or environmental benefits.

With innovative research driving new solutions, MSWI FA can now be processed into a stabilised material that locks in these hazardous elements, making them far less likely to leach into the environment. This composite material, created by blending MSWI FA with BFS and DFG, stands as a game-changer for the construction industry, offering both cost-effective and low-carbon benefits.
The Blend: A Powerful Trio of Waste, Cement Substitute, and Stabiliser

Combining MSWI FA with BFS and DFG creates a composite material that’s not only low-carbon but also economically viable. BFS, a by-product of iron production, has long been recognised as a valuable cement substitute due to its low cost, durability, and strength. When mixed with MSWI FA and DFG, a sulphate-rich by-product of flue gas desulfurisation, the resulting composite forms a cementitious matrix that meets environmental safety standards.

This innovative mix works by immobilising harmful heavy metals like lead, zinc, and chromium within the composite structure. As Zhang explains: “This research opens up new possibilities for utilising hazardous waste in a way that is both environmentally friendly and economically viable. By using advanced microscopic analysis methods, we found that heavy metals can be effectively immobilised, forming stable compounds that significantly reduce the leaching of these toxins.”

One of the most compelling aspects of this study is the high fixation efficiency achieved for heavy metals, with findings showing a remarkable 99.8% immobilisation rate for lead and arsenic. This fixation process, primarily achieved using sulfate-based binders, significantly outperforms traditional approaches, offering a safer, more effective method for hazardous element stabilisation.

Using sophisticated techniques like X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis, researchers observed the atomic interactions within the BFS-MSWI FA-DFG composite, gaining insights into bond lengths and microstructural evolution. This process revealed that the glassy structure of BFS disintegrates, reassembling into compact crystalline structures capable of trapping harmful elements.

These tightly bound crystalline formations provide a stable environment that prevents toxins from seeping out, making the material safer for long-term use in construction projects.
How the Hydration Process Enhances Stability

Hydration plays a critical role in strengthening the composite material. During hydration, BFS’s glassy particles break down and reconfigure into dense, crystalline structures that fortify the composite. This transformation not only boosts the material’s durability but also enhances its ability to encapsulate harmful heavy metals within its matrix.

The research highlights how hydration stabilises the material, reducing the mobility of heavy metals and other hazardous substances within the composite. With each phase of hydration, the BFS-MSWI FA-DFG material becomes more compact, effectively trapping pollutants and significantly minimising their environmental impact.
Could This Change Cement Forever?

The study suggests that this innovative blend of MSWI FA, BFS, and DFG could revolutionise the construction industry by offering a viable alternative to traditional Portland cement. While further testing is essential, the potential for large-scale use of this composite material in construction is promising.

Replacing traditional cement with this eco-friendly option could dramatically reduce carbon emissions, given that conventional cement production is responsible for around 8% of global CO₂ emissions.

Key Benefits of BFS-MSWI FA-DFG Cement:

Cost-effective: Utilises waste by-products, reducing reliance on costly cement raw materials.
Carbon-reduced: Lowers the carbon footprint of cement production by using alternative materials.
Environmentally safe: Stabilises and immobilises hazardous heavy metals within the matrix, reducing pollution risk.
Durable: Provides comparable strength to traditional cement, making it suitable for industrial applications.

This breakthrough aligns perfectly with the principles of a circular economy, where waste products are repurposed instead of discarded. By integrating MSWI FA into cementitious materials, this method reduces the need for virgin resources while finding a beneficial use for hazardous waste.

The potential benefits extend far beyond China. Around the world, governments and industries are searching for ways to reduce waste and greenhouse gas emissions. As climate concerns intensify, solutions like this are becoming increasingly vital. The BFS-MSWI FA-DFG composite not only addresses a pressing environmental issue but also moves the construction industry one step closer to carbon neutrality.

As the construction industry continues to grapple with the environmental impact of cement production, innovations like BFS-MSWI FA-DFG composites could become integral to sustainable building practices. By harnessing waste materials, this research offers a glimpse into a more sustainable future where construction materials contribute to, rather than detract from, environmental health.

This study, led by Zhang and his team, could well serve as a cornerstone for future research and industrial applications, paving the way for greener, more sustainable construction practices worldwide.
NJC.© Info Green and Smart Mining Engineering

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18/11/24-NL

Gevaarlijk afval omzetten in koolstofarm cement

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De snelle verstedelijking van China heeft geleid tot een even snelle groei van de afvalproductie. De kern van deze uitdaging is de groeiende afvalverbrandingssector van het land, waar ongeveer 90% van de faciliteiten mechanische roosterovens gebruikt om vast gemeentelijk afval te verwerken.

