Immobilization mechanisms of lead(II) and zinc(II) ions in fly ash based geopolymers depending on the Na/Al and Si/AL ratio

Abstract

In dieser Dissertationsschrift werden die Mechanismen in der Immobilisierungsreaktion von Schwermetallionen in Flugasche basierten Geopolymeren analysiert. Hierfür werden Geopolymere hergestellt, die in ihrem Na/Al (zwischen 0,4 und 0,8) sowie Si/Al (zwischen 2,0 und 3,0) variieren. Außerdem werden Zinkoxid, Bleioxid sowie Zinknitrat und Bleinitrat in unterschiedlichen Mengen zugegeben. Die Strukturanalyse wird mittels IR Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie sowie Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Mechanische und werkstofftechnische Eigenschaften werden hinsichtlich Druckfestigkeit und Porisität (mittels Quecksilber-Druck) geprüft. Zusätzlich werden Elutionstests unter Verwendung von Schwefelsäure und Salzsäure durchgeführt um die chemische Stabilität der Proben sowie ihre Fähigkeit zur Immobilisierung zu untersuchen. Für die Analyse der Auswirkung der Porosität werden Zinkpulver sowie Aluminiumpulver zu der Geopolymerpaste zugegeben. Es ergab sich, dass ein Na/Al Verhältnis von 0,6 sowie ein Si/Al Verhältnis von 2,0 am Stabilsten gegen einen chemischen Angriff sind.

The immobilization mechanisms of metal ions in fly ash based geopolymers are analyzed in this thesis. Thereby, the Na/Al (between 0.4 - 0.8) and the Si/Al (between 2.0 - 3.0) ratios are varied. Moreover, zinc oxide, lead oxide as well as zinc nitrate and lead nitrate salts are added in varying amounts. The structural analysis is carried out using IR spectroscopy, X-ray diffraction and Scanning electron microscopy. Mechanical and material properties are examined using compressive strength testing as well as mercury intrusion porosimetry. Leaching tests in sulfuric acid and hydrochloric acid are conducted to investigate the chemical stability and the immobilization of the heavy metals. To investigate the influence of porosity, foaming agents, aluminum powder as well as zinc powder were added to the geopolymer mix. It was found that a Na/Al ratio of 0.6 and a Si/Al ratio of 2.0 possess the best chemical resistance against acidic attack.