![Institutional Repository [SANDBOX]](images/dias.logo.png "Institutional Repository [SANDBOX]"){kind=logo}
Institutional Repository [SANDBOX]
Technical University of Crete
Technical University of Crete
EN
|
EL
| URI | http://purl.tuc.gr/dl/dias/8894BCD9-36CC-4D0E-B6B3-5C1C3EA6A686 | - |
| Identifier | https://doi.org/10.26233/heallink.tuc.103509 | - |
| Language | en | - |
| Extent | 96 pages | en |
| Title | Exploring the potential of Hospital Medical Waste Incinerator (HMWI) bottom ash (BASH) as a promising raw material for the production of autoclaved bricks | en |
| Title | Διερεύνηση των δυνατοτήτων της τέφρας πυθμένα κλιβάνου από την αποτέφρωση νοσοκομειακών ιατρικών αποβλήτων ως μια υποσχόμενη πρώτη ύλη για την παραγωγή αυτοκλείστων τούβλων | el |
| Creator | Bekiari Konstantina-Maria | en |
| Creator | Μπεκιαρη Κωνσταντινα-Μαρια | el |
| Contributor [Thesis Supervisor] | Gkamaletsos Platon | en |
| Contributor [Thesis Supervisor] | Γκαμαλετσος Πλατων | el |
| Contributor [Committee Member] | Petrakis Evaggelos | en |
| Contributor [Committee Member] | Πετρακης Ευαγγελος | el |
| Contributor [Committee Member] | Yiannis Pontikes | en |
| Publisher | Πολυτεχνείο Κρήτης | el |
| Publisher | Technical University of Crete | en |
| Academic Unit | Technical University of Crete::School of Mineral Resources Engineering | en |
| Academic Unit | Πολυτεχνείο Κρήτης::Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων | el |
| Description | This thesis delves into a critical environmental challenge faced by developed nations. Τhe improper disposal of a hazardous material, such as the bottom ash (BASH) derived from hospital and/or medical waste incinerators (HMWI), may pose significant risks to soil and groundwater quality, ultimately threatening public health. In response to this pressing issue, researchers around the globe tried to solidify and stabilize such hazardous waste during the past. To the best to our knowledge, it is the first time in the literature that a sustainable valorization of HMWI BASH is being proposed herein. To meet this need, Hospital Medical Waste Incineration (HMWI) Bottom Ash (BASH) from the Hospital Medical Waste Incineration Plant / HMWIP (a.k.a. “APOTEFROTIRAS S.A.”) operated by the joint venture HELECTOR S.A. – ARSI S.A. (ELLACTOR Group) has been utilized, applying innovating recipes for such hazardous material, in order to transform it into a non-hazardous building material. The owner of the entire project is the Association of Communities and Municipalities in the Attica Region (ACMAR) in Attica, Greece (a.k.a. Special Inter-Collective Association of the Prefecture of Attica / “EDSNA”). The present study focuses on the potential of utilizing HMWI BASH toward to the production of pressed autoclaved bricks, offering a sustainable solution to mitigate environmental hazards. Through a mineralogical and chemical analysis of the studied HMWI BASH, and rigorous testing of the resulting bricks’ mechanical and leaching properties, this diploma thesis is an attempt to provide novel insights that could lead to the development of sustainable construction materials. The experimental part of the present work was partially at the school of Mineral Resources Engineering / SMRE (Technical University of Crete / TUC, Crete Island, Greece), and at the Department of Materials Engineering / MTM (KU Leuven, Belgium) under the guidance of Assoc. Prof. Dr. Yiannis Pontikes. It is important to mention that Ms. Konstantina Maria Bekiari (SMRE/TUC) has been benefited by the Erasmus+ traineeship program of the European Union in order to visit MTM of KU Leuven (KUL). During her stay at MTM she conducted experiments and valorized the HMWI BASH samples under the assistance of Mr. Nikolaos Athanasakis (PhD student, MTM, KU Leuven). Especially, for the Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) analytical