Production of glass-ceramics from municipal solid waste (MSW) fly ash

The primary goal of this research work was to devise a process to treat hazardous fly ash, so as to render it environmentally stable and useful for industrial, structural, and ornamental applications. The process selected entails transforming fly ash into a glass-ceramic material. This involved melting the fly ash into a slag at 1500°C for 2 hours, followed by water quenching. The amorphous products obtained were then heat treated, so as to induce nucleation and crystallization. The specific heat treatment devised was based on results obtained from thermal analysis: nucleation was carried out at 805°C for 60min, followed by two crystallization events at 905°C and 990°C, respectively, each lasting 30min. Material characterization and analysis were carried out with the help of XRF, XRD, TCLP, SEM/EDS, DTA, TMA, EBSD, FactSage modeling, Optical Microscopy, Nano-indentation, and Vickers micro-hardness. The final product obtained was a glass-ceramic material with randomly oriented crystals embedded in its residual amorphous matrix. The crystalline phases forming were identified as Nepheline and Diopside. Leaching test results revealed a significant reduction in heavy metal release. Values obtained from mechanical testing showed that the fly-ash derived glass-ceramic material had increased hardness and strength compared to its amorphous parent material.Le but premier de cette recherché est de développer un procédé de traitement des poussières volatiles dangereuses permettant de les rendrent stables face à l'environnement et utiles pour des applications industrielles, structurales et décoratives. Le procédé retenu transforme les poussières volatiles en matériaux vitraux céramiques. Il implique la fusion des poussières en laitier en les exposant à un traitement à 1500°C durant deux heures, suivi d'une trempe à l'eau. Les produits amorphes obtenus sont ensuite traités thermiquement de façon à induire nucléation et cristallisation. Le traitement thermique développé fut basé sur les résultats d'analyse thermique effectués sur les produits amorphes et consiste en un premier plateau à 805°C durant 60 minutes suivi de deux périodes de cristallisation à 905 et 990°C durant chacune 30 minutes. Les matériaux furent caractérisés par XRF, XRD, TCLP, SEM/EDS, DTA, TMA, EBSD, modélisation thermodynamique avec le logiciel FactSage, microscopie optique, nano-indentation, et micro-duretés Vickers. Les matériaux finaux furent identifiés comme étant des vitraux céramiques composés de cristaux aléatoirement orientés compris dans une matrice amorphe résiduelle. La forme cristalline fut identifiée comme correspondant à de la Népheline et de la Diopside. Les tests de dissolution indiquent une réduction significative de libération de métaux lourds. Les essais mécaniques indiquent que les vitraux céramiques cristallins obtenus de la fusion des poussières volatiles possèdent des résistances mécaniques et des duretés améliorées comparées à leur contre parties amorphes