Acronimo: GLASS_TREA.S.U.RES
Titolo: GLASS-based TREAtments for Sustainable Upcycling of inorganic RESidues
Coordinatore: prof.ssa Enrico BERNARDO - Dipartimento di Ingegneria Industriale-Università degli Studi di PADOVA
Partner-Unità di ricerca: Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA, Università degli Studi della Campania "Luigi Vanvitelli"
Bando: PRIN 2022 - Decreto Direttoriale n. 1385 del 01/09/2023
Durata: 30/11/2023 - 29/11/2025 (24 mesi)
Budget totale progetto: € 225.00,00

Abstract del progetto

The development of valuable new products ('up-cycling') is fundamental for avoiding any landfilling of the glass fractions ('waste glasses') which are normally unemployed, e.g. due to polymer and metal contaminations. The balance between inputs and outputs of supplementary materials, energy and emissions, however, remains challenging. This projects aims at defining new structural and functional materials by alkali activation treatments at nearly room temperature, triggered by the same chemical composition of waste glasses, possibly mixed with other inorganic (and mainly glassy) residues.

Alkali activation corresponds to the extensive dissolution of silicate and alumino-silicate powders, suspended in concentrated aqueous solutions of alkali hydroxides, silicates and aluminates. With a proper balance among constituent oxides (SiO2, Al2O3, alkali oxides), condensation reactions of the dissolution products determine, at nearly room temperature, stable gels, featuring a three-dimensional 'zeolite-like' network structure (resulting from the bridging of SiO4 and AlO4 units, the latter being stabilized by alkali ions in the surroundings). In this framework, waste glasses have been widely considered, as providers of SiO2 and alkali oxides, after dissolution in highly concentrated attacking solutions. The present project, according to very recent findings, aims at developing far more sustainable alkali-activated materials, operating with diluted alkali hydroxide solutions (molarity not exceeding 3M). Zeolite-like gels may result from the surface activation of fine powders of relatively Al2O3-rich waste glasses or blends of waste glass with other Al2O3-rich residues, such as volcanic materials.

A full circularity can be achieved only with a clear identification of useful target products. As a further proof of sustainability, the present project aims at defining both dense and porous structural components, to replace building products, such as clay bricks, lightweight concrete, glass and ceramic foams, already obtained by energy- and material-demanding processes. Dense products will imply the adoption of glass cullet or other inorganic residues also in form of coarse powders, bound by thin layers of matrix resulting from fine powders. In parallel, cellular products will rely on the gas incorporation in matrices at the early stages of gelation, by intensive mechanical stirring and/or decomposition of foaming agents, possibly supported by surfactants.

The new products will undergo an extensive environmental impact analysis, in form of leaching (to assess the effective permanent stabilization of pollutants, from cullet and/or other residues) and life cycle sustainability assessment. Finally, cellular materials, not only resulting from foaming, but also from the application of modern additive manufacturing technologies, will be considered for their potential in water remediation, in analogy with several alkali-activated systems.

Lo sviluppo di prodotti a valore aggiunto ("upcycling") è fondamentale per evitare lo smaltimento in discarica delle frazioni di vetro ("vetri di scarto") che normalmente sono abbandonate, ad es. a causa di contaminazioni di polimeri e metalli. L'equilibrio tra input e output di materiali supplementari, energia ed emissioni, tuttavia, rimane problematico. Questo progetto mira alla definizione di nuovi materiali strutturali e funzionali mediante trattamenti di attivazione alcalina a temperatura quasi ambientale, innescati dalla stessa composizione chimica dei rifiuti di vetro, eventualmente miscelati con altri residui inorganici (e principalmente vetrosi). L'attivazione alcalina corrisponde alla dissoluzione estensiva di polveri di silicati e alluminosilicati, sospese in soluzioni acquose concentrate di idrossidi alcalini, silicati e alluminati. Attraverso un adeguato equilibrio tra ossidi costituenti (SiO2, Al2O3, ossidi alcalini), le reazioni di condensazione dei prodotti di dissoluzione determinano, a temperatura quasi ambientale, gel stabili, con una struttura tridimensionale "zeolitica" (risultante dal collegamento tra unità SiO4 e AlO4, quest'ultima stabilizzata dagli ioni alcalini nell'ambiente circostante). In quest'ottica, rottami di vetro sono stati ampiamente considerati, come fornitori di ossidi SiO2 e alcali, dopo dissoluzione in soluzioni di attacco altamente concentrate. Il presente progetto, secondo risultati molto recenti, mira a sviluppare materiali alcali-attivati molto più sostenibili, operando con soluzioni di idrossidi alcalini diluite (molarità non superiore a 3M). Gel zeolitici possono derivare dall'attivazione superficiale di polveri fini di vetri di scarto ricchi in Al2O3 o miscele di vetri di scarto con altri residui ricchi in Al2O3, come i materiali vulcanici.

Una piena circolarità può essere raggiunta solo con una chiara identificazione di prodotti target utili. Come ulteriore prova di sostenibilità, il presente progetto mira a definire componenti strutturali sia densi che porosi, per sostituire prodotti da costruzione, come mattoni di argilla, calcestruzzo leggero, vetro e schiume ceramiche, già ottenuti da processi che richiedono cospicui contributi di energia e materiali. I prodotti densi comporteranno l'adozione di rottami di vetro o altri residui inorganici anche sotto forma di polveri grossolane, legati da strati sottili di matrice derivante da polveri fini. Parallelamente, i prodotti cellulari faranno affidamento sull'incorporazione di gas nelle matrici nelle prime fasi della gelificazione, mediante intensa agitazione meccanica e/o decomposizione di agenti schiumogeni, eventualmente supportati da tensioattivi.

I nuovi prodotti saranno sottoposti ad un'approfondita analisi di impatto ambientale, attraverso prove di lisciviazione (per valutare l'effettiva stabilizzazione permanente degli inquinanti, da rottami di vetro e/o altri residui) e valutazione della sostenibilità del ciclo di vita. Infine, i materiali cellulari, non solo derivanti da schiumatura, ma anche dall'applicazione di moderne tecnologie di produzione additiva, saranno considerati per il loro potenziale nella bonifica delle acque, in analogia con diversi sistemi da attivazione alcalina.