measurements Konstantina established a collaboration with the Institute for Mineralogy of the Westfälische Wilhelms Technical University of Crete Konstantina Maria Bekiari School of Mineral Resources Engineering Exploring the potential of HMWI bottom ash (BASH) as a promising raw material for the production of autoclaved bricks ii Universität Münster (University of Münster, Münster, Germany) under the guidance of Prof. Dr. Stephan Klemme and assistance by Prof. Dr. Jasper Berndt, co-coordinated by Assoc. Prof. Dr. Ioannis Baziotis (Agricultural University of Athens / AUA, Athens, Greece). The present diploma thesis was designed and supervised by Asst. Prof. Dr. Platon N. Gamaletsos (SMRE/TUC). | en |
| Content Summary | In developed countries, the abandonment and uncontrolled disposal of bottom ash from hazardous medical and other (bio)-waste incinerators are the major cause of soil and groundwater contamination, which can endanger both the environment and public health. The present diploma thesis provides a detailed characterization and novel insights into the valorization of Hospital Medical Waste Incineration Bottom Ash (HMWI BASH) towards the production of pressed autoclaved bricks (a.k.a. “dense monoliths”). The HMWI BASH was provided by Hospital Medical Waste Incineration Plant / HMWIP (a.k.a. “APOTEFROTIRAS S.A.”) operated by the joint venture HELECTOR S.A. – ARSI S.A. (ELLACTOR Group). “APOTEFROTIRAS S.A.” is located near Athens, Greece. The raw material received by the incineration facility was classified into seven (7) granulometric fractions (i.e., +8mm, -8+4mm, -4+2mm, -2+1mm, -1+0.500mm, -0.500+0.250mm and -0.250mm) and characterized separately to identify mineralogical and chemical variations among the fractions which may affect their valorization potential. Powder X-ray diffraction data (PXRD) of the HMWI BASH raw sample and its individual fractions revealed a high amorphous content, especially in the raw one and its coarser fractions, gradually decreasing towards the finer fractions. The raw sample and its fractions consisted of high temperature crystalline phases, namely gehlenite (Ca2Al(AlSi)O7), perovskite (CaTiO3) and cristobalite (SiO2), encapsulated by the amorphous matrix. Bulk chemical analysis by means of wavelength dispersive X-ray fluorescence (WD-XRF) along with inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) and Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) showed that the studied samples contain a variety of heavy metals and metalloids, some of them being present at relatively higher concentrations (e.g., Cr, Ni, Cu, etc.), and others accumulated in smaller quantities (e.g., Co, Sn, V, As, etc.). Lead is present in all the studied samples (~3-9 ppm), while cadmium has been detected in some of the fraction (~1-3 ppm) by LA-ICP-MS. As it has been revealed by ICP-OES, it is noteworthy to mention the presence of gold (Au) in the studied raw material (15 ppm). It seems that gold is preferably accumulated in the coarser fraction (13 ppm) and less in the finest ones (8-10 ppm). Besides, rare earth elements (including 15 lanthanides, Sc and Y) content was found to be significantly increased in the finer fractions. The SEM-EDS observations revealed the presence of various metals-containing (sub)-micro-sized particles -also containing heavy metals such as Cr and Cu- embedded in a Si-Na-containing amorphous matrix, such as Ca-Ti-oxides (perovskites according to PXRD), etc. For the production of the pressed autoclaved bricks, the HMWI BASH material was used in its initial form (i.e., HMWI BASH raw sample), along with a 1:1 mixture of its -0.500+0.250mm and -0.250mm fractions, due to their lower amorphous and higher gehlenite content resulting in six different formulations, for comparison. Three mix designs were employed for the production of the bricks. The mix designs incorporated