Dit proces creëert echter een problematisch bijproduct: vliegas van de verbranding van vast gemeentelijk afval (MSWI FA), dat gevaarlijke stoffen bevat zoals chloorzouten, dioxines en zware metalen. Het volume van MSWI FA zal naar verwachting tegen 2025 jaarlijks stijgen tot 10 miljoen ton, wat overeenkomt met ongeveer 10% van de productie van gevaarlijk afval in China. Om deze groeiende bezorgdheid over het milieu aan te pakken, zijn innovatieve oplossingen nodig.

In een baanbrekende studie gepubliceerd in Green and Smart Mining Engineering stellen onderzoekers een methode voor die MSWI FA omzet in een koolstofarm, gestabiliseerd cementmateriaal door het te combineren met hoogovenslak (BFS) en ontzwavelingsgips (DFG). Deze veelbelovende aanpak biedt niet alleen een duurzaam alternatief voor conventioneel cement, maar ook een veiligere methode voor de verwijdering van gevaarlijk afval.

Zoals hoofdonderzoeker Siqi Zhang opmerkt: "Deze aanpak biedt niet alleen een duurzame oplossing voor de verwijdering van gevaarlijk afval, maar biedt ook een levensvatbaar alternatief voor traditioneel cement in verschillende industriële toepassingen."

Vliegas van verbrandingsafval van vast gemeentelijk afval is geclassificeerd als HW18 op de lijst van gevaarlijk afval van China vanwege de concentratie van verontreinigende stoffen, waaronder zware metalen zoals lood en chroom, evenals giftige dioxinen. Deze verontreinigende stoffen maken de verwijdering een uitdaging en vormen ernstige risico's voor zowel de menselijke gezondheid als het milieu als ze niet op de juiste manier worden behandeld. Traditionele methoden voor de verwijdering van MSWI FA omvatten inkapseling of storten, maar deze zijn kostbaar en bieden geen economische of ecologische voordelen.

Met innovatief onderzoek dat nieuwe oplossingen aanstuurt, kan MSWI FA nu worden verwerkt tot een gestabiliseerd materiaal dat deze gevaarlijke elementen vasthoudt, waardoor de kans veel kleiner is dat ze in het milieu terechtkomen. Dit composietmateriaal, gecreëerd door het mengen van MSWI FA met BFS en DFG, is een game-changer voor de bouwsector en biedt zowel kosteneffectieve als koolstofarme voordelen.
De mix: een krachtig trio van afval, cementvervanger en stabilisator

Door MSWI FA te combineren met BFS en DFG ontstaat een composietmateriaal dat niet alleen koolstofarm is, maar ook economisch rendabel. BFS, een bijproduct van ijzerproductie, wordt al lang erkend als een waardevol cementvervanger vanwege de lage kosten, duurzaamheid en sterkte. Wanneer gemengd met MSWI FA en DFG, een sulfaatrijk bijproduct van rookgasontzwaveling, vormt het resulterende composiet een cementmatrix die voldoet aan de milieuveiligheidsnormen.

Deze innovatieve mix werkt door schadelijke zware metalen zoals lood, zink en chroom te immobiliseren in de composietstructuur. Zoals Zhang uitlegt: "Dit onderzoek opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruiken van gevaarlijk afval op een manier die zowel milieuvriendelijk als economisch rendabel is. Door geavanceerde microscopische analysemethoden te gebruiken, ontdekten we dat zware metalen effectief kunnen worden geïmmobiliseerd, waardoor stabiele verbindingen worden gevormd die de uitloging van deze toxines aanzienlijk verminderen.”

Een van de meest overtuigende aspecten van deze studie is de hoge fixatie-efficiëntie die is bereikt voor zware metalen, met bevindingen die een opmerkelijke immobilisatiegraad van 99,8% voor lood en arseen laten zien. Dit fixatieproces, voornamelijk bereikt met behulp van bindmiddelen op basis van sulfaat, presteert aanzienlijk beter dan traditionele benaderingen en biedt een veiligere, effectievere methode voor de stabilisatie van gevaarlijke elementen.

