Geochemical modeling of soil-binder systems in stabilization/solidification applications

Sustainable soil stewardship provides the basis for terrestrial ecosystems and geochemical cycles. However, the unprecedented urbanization in the last decades brought massive solid waste stockpiles worldwide, detrimental to soil health and the neighborhood flora and fauna. Herein, in-situ solidification/stabilization (S/S) has been proposed as a remediation strategy to prevent further pollution in the contaminated sites. But the challenges of substantial CO2 emission and the sensitive durability attributed to the ordinary Portland cement (OPC), which is the most widely used binder in the S/S technique, place this strategy under scrutiny. In this work, we examined the feasibility of mitigating or negating the use of OPC in the S/S process of pyrite ash and phosphogypsum, the primary hazardous solid wastes generated in the phosphate industry. One traditional binder (OPC) and five alternative low-carbon footprint binders (calcium aluminate cement, mayenite mixed with blast furnace slag, alkaline-activated blast furnace slag, commercial CEMENT III/B, and γ-Al2O3) were applied in the remediation process. After the physicochemical and mineralogical characterization of the stabilized products, we constructed the geochemical modeling to reveal the potential mechanisms of contaminant retention and ensure long-term environmental availability. Finally, we evaluated how integrating these innovative technologies could shed light on reducing greenhouse gas emissions and offer technical benefits in future field trials. The overall findings underscore the immobilization mechanisms of pollutants using different binder strategies and highlight the urgent need to bridge the zero-emission insights to sustainable S/S technologies. The constructed geochemical modeling, in tandem with the inclusion of more solid waste types and properties in the following models, will be pivotal in predicting the availability and efficiency of green and sustainable remediation strategies.

La gestione sostenibile del suolo rappresenta la condizione primaria per garantire l’equilibrio degli ecosistemi terrestri e i cicli geochimici. La crescente urbanizzazione degli ultimi decenni ha portato alla produzione di enormi volumi di rifiuti solidi in tutto il mondo, particolarmente dannosi per la salute umana, della fauna e della flora circostante. Il processo di solidificazione/stabilizzazione in situ (S/S) è stata proposto come strategia di bonifica sostenibile al fine di prevenire la mobilizzazione degli inquinanti in siti contaminati. Di contro le problematiche legate all’utilizzo di cemento Portland (OPC), che rappresenta il legante idraulico più utilizzato nella tecnica S/S, quali elevate emissioni di CO2 durante la sua produzione e la sua durabilità rappresentano un grande limite all’utilizzo di questa strategia di bonifica. In questo lavoro, è stata investigata la possibilità di superare queste problematiche riducendo al massimo l’utilizzo di OPC nel processo S/S nella bonifica di due rifiuti solidi particolarmente inquinati quali ceneri di pirite e fosfogesso ovvero i principali scarti di produzione dell'industria dei concimi fostatici. Nel processo di bonifica sono stati quindi investigati parallelamente il legante tradizionale (OPC) e cinque leganti alternativi a bassa impronta di CO2 (cemento alluminoso, mayenite miscelata con loppa d'altoforno, loppa d'altoforno ad attivazione alcalina, un cemento di tipo III/B e γ-Al2O3). Il lavoro ha previsto una preliminare caratterizzazione fisico-chimica dei leganti idraulici e delle miscele legante idraulico/suolo inquinato ed una successivo modeling geochimico con il fine di identificare e quantificare i meccanismi di ritenzione dei contaminanti e garantire un riciclo del rifiuto solido efficace e sostenibile nel tempo. Infine, è stata eseguita una valutazione preliminare dell'integrazione di queste tecnologie innovative di bonifica accoppiata ad una alta efficienza di bonifica con contemporanea riduzione delle emissioni di gas serra e offrendo allo stesso tempo vantaggi tecnici nelle bonifiche di grandi volumi di rifiuti solidi. I risultati complessivi del lavoro hanno permesso l’identificazione dei principali meccanismi di immobilizzazione degli inquinanti e il loro grado di efficienza, ed hanno evidenziato come un approccio “CO2 free” sia urgente per garantire la sostenibilità di tecnologie S/S. La modellazione geochimica costruita sulla base delle caratteristiche dei rifiuti solidi rappresenta uno step fondamentale per prevedere l’applicabilità ed efficienza delle diverse strategie di bonifica disponibili in termini di sostenibilità ambientale ed economica a lungo termine.