the aforementioned two HMWI BASH samples (IP100 mix design), the metakaolin MK (IP_MK mix design) and an ordinary Portland cement OPC (BLD mix design). Different dense monoliths were produced from each formulation. All the dense monoliths were cured for 24 hours under the same hydrothermal conditions in an autoclave. The produced autoclaved bricks were subjected to mineralogical investigation, compressive strength test assessment, and finally were undergone leaching process according to the EN 12457/2 standard. The mechanical performance and leaching properties of the bricks containing the HMWI BASH raw sample, were superior to the mixture of finer fractions, making the sieving process unnecessary for this application. The addition of metakaolin proved detrimental to the strength of the bricks. Among the six formulations used in the thesis, the IP-based bricks, being produced using the HMWI BASH raw sample, are more preferable. The IP-100-based dense monoliths were found to contain Sb and As both exceeding the EN 12457/2 limits by 14% and 15%, respectively. In contrast, the BLD-based bricks showed the best performance in immobilizing potentially toxic elements as the amount of heavy metals and metalloids is ranged within the EN 12457/2 limits. The latter might be attributed to the solidification facilitated by the OPC. | en |
| Content Summary | Στις ανεπτυγμένες χώρες, η εγκατάλειψη και η ανεξέλεγκτη διάθεση της τέφρας πυθμένα από τους αποτεφρωτήρες επικίνδυνων ιατρικών, νοσοκομειακών και άλλων βιο-αποβλήτων θεωρείται μία εκ των κύριων αιτιών μόλυνσης του εδάφους και των υπόγειων υδάτων, η οποία μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τόσο το περιβάλλον όσο και τη δημόσια υγεία. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρέχει νέες γνώσεις σχετικά με το χαρακτηρισμό και τις δυνατότητες αξιοποίησης της τέφρας πυθμένα αποτέφρωσης νοσοκομειακών ιατρικών αποβλήτων (Hospital Medical Waste Incinerator bottom ash / HMWI BASH) προς την κατεύθυνση της παραγωγής πρεσαριστών αυτοκλείστων τούβλων (γνωστά και ως “πυκνοί μονόλιθοι” / “dense monoliths”). Η τέφρα παραχωρήθηκε από το εργοστάσιο αποτέφρωσης επικίνδυνων ιατρικών αποβλήτων (γνωστό και ως “ΑΠΟΤΕΦΡΩΤΗΡΑΣ Α.Ε.”) που διαχειρίζεται η κοινοπραξία (Κ/Ξ) μίσθωσης αποτεφρωτήρα “ΗΛΕΚΤΩΡ Α.Ε. – ΑΡΣΗ Α.Ε.” του ομίλου “ΕΛΛΑΚΤΩΡ Α.Ε.”, υπό την επίβλεψη του Ειδικού Διαβαθμιδικού Συνδέσμου Νομού Αττικής (ΕΔΣΝΑ) στα Άνω Λιόσια (Αθήνα, Ελλάδα). Η πρώτη ύλη (ακατέργαστο δείγμα HMWI BASH) που παραλήφθηκε από την εγκατάσταση αποτέφρωσης ταξινομήθηκε σε επτά (7) κλάσματα (granulometric fractions). Ακολούθως, τα οκτώ (8) δείγματα χαρακτηρίστηκαν λεπτομερώς για τον προσδιορισμό πιθανών ορυκτολογικών ή/και χημικών διαφοροποιήσεων μεταξύ των παραγόμενων κλασμάτων που ενδέχεται να επηρεάζουν τη δυνατότητα αξιοποίησής τους. Τα δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ κόνεως (PXRD) τόσο του ακατέργαστου δείγματος HMWI BASH όσο και των επιμέρους 7 κλασμάτων (ήτοι: +8mm, -8+4mm, -4+2mm, -2+1mm, -1+0,500mm, -0,500+0,250mm και -0,250mm) του κατέδειξαν υψηλή περιεκτικότητα σε άμορφο υλικό κυρίως στο ακατέργαστο και στα αδρόκοκκα κλάσματα, η οποία σταδιακά μειώνεται προς τα λεπτόκοκκα κλάσματα. Η ορυκτολογική σύσταση του ακατέργαστου δείγματος και των κλασμάτων του αποτελείτο από κρυσταλλικές φάσεις υψηλής θερμοκρασίας, όμοιες με εκείνες των ορυκτών γκελενίτη (Ca2Al[AlSi2O7]), περοβσκίτη (CaTiO3) και χριστοβαλίτη (SiO2), εντός της αμόρφου μάζα του υλικού. Σύμφωνα με τις αναλυτικές μετρήσεις με χρήση WD-XRF και LA-ICP-MS, όλα τα δείγματα περιείχαν βαρέα μέταλλα και μεταλλοειδή, ορισμένα από αυτά παρόντα σε σχετικά υψηλότερες συγκεντρώσεις (πχ. Cr, Cu, Ni, Zn, κλπ.), και άλλα σε μικρότερες περιεκτικότητες (πχ. Co, Sn, V, As, κλπ.). Ο μόλυβδος συγκεντρώνεται σε πολύ μικρή ποσότητα σε όλα τα δείγματα (~3-9 ppm), ενώ το κάδμιο ανιχνεύτηκε σε ορισμένα από τα λεπτόκοκκα