Утицај раствора амонијум-нитрата и натријум-сулфата на механичка својства и структуру геополимера на бази електрофилтерског пепела термоелектрана

Abstract

Геополимери на бази три различита узорка електрофилтерског пепела изложени су дејству концентрованог раствора NH4NO3 (480 g/dm3) и раствора Na2SO4 (50 g/dm3) у периоду од 18 месеци. Промене механичких својстава геополимера испитиване су након 5 термина: 28, 90, 180, 365 и 540 дана. Промене у структури геополимера испитиване су методама рендгенске структурне анализе, електронске микроскопије, инфрацрвене спектроскопије и нуклеарне магнетне резонанце чврстог стања. Састав свеже припремљених раствора NH4NO3 и Na2SO4 и састав раствора након излагања узорака геополимера њиховом дејству у одређеном временском периоду анализиран је оптичким емисионим спектрометром са индукованом спрегнутом плазмом. Утврђено је да је утицај раствора NH4NO3 на механичка својства геополимера припремљених од три различита узорка електрофилтерског пепела био је врло сличан. До највећег смањења чврстоће на притисак (14‒23 %) дошло након првих 28 дана испитивања, након чега је уочена стагнација или благо побољшање чврстоће малтера геополимера. Анализе раствора NH4NO3 показале су да је током излагања геополимера дејству раствора дошло до излуживања алкалних (Na, K), земноалкалних (Ca, Mg) елемената и сумпора из структуре геополимера и пораста pH вредности раствора NH4NO3 на око 8. На основу детаљне карактеризације структуре геополимера, закључено је да је излагање узорака геополимера дејству раствора NH4NO3 довело до раскидања Si‒O‒Al веза у структури алумосиликатног гела геополимера. Попуњавање дефеката у структури, насталих раскидањем Si‒O‒Al веза, силицијумом и формирање структуре богатије силицијумом, заслужни су за уочену стагнацију или благо повећање чврстоће геополимера током тестирања у дужем временском периоду. Излагање геополимера дејству раствора Na2SO4 довело је до малог смањења чврстоће на притисак геополимера (око 10 %). До највећег смањења чврстоће на притисак порознијих узорака геополимера дошло је већ после првих 28 дана испитивања, док је у даљем току тестирања уочено повећање чврстоће. У случају малтера геополимера ниже порозности до значајнијег смањења чврстоће дошло је тек после 365 дана испитивања. Испитивање промена у саставу раствора Na2SO4 показале су да је током испитивања узорака геополимера дошло до дифузије сулфатних јона у структуру геополимера и излуживања натријума, калијума и силицијума из структуре у раствор, као и до пораста pH вредности раствора на око 12. На основу резултата испитивања структуре геополимера методама инфрацрвене спектроскопије и нуклеарне магнетне резонанце утврђено је да је смањење чврстоће геополимера током излагања дејству раствора Na2SO4 последица формирања дефеката у структури насталих раскидањем Si‒O‒Si веза и излуживањем Si.

Geopolymers based on three different fly ash samples were exposed to concentrated (480 g/dm3) NH4NO3 solution and Na2SO4 solution (50 g/dm3) over a period of 540 days. Mechanical properties of the geopolymer samples were tested after five terms: 28, 90, 180, 365 and 540 days. Changes in the geopolymer structure were investigated using X-ray powder diffraction analysis, scanning electron microscopy, infrared spectrometry and nuclear magnetic resonance (27Al MAS NMR and 29Si MAS NMR). Compositions of NH4NO3 and Na2SO4 solutions were analyzed by optical emission spectroscopy. It was found that the effects of the concentrated NH4NO3 solution on the mechanical properties of the geopolymer samples based on three different fly ash samples were similar. The greatest decrease in compressive strength of the geopolymer samples was observed after the first 28 days of testing (14‒23 %). Analyses of the NH4NO3 solution showed that alkali (Na, K), alkaline earth (Ca, Mg) elements and sulfur were leached from the geopolymer structure, while the pH value of the solution increased to 8. Based on detailed structural characterization of geopolymer samples, it was concluded that exposure of the geopolymer samples to the concentrated NH4NO3 solution caused breaking of Si‒O‒Al bonds in aluminosilicate geopolymer gel. Structural defects formed by breaking of Si‒O‒Al bonds were reoccupied by silicon, forming more siliceous structure, which resulted in the subsequent fluctuation in compressive strength. Treatment with the Na2SO4 solution caused small decrease in compressive strength of the geopolymer samples (about 10 %). The strength of the more porous geopolymer samples decreased after the first 28 days of testing, while subsequent exposure to the sulfate solution caused an increase in strength of the samples. On the other hand, decline in strength of the less porous geopolymer samples was observed after 365 days of testing. Analyses of the sulfate solution showed that, in addition to diffusion of sulfate ions in the geopolymer structure and leaching of Na and K from the structure, treatment of the geopolymer samples with the Na2SO4 solution caused leaching of Si. The pH value of the sulfate solution reached the value of about 12 already after 28 days of testing. Investigation of the geopolymers structure by means of infrared spectroscopy and 29Si MAS NMR showed that exposure of the geopolymer samples to the Na2SO4 solution caused breaking of Si‒O‒Si bonds in aluminosilicate geopolymer gel structure and leaching of Si. Breaking of Si‒O‒Si bonds and formation of structural defects led to the observed strength decrease of the geopolymer samples.