Consolidation of municipal solid waste incineration fly ash and immobilization of heavy metals through alkaline activation system

Abstract

Hazardous heavy metals in municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash are a threat to the environment and eco-systems. Alkaline activation was considered as a potential method in the waste management field. In this thesis work, the solidification/stabilization of MSWI fly ash were investigated through the alkaline activation reaction. First, the effects of metallic aluminum on the expansion and microstructure of alkali-activated MSWI fly ash-based pastes were investigated. Then, effects of aluminum dosage on gel formation and heavy metals immobilization in alkali-activated MSWI fly ash were given. After that, the influence of waste glass on the immobilization of heavy metals originated from MSWI fly ash was studied. Finally, co-disposal of MSWI fly ash and spent caustic was investigated. In these experiments, the compressive strength was performed to assess the consolidation effect, and heavy metals concentration measurement was used to get qualitative the immobilization effect of heavy metals. Then alkali-activated MSWI fly ash-based pastes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), x-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and 29Si nuclear magnetic resonance (NMR) spectra for the microstructure and immobilization mechanisms of heavy metals. Total organics carbon (TOC) was measured to access the organics immobilization effect.

Los metales pesados peligrosos presentes en las cenizas volantes de la incineración de residuos sólidos urbanos (RSU) representan una amenaza para el medio ambiente y los ecosistemas. La activación alcalina se consideró un método potencial en el campo de la gestión de residuos. En este trabajo de tesis, se investigó la solidificación/estabilización de las cenizas volantes de RSU mediante la reacción de activación alcalina. En primer lugar, se investigaron los efectos del aluminio metálico en la expansión y microestructura de las pastas a base de cenizas volantes de RSU activadas con álcali. A continuación, se analizó los efectos de la dosis de aluminio sobre la formación de gel y la inmovilización de metales pesados en las cenizas volantes de RSU activadas con álcali. A continuación, se estudió la influencia del vidrio reciclado en la inmovilización de los metales pesados procedentes de las cenizas volantes de RSU. Por último, se investigó la co-eliminación de las cenizas volantes de RSU y la sosa cáustica gastada. Durante la experimentación, se determinó la resistencia a la compresión para evaluar el efecto de consolidación, y se utilizó la medición de la concentración de metales pesados para obtener el efecto cualitativo de inmovilización de los metales pesados. A continuación, las pastas a base de cenizas volantes activadas con álcali se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en ingles), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS, por sus siglas en ingles) y espectros de resonancia magnética nuclear (Espectroscopía RMN) de 29Si para la microestructura y los mecanismos de inmovilización de los metales pesados. Se midió el carbono orgánico total (COT) para determinar al efecto de inmovilización de los orgánicos.