δείγματα μόνον με χρήση LA-ICP-MS. Σύμφωνα με τις μετρήσεις με χρήση ICP-OES, το αρχικό ακατέργαστο υλικό περιέχει χρυσό (Au) της τάξεως των 15 ppm. Aξίζει να τονιστεί ότι το σπάνιο αυτό μέταλλο απαντά κυρίως στο αδρόκοκκο κλάσμα (13 ppm) και λιγότερο στα λεπτόκοκκα κλάσματα (8-10 ppm) του υλικού. Επιπλέον, η περιεκτικότητα των δειγμάτων σε σπάνιες γαίες (συμπεριλαμβανομένων των 15 λανθανιδών, του Sc και του Y) βρέθηκε να αυξάνει από τα αδρόκοκκα προς τα λεπτόκοκκα κλάσματα. Η μικροσκοπική παρατήρηση των δειγμάτων με χρήση SEM/EDS αποκάλυψε την παρουσία σωματιδίων που περιέχουν μέταλλα, μεταξύ άλλων και βαρέων μετάλλων όπως Cr και Cu, πχ. οξειδίων του Ca και του Ti (περοβσκίτης) εντός μίας “πολυμεταλλικής” άμορφης μάζας. Για την παραγωγή των πρεσαριστών αυτόκλειστων τούβλων χρησιμοποιήθηκε το ακατέργαστο δείγμα HMWI BASH, καθώς κι ένα μίγμα 1:1 των λεπτόκοκκων κλασμάτων (-0,500+0,250mm και -0,250mm), λόγω της χαμηλότερης περιεκτικότητάς τους σε άμορφο και της υψηλότερης ποσοστιαίας συμμετοχής του γκελενίτη, έχοντας ως αποτέλεσμα έξι διαφορετικές συνθέσεις (formulations) για λόγους σύγκρισης. Για την παραγωγή των αυτόκλειστων τούβλων χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές συνταγές (mix designs), δύο ανόργανα πολυμερή χρησιμοποιώντας τα προαναφερόμενα δείγματα HMWI BASH (IP100 mix design) είτε αναμειγνύοντάς τα με εμπορικό μετακαολίνη (IP_MK mix design), καθώς και ένα μίγμα τσιμέντου τύπου Portland (BLD mix design). Όλοι οι παραγόμενοι πυκνοί μονόλιθοι σκληρύνθηκαν υπό ίδιες υδροθερμικές συνθήκες σε αυτόκλειστο. Εν συνεχεία, προσδιορίστηκε η ορυκτοχημική τους σύσταση, ενώ για την αξιολόγησή τους έλαβαν χώρα δοκιμές αντοχής σε μονοαξονική θλίψη, και δοκιμές έκπλυσης σύμφωνα με το πρότυπο EN 12457/2. Οι μηχανικές αντοχές και οι ιδιότητες έκπλυσης των παραγόμενων μονολίθων από το ακατέργαστο δείγμα ήταν σαφώς ανώτερες συγκρινόμενες με εκείνες που διαμορφώθηκαν με χρήση του μείγματος των λεπτών κλασμάτων, καθιστώντας εν τέλει τη διαδικασία κοσκίνισης μάλλον περιττή για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Η προσθήκη υλικού μετακαολίνη αποδείχθηκε συγκριτικά μη ωφέλιμη ως προς την αντοχή των δοκιμίων σε μονοαξονική θλίψη. Από όλες τις εφαρμοζόμενες συνταγές, προτιμητέα ήταν εκείνη που είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή πρεσαριστών αυτόκλειστων δοκιμίων με χρήση μείγματος ακατέργαστου δείγματος. Τα πρεσαριστά αυτόκλειστα τούβλα που παρήχθησαν μέσω της συνταγής IP100 mix design περιείχαν μικρά ποσά Sb και As κατά 14% και 15% περισσότερο σε σχέση με τις τιμές βάσει του προτύπου EN 12457/2, αντιστοίχως. Σε αντίθεση, τα αυτόκλειστα τούβλα που παρήχθησαν μέσω της συνταγής BLD mix design έδειξαν ότι δεσμεύουν τα δυνητικά τοξικά βαρέα μέταλλα και μεταλλοειδή σε αποδεκτές τιμές σύμφωνα με το πρότυπο EN 12457/2. | el |
| Type of Item | Διπλωματική Εργασία | el |
| Type of Item | Diploma Work | en |
| License | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | en |
| Date of Item | 2025-06-19 | - |
| Date of Publication | 2025 | - |
| Subject | Sustainability | en |
| Subject | Autoclaved bricks | en |
| Subject | Bottom ash | en |
| Subject | Hospital medical waste incineration | en |
| Bibliographic Citation | Konstantina-Maria Bekiari, "Exploring the potential of Hospital Medical Waste Incinerator (HMWI) bottom ash (BASH) as a promising raw material for the production of autoclaved bricks ", Diploma Work, School of Mineral Resources Engineering, Technical University of Crete, Chania, Greece, 2025 | en |
| Bibliographic Citation | Κωνσταντίνα-Μαρία Μπεκιάρη, "Διερεύνηση των δυνατοτήτων της τέφρας πυθμένα κλιβάνου από την αποτέφρωση νοσοκομειακών ιατρικών αποβλήτων ως μια υποσχόμενη πρώτη ύλη για την παραγωγή αυτοκλείστων τούβλων", Διπλωματική Εργασία, Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων, Πολυτεχνείο Κρήτης, Χανιά, Ελλάς, 2025 | el |
Copyright © DIAS 2013
