Od odpadu do wychwytu CO₂: ISSA w zaprawach budowlanych

Streszczenie

Produkcja cementu odpowiada za ok. 5–8% globalnej emisji CO₂. Skala tego oddziaływania wymusza nie tylko redukcję udziału klinkieru portlandzkiego w materiałach budowlanych, lecz także poszukiwanie rozwiązań, które umożliwią wtórną reabsorpcję CO₂ podczas eksploatacji kompozytów cementowych. Jednym z potencjalnych dodatków mineralnych są popioły ze spalania osadów ściekowych (ISSA), powstające w  procesie monospalania w temperaturze 850–900°C. Materiał ten charakteryzuje się stabilnym składem chemicznym, drobnym uziarnieniem oraz obecnością słabo rozpuszczalnych faz wapniowo-żelazowo-magnezowych. Celem pracy było określenie potencjału ISSA jako dodatku do zapraw budowlanych w kontekście procesu pasywnej sekwestracji CO₂ oraz stabilizacji metali ciężkich w matrycy cementowej. Badania obejmowały analizę składu chemicznego oraz mineralogicznego (ICP-OES, ICP-MS, XRD i  SEM-EDS), ocenę uziarnienia, testy wymywalności (zgodnie z  normą PN-EN 12457-2), a także ocenę stopnia zaawansowania procesu mineralnej karbonatyzacji w warunkach naturalnej ekspozycji. Wykazano, że ISSA zawiera średnio 7–8% fosforu, który występuje głównie w postaci whitlockitu, co ogranicza jego biodostępność i zmniejsza ekonomiczną zasadność odzysku. Jednocześnie zaprawy z  dodatkiem popiołów ze spalania osadów ściekowych wykazują wysoką retencję metali ciężkich oraz stabilność środowiskową. W elementach niezbrojonych karbonatyzacja nie stanowi zagrożenia konstrukcyjnego i może prowadzić do częściowego uszczelnienia mikrostruktury poprzez precypitację CaCO₃, wspierając wtórną absorpcję CO₂. Uzyskane wyniki wskazują, że materiałowe wykorzystanie ISSA stanowi obecnie bardziej racjonalny kierunek zagospodarowania niż odzysk fosforu.

Abstract

Cement production accounts for approximately 5–8% of global CO₂ emissions. The scale of this impact necessitates not only reducing the Portland clinker content in construction materials, but also identifying solutions that enable secondary CO₂ uptake during the service life of cement-based composites. Incinerated sewage sludge ash (ISSA), generated during mono-incineration at 850–900°C, is a potential mineral additive. This material is characterized by a stable chemical composition, fine particle size distribution, and the presence of poorly soluble Ca–Fe–Mg phases. The aim of this study was to evaluate the potential of ISSA as an additive in cement mortars with respect to passive CO₂ sequestration and heavy metal stabilization. The research included chemical and mineralogical characterization (ICP-OES, ICP-MS, XRD and SEM-EDS), particle size analysis, leaching tests in accordance with PN-EN 12457-2, and assessment of the advancement of mineral carbonation under natural exposure conditions. The results show that ISSA contains 7-8 % of phosphorus, which occurs predominantly as whitlockite, which limits its bioavailability and reduces the economic feasibility of phosphorus recovery. At the same time, mortars incorporating ISSA exhibit high retention of heavy metals and environmental stability. In non-reinforced elements, carbonation does not pose a structural risk and may contribute to partial pore refinement through CaCO₃ precipitation, supporting secondary CO₂ uptake. Overall, the findings indicate that material use of ISSA is currently a more rational management pathway than phosphorus recovery.