Estudo mecanístico do efeito do ferrato de potássio e da fibra de palha no aumento da resistência do cimento

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7660 (2023) Citar este artigo

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O alto teor de matéria orgânica no lodo é a principal razão para o fraco efeito solidificante e dosagem excessiva da base de cimento. Neste estudo, o ferrato de potássio e a fibra de palha são utilizados para aumentar sinergicamente o efeito solidificante do cimento e elaborar os mecanismos de resistência. Dentre eles, o ferrato de potássio foi selecionado para oxidar e quebrar a estrutura da matéria orgânica no lodo e consumir parte da matéria orgânica; fibra de palha foi utilizada como material de adsorção para absorver parte da matéria orgânica e reduzir sua interferência na reação de hidratação do cimento; a função de esqueleto da fibra de palha em lodo solidificado foi usada para melhorar a resistência final do lodo solidificado. É mostrado que a presença desses dois aditivos melhorou significativamente a resistência à solidificação do cimento e reduziu o teor de umidade do corpo solidificado. Além disso, o teor de umidade e a resistência seguiram uma relação linear óbvia (R2 ajustado = 0,92), com a resistência aumentando à medida que o teor de umidade diminuía. Após o pré-tratamento com ferrato de potássio, o teor de água livre no lodo desidratado aumentou em 4,5%, o que propiciou a reação de hidratação adequada com o cimento. A análise usando difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de raios X de energia dispersiva (SEM/EDS) e porosimetria de intrusão de mercúrio (MIP) revelou que o ferrato de potássio sinergiza com fibras de palha para promover a produção de gesso hemi-hidratado e gismondina . No entanto, gesso hemi-hidratado, carbonato de cálcio e gismondina resultaram em inchaço estrutural, o que foi confirmado pela morfologia microscópica e análise da estrutura dos poros. No entanto, os efeitos adversos devido ao inchaço foram compensados ​​pelo aumento da resistência trazida pelas substâncias cristalinas acima.

O lodo contém alto teor de umidade, alta viscosidade e alto teor de matéria orgânica, além de propriedades geotécnicas ruins e resíduos tóxicos e perigosos. Atualmente, 80% do lodo na China ainda não foi estabilizado e descartado de forma segura e adequada, apresentando sérios riscos à segurança e pressão ambiental; assim, é de extrema importância abordar a questão do lodo.

A solidificação do lodo como cobertura de aterro sanitário ainda é um método prático de disposição devido à sua simplicidade, eficiência econômica, alto consumo e tecnologia avançada. Aglutinantes comumente usados ​​incluem cimento Portland comum, cal, cinzas volantes, escória e óxido de magnésio ativado1,2,3. O cimento Portland comum (OPC) foi reconhecido como o melhor agente de cura, pois é facilmente disponível, barato e simples de incorporar em resíduos úmidos4. Apesar disso, existem três grandes desvantagens ao usar OPC para solidificação de lodo. Primeiro, a produção de cimento pode ter impactos ambientais negativos, como aumento do efeito estufa, alto consumo de energia e uso de recursos não renováveis5,6,7. Segundo as estatísticas, a indústria do cimento é responsável por 6–7% das emissões globais de CO28,9. Em segundo lugar, o lodo solidificado com cimento geralmente tem pH alto, o que é prejudicial para as águas subterrâneas e para o crescimento das plantas10,11. Por fim, a reação de hidratação do cimento é facilmente perturbada pela matéria orgânica do lodo7,12,13, reduzindo significativamente o efeito de cura e exigindo dosagens adicionais de cimento. Assim, uma estratégia viável envolve a adição de quantidades modestas de aditivos auxiliares para regular a dosagem de cimento, minimizando o impacto da matéria orgânica na reação de hidratação do cimento e aumentando a resistência do lodo solidificado. Atualmente, os aditivos auxiliares são estudados principalmente sob duas perspectivas: compensar ou evitar a interferência da matéria orgânica na hidratação do cimento e no consumo de oxidação direta e craquear a estrutura da matéria orgânica no lodo para reduzir a interferência. Nessa direção, Zhen et al.13 constataram que a mistura de uma pequena quantidade dos novos cristais de aluminato 12CaO·7Al2O3 neutralizava a interferência da matéria orgânica e cristais de formação rápida, como etringita e calcita, com produtos de hidratação do cimento. Em outro trabalho, Chen et al.12 exploraram que o cimento de sulfato de aluminato também evitou diretamente a interferência da matéria orgânica, gerando quase as mesmas quantidades de alumina de cálcio e géis de aluminato de cálcio que o grupo de controle em branco. No entanto, o cimento de aluminato de sulfato é mais caro e é frequentemente empregado como um aditivo de cimento de silicato para aumentar a resistência do lodo solidificado14. Em um estudo de Lei et al.7, verificou-se por meio de medições de difração de raios X que a adição de nano-sílica ajudou a formar silicato de cálcio hidratado adicional que neutralizou o efeito de enfraquecimento da matéria orgânica na resistência de solidificação do cimento. É claro que tem havido uma imensa quantidade de pesquisa e desenvolvimento para neutralizar a reação de hidratação da matéria orgânica no cimento. Além disso, Sun15 e Li16 descobriram que o uso de permanganato de potássio e persulfato de potássio como aditivos cimentícios aumentou o efeito de solidificação, respectivamente. No entanto, nenhum estudo e análise aprofundados foram realizados em ambos os relatórios. Portanto, ainda há muito espaço para novas pesquisas no consumo oxidativo e na quebra da estrutura da matéria orgânica do lodo para aumentar o efeito de solidificação do cimento. O ferrato de potássio é um agente oxidante especial empregado em pesquisas sobre desidratação de lodo17, redução de lodo18,19 e desinfecção de águas residuais devido às suas poderosas propriedades oxidantes, floculantes e ecológicas20,21. No entanto, o ferrato de potássio raramente foi explorado por sua potencialidade na solidificação do lodo para aumentar sua resistência.