Environmental impact of waste-derived geopolymer composites : heavy metal leaching and risk assessment

Geopolymers are a relatively new type of material that can be produced from waste. They may contain hazardous compounds, such as heavy metals, which pose environmental risks if released. This study presents the results of heavy metal release from molded geopolymer composites over time and evaluates the leaching mechanisms of various elements. The study also assesses the potential ecological risk of these materials, highlighting the innovative and complex nature of the research program. The geopolymer composites were produced from silica fly ash (CFA) and waste glass powder (GP), with their composition further modified using graphene and nanosilica. The study investigated materials with innovative compositions that could effectively replace traditional Portland cement-based concrete, whose production significantly contributes to carbon emissions. Leachability was assessed using the tank test method. Among the ten metals analyzed, the geopolymer composites released Ba, Cr, Mo, and Sb. The study demonstrated that the leaching process was primarily controlled by dissolution and diffusion; however, for Ba and Mo, depletion of available ions for leaching was also observed. The potential Ecological Risk Index (PERI) ranged from 21.4 to 34.5 depending on the geopolymer composition. The ecological risk analysis indicated no environmental threat from the geopolymer composites.

---

Geopolimery to stosunkowo nowy rodzaj materiałów, które można wytwarzać z odpadów. Materiały te mogą zawierać niebezpieczne związki, takie jak metale ciężkie, które stwarzają potencjalne zagrożenie dla środowiska w przypadku ich uwolnienia. W pracy przedstawiono wyniki uwalniania metali ciężkich z formowanych kompozytów geopolimerowych w funkcji czasu oraz w celu oceny mechanizmów wymywania poszczególnych pierwiastków. W badaniu oceniono również potencjalne ryzyko ekologiczne badanych materiałów. Kompozyty geopolimerowe wytworzono na bazie popiołu lotnego krzemionkowego (CFA) i odpadowej mączki szklanej (GP). Ponadto skład modyfikowano grafenem i nanokrzemionką. Badaniom poddano materiały o innowacyjnych składach oraz które mogłyby z powodzeniem zastąpić tradycyjny beton na bazie cementu portlandzkiego, którego produkcja jest obecnie uznawana za zwiększającą ślad węglowy. Wymywalność przeprowadzono metodą ”tank test”. Kompozyty geopolimerowe wykazały uwalnianie Ba, Cr, Mo i Sb spośród dziesięciu metali analizowanych w pracy. Ustalono, że proces wymywania był kontrolowany przede wszystkim przez rozpuszczanie i dyfuzję, jednak w przypadku Ba i Mo zaobserwowano również proces wyczerpywania się jonów dostępnych do wymywania. Analiza ryzyka ekologicznego nie wykazała zagrożenia dla środowiska ze strony badanych kompozytów geopolimerowych.