Met behulp van geavanceerde technieken zoals X-ray absorption fine structure (XAFS)-analyse, observeerden onderzoekers de atomaire interacties binnen het BFS-MSWI FA-DFG-composiet, waardoor ze inzicht kregen in bindingslengtes en microstructurele evolutie. Dit proces onthulde dat de glasachtige structuur van BFS uiteenvalt en zich opnieuw assembleert in compacte kristalstructuren die in staat zijn schadelijke elementen op te vangen.

Deze strak gebonden kristalformaties bieden een stabiele omgeving die voorkomt dat toxines eruit sijpelen, waardoor het materiaal veiliger is voor langdurig gebruik in bouwprojecten.
Hoe het hydratatieproces de stabiliteit verbetert

Hydratatie speelt een cruciale rol bij het versterken van het composietmateriaal. Tijdens hydratatie breken de glasachtige deeltjes van BFS af en herconfigureren ze zich tot dichte, kristallijne structuren die het composiet versterken. Deze transformatie verhoogt niet alleen de duurzaamheid van het materiaal, maar verbetert ook het vermogen om schadelijke zware metalen in de matrix in te kapselen.

Het onderzoek benadrukt hoe hydratatie het materiaal stabiliseert, waardoor de mobiliteit van zware metalen en andere gevaarlijke stoffen in het composiet wordt verminderd. Met elke fase van hydratatie wordt het BFS-MSWI FA-DFG-materiaal compacter, waardoor verontreinigende stoffen effectief worden opgevangen en hun impact op het milieu aanzienlijk wordt geminimaliseerd.
Zou dit cement voorgoed kunnen veranderen?

De studie suggereert dat deze innovatieve mix van MSWI FA, BFS en DFG de bouwsector zou kunnen revolutioneren door een levensvatbaar alternatief te bieden voor traditioneel Portlandcement. Hoewel verdere tests essentieel zijn, is het potentieel voor grootschalig gebruik van dit composietmateriaal in de bouw veelbelovend.

Het vervangen van traditioneel cement door deze milieuvriendelijke optie zou de koolstofemissies drastisch kunnen verminderen, aangezien conventionele cementproductie verantwoordelijk is voor ongeveer 8% van de wereldwijde CO₂-emissies.

Belangrijkste voordelen van BFS-MSWI FA-DFG-cement:

Kosteneffectief: maakt gebruik van afvalbijproducten, waardoor de afhankelijkheid van dure cementgrondstoffen wordt verminderd.
Koolstofarm: verlaagt de koolstofvoetafdruk van cementproductie door alternatieve materialen te gebruiken.
Milieuvriendelijk: stabiliseert en immobiliseert gevaarlijke zware metalen in de matrix, waardoor het risico op vervuiling afneemt.
Duurzaam: biedt vergelijkbare sterkte als traditioneel cement, waardoor het geschikt is voor industriële toepassingen.

Deze doorbraak past perfect bij de principes van een circulaire economie, waarbij afvalproducten worden hergebruikt in plaats van weggegooid. Door MSWI FA te integreren in cementgebonden materialen, vermindert deze methode de behoefte aan nieuwe grondstoffen en vindt het een nuttig gebruik voor gevaarlijk afval.

De potentiële voordelen reiken veel verder dan China. Overal ter wereld zoeken overheden en industrieën naar manieren om afval en broeikasgasemissies te verminderen. Naarmate de zorgen over het klimaat toenemen, worden oplossingen als deze steeds belangrijker. Het BFS-MSWI FA-DFG-composiet pakt niet alleen een dringend milieuprobleem aan, maar brengt de bouwsector ook een stap dichter bij koolstofneutraliteit.

Nu de bouwsector worstelt met de milieueffecten van cementproductie, kunnen innovaties zoals BFS-MSWI FA-DFG-composieten integraal onderdeel worden van duurzame bouwpraktijken. Door afvalmaterialen te benutten, biedt dit onderzoek een blik op een duurzamere toekomst waarin bouwmaterialen bijdragen aan, in plaats van afbreuk te doen aan, de gezondheid van het milieu.

Deze studie, geleid door Zhang en zijn team, zou wel eens een hoeksteen kunnen vormen voor toekomstig onderzoek en industriële toepassingen, en de weg vrijmaken voor groenere, duurzamere bouwpraktijken wereldwijd.
NJC.© Info Green and Smart Mining Engineering

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