Innovative use of industrial material streams in the Bothnian Arc Region

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2010

Department

Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta

Major/Subject

Teollisuuden ympäristötekniikka

Mcode

Puu-127

Degree programme

Puunjalostustekniikan tutkinto-ohjelma

Language

en

Pages

iii + 96 + [27]

Series

Abstract

Beneficial use potential of pulp, paper and steel industry residues was investigated in the context of industrial symbiosis (IS). The main objective was to develop novel applications for steel industry slags and various alkaline pulp and paper residues. The experimental part consisted of three individual phases concentrating on the reactivity of steel industry slags and fly ash in cement-silica sand composites, reduction of cement-silica sand composites' carbon footprint with pulp and paper fibres and soil remediation/amelioration potential of integrated residues. Manufactured formulations were tested for mechanical performance with unconfined compression and flexural strength tests as soil remediation/amelioration potential was evaluated through physiochemical properties, total element and easily available pliant nutrient concentrations as well as leaching characteristics. Based on the results, the use of granulated blast furnace slag as a cement replacement seems rational. However, the performance of additional steel industry slags and fly ash from pulp and paper operation does not promote their use as main binder materials in high-performance composites and should primarily be considered as replacement of non-renewable filler and aggregate material in evil construction applications. Additionally, the utilisation of residual pulp and paper fibres or novel microfibres in cement composites with the applied methods seems unlikely. Relatively large quantities of paper mill sludge or microfibres were clearly unsuitable for the inorganic environment of cement hydration and deteriorated the performance and consistency of produced matrices. The integration of pulp, paper and steel industry residues for soil remediation/amelioration purposes seems promising. Formulations consisting of fly ash and granulated blast furnace slag or converter steel slag as binder material, fibre sludge as reactive aggregate and green liquor dregs and lime waste as alkaline components had compression strengths clearly sufficient for remediation/amelioration purposes. Neutralising (35.8 - 38.6%) and reactivity values (33.3 - 38.0%) of produced formulations, in addition to corresponding high pH values (12.9 - 13.0), indicate liming and buffering capacities comparable to commercial ground limestone products. However, the total concentrations of cadmium (Cd; 2.8 - 3.3 mg kg<sup>-1</sup>) in produced formulations were higher than respective Finnish statutory limit values (1.5 mg kg<sup>-1</sup>) set for fertilisers used in agriculture. In addition, the total concentration of chromium (Cr; 370 mg kg<sup>-1</sup>) in CSS formulation exceeded respective Finnish statutory limit values (300 mg kg<sup>-1</sup>) set for agricultural and forest fertilisers. As most of the elevated cadmium and chromium contents were acquired in the oxidisable fraction of the leaching procedure, they are not considered to be very mobile or bio available but could prove challenging regarding the use of produced formulations especially in agricultural remediation/amelioration applications.

Sellu-, paperi- ja terästeollisuuden poisteiden hyötykäyttöä tutkittiin teollisen symbioosin näkökulmasta. Tavoitteena oli kehittää uusia käyttökohteita terästeollisuuden kuonille sekä erilaisille emäksisille sellu- ja paperiteollisuuden poisteille. Kokeellinen osuus koostui kolmesta erillisestä vaiheesta keskittyen kuonien ja lentotuhkan reaktiivisuuteen sementti-kvartsihiekka -komposiiteissa, sementti-kvartsihiekka -komposiittien hiilijalanjäljen pienentämiseen sellu- ja paperiteollisuuden kuitujen avulla sekä yhdistettyjen poisteiden potentiaaliin maanparannussovelluksissa. Valmistettujen massojen mekaaniset ominaisuudet testattiin puristus- ja taivutuslujuuskokeilla, joiden lisäksi maanparannuspotentiaalia arvioitiin fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien, kokonais- ja helposti saatavissa olevien ravinnekonsentraatioiden sekä liukoisuusominaisuuksien pohjalta. Tuloksien pohjalta granuloidun masuunikuonan käyttö sementin raaka-aineena vaikuttaa perustellulta. Muiden terästeollisuuden kuonien ja sellu- ja paperiteollisuuden lentotuhkan käyttö sidosmateriaalina korkealujuussovelluksissa vaikuttaa epätodennäköiseltä, joten rakennusteollisuudessa em. materiaalien käyttöä tulisi harkita uusiutumattomien filleri- ja runkoainemateriaalien korvaajina. Lisäksi, tulokset eivät tue sovellettujen metodien mukaista jäännös- tai mikrokuitujen hyötykäyttöä sementtikomposiittien vahvisteena. Suhteellisen korkeat määrät kuitulietettä tai mikrokuituja eivät soveltuneet epäorgaaniseen sementin hydrataatioon huonontaen sekä tuotettujen massojen suorituskykyä että käsiteltävyyttä. Sellu-, paperi- ja terästeollisuuden poisteiden yhdistetty käyttö maanparannuksessa vaikuttaa lupaavalta. Lentotuhkasta ja granuloidusta masuuni- tai teräskuonasta sideaineena, kuitulietteestä reaktiivisena täyteaineena sekä soodasakasta ja kalkkijätteestä emäksisinä komponentteina koostuvien massojen puristuslujuudet olivat selvästi riittävät hyödynnettäväksi maanparannussovelluksissa. Kokonais- (35.8 - 38.6 %) ja nopeavaikutteinen (33.3 - 38.0 %) neutralointikyky yhdistettynä korkeisiin pH-arvoihin (12.9 - 13.0) viittaavat kaupallisiin kalkitustuotteisiin verrattaviin kalkitus- ja puskurointiominaisuuksiin. Ainoastaan kromin kokonaispitoisuus (Cr; 370 mg kg<sup>-1</sup>) teräskuonakappaleissa ylitti vastaavat maa- ja metsätaloudessa käytettävien lannoitteiden raja-arvot (300 mg kg<sup>-1</sup>). Lisäksi kaikkien kappaleiden kadmiumin kokonaispitoisuudet (Cd; 2.8 - 3.3 mg-kg<sup>-1</sup>) ylittivät vastaavat maataloudessa käytettävien lannoitteiden raja-arvot (1.5 mg kg<sup>-1</sup>). Vaikka suurin osa kromin (Cr) ja kadmiumin (Cd) kokonaispitoisuuksista ei esiinny luonnolle helposti saatavilla olevassa muodossa, saattavat erityisesti korkeat kadmium (Cd) pitoisuudet asettaa haasteita kyseisten massojen käytölle maatalouden maanparannussovelluksissa.

Description

Supervisor

Dahl, Olli

Thesis advisor

Watkins, Gary

Keywords

residues, poisteiden hyötykäyttö, cement replacement, maanparannus, soil remediation/amelioration

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122356617

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM