Gestión y valorización de cenizas volantes de la industria termoeléctrica mediante geopolimerización alcalina

Abstract

Global electricity generation relies on approximately 80 % fossil fuels; in Mexico, ~30 % comes from coal-fired thermal power plants, producing ~10 million tonnes/year of fly ash. This waste, predominantly disposed of in open landfills, releases toxic heavy metals (Zn, Cu, Cr, Ni, Co, As, Pb) through leaching under weathering conditions, leading to soil and water contamination, particularly in humid and warm coastal Pacific regions. The study assessed Mexican fly ash as a precursor for geopolymer synthesis via alkaline activation with NaOH. It examined the formation and stability of the aluminosilicate network as a function of reaction time, its capacity to immobilize heavy metals, and its feasibility as a sustainable alternative for waste management and use in construction. Initial characterization confirmed Class F fly ash, with high combined SiO2, Al2O3, and Fe2O3 content (86.7 %), Si/Al molar ratio of 2.8, predominantly amorphous structure, and spherical particles (> 51 % between 0.73 and 13.40m), all highly suitable for geopolymerization. However, TCLP leaching tests revealed Cr and As concentrations exceeding the permissible limits of Mexican standard NOM-001-SEMARNAT-2021, confirming its classification as a hazardous waste without treatment. Geopolymer synthesis produced consolidated matrices of hydrated sodium aluminosilicates (N–A–S–H). Prolonged mixing times (up to 20 min) enhanced Si and Al dissolution and polycondensation advancement, although the best overall performance was achieved with 5 min of mixing. This condition promoted higher open porosity, increased adsorption sites, and greater hydroxyl group availability, facilitating stable hydroxide precipitation. The geopolymers exhibited immobilization efficiencies > 90 % for Cr, Cu, Co, and Ni, with significant reductions also in Zn and As (~50 %). Key retention mechanisms included hydroxide precipitation, surface complexation, ion exchange, and structural incorporation into the N–A–S–H network.

La generación eléctrica mundial depende ~80 % de combustibles fósiles; en México ~30 % proviene de termoeléctricas a carbón, generando ~10 millones ton/año de cenizas volantes. Este residuo, depositado en vertederos abiertos, libera metales tóxicos (Zn, Cu, Cr, Ni, Co, As, Pb) por lixiviación, contaminando suelos y agua, especialmente en la costa del Pacífico. La investigación evaluó cenizas volantes mexicanas como precursor de geopolímeros por activación alcalina con NaOH, analizando la formación/estabilidad de la red aluminosilicatada según tiempo de reacción, su capacidad de inmovilizar metales pesados y su viabilidad como alternativa sustentable para gestión del residuo y uso en construcción. La caracterización inicial confirmó que se trata de una ceniza volante clase F, con alto contenido de SiO2, Al2O3 y Fe2O3 (86.7 % combinados), relación molar Si/Al de 2.8, estructura predominantemente amorfa y partículas esféricas (más del 51 % entre 0.73 y 13.40 m), características idóneas para la geopolimerización. Sin embargo, los ensayos TCLP revelaron concentraciones de Cr y As que superan los límites permisibles de la NOM-001-SEMARNAT- 2021, confirmando su clasificación como residuo peligroso sin tratamiento. La síntesis de geopolímeros generó matrices consolidadas de aluminosilicatos de sodio hidratados (N–A–S–H). Tiempos de agitación prolongados (hasta 20 min) favorecieron la disolución de especies Si y Al y el avance de la policondensación, aunque el mejor desempeño global se obtuvo con 5 min de agitación. Esta condición promovió una mayor porosidad abierta, incremento de sitios de adsorción y presencia de grupos hidroxilo, lo que facilitó la precipitación de hidróxidos estables. Los geopolímeros demostraron eficiencias de inmovilización superiores al 90 % para Cr, Cu, Co y Ni, con reducciones significativas también en Zn y As (~50 %). Los principales mecanismos de retención incluyeron precipitación de hidróxidos, complejación superficial, intercambio iónico e incorporación estructural en la red N–A–S–H.