Autoclaved desulfurization slag bricks:an opportunity for carbon capture

• Main Author: Honkanen, M. (Markus)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2019
• Online Access: http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfioulu-201908022729

Abstract. The goal for this thesis was to study the effects of carbon mineralization to the desulfurization slag based mortar and paste samples using autoclave carbonation procedure. During the study, the effects of different carbonation conditions to the compressive strength and crystal structure of a slag brick were tested. Additionally, a number of different mixtures of sand, slag and water were tested to find the most durable and workable composition. In the first phase of the study, bricks made with different ratios of sand and slag were tested for their compressive strength, in order to find the most durable composition. The results of this phase were used to find the optimal mixture and process conditions to produce as durable bricks as possible with mild reaction conditions and short carbonation time. In the second phase, the most durable mixture was carbonated for varying time periods to test the effect of the reaction time to the durability of the brick. The effect of the carbonation in general was also tested, by doing control batches of the identical mixtures with nitrogen pressurizing. Another test parameter was the slag type used, for which basic oxygen furnace slag was tested as a substitute for desulfurization slag. After these optimization tests were done, three different mixtures were analyzed using TGA, XRD and SEM imaging for phase composition analysis. As a result of this study, bricks with compressive strength of over 20 MPa were produced. Samples without carbon dioxide had almost ten times lower compressive strength in otherwise identical conditions. This master’s thesis was part of the FLOW-project. In this project, the fibre and particle engineering research unit of the University of Oulu studies utilization of the by-products of the steel industry.Tiivistelmä. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia hiilidioksidin sitouttamista rikinpoistokuonaan ja näin syntyneen materiaalin toimivuutta betonin korvaamisessa rakennusaineena. Työn aikana selvitettiin erilaisten autoklaavi-karbonointiolosuhteiden vaikutusta materiaalin kestävyyteen ja mikrorakenteeseen, sekä haettiin optimaalista hiekan, kuonan ja veden suhdetta mahdollisimman kestävän kuonapohjaisen materiaalin valmistamiseksi. Työn ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin eri hiekan ja kuonan suhteilla valmistettujen näytteiden puristuskestävyyttä lujimman seoksen löytämiseksi. Tulosten perusteella valittiin jatkotutkimuksiin lupaavimmat näytteet, tavoitteena saada mahdollisimman kestävä lopputulos mahdollisimman lyhytkestoisella karbonointireaktiolla ja suurella kuonaosuudella. Työn toisessa vaiheessa kestävintä seostyyppiä karbonoitiin eri aikamääriä, tarkoituksena testata reaktioajan vaikutusta lopputuotteen kestävyyteen. Karbonoinnin vaikutusta ylipäätään lopputuotteeseen tutkittiin tekemällä kontrollinäytteitä typpipaineistetussa reaktorissa. Myös vaihtoehtoista kuonatyyppiä kokeiltiin raaka-aineena rikinpoistokuonan tilalla. Lopuksi kolmen eri seoksen näytteitä tutkittiin lujuuden lisäksi lämpöstabiiliuden osalta TGA-analyysillä ja kiderakenteen osalta XRD-analyysillä ja elektronimikroskoopilla. Suoritetun tutkimuksen perusteella saatiin tuotettua näytepaloja, joiden puristuslujuus oli 20 MPa. Puristuslujuus oli noin kymmenen kertaa lujempi, kuin vastaavalla näytteellä ilman hiilidioksidia. Diplomityö oli osa FLOW-projektia, jossa Oulun yliopiston kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksikkö tutkii kiertotalouden ratkaisuja teräksenvalmistuksen sivuvirtojen jatkokäyttöön.