Exploration of the Electrical Properties of Municipal Solid Waste Incinerated Fly Ash and Bottom Ash with Minimal Pretreatment

La gestion des cendres d'incinération des déchets solides municipaux (CIDSM), en particulier les cendres volantes (CV) et les cendres résiduelles (CR), présente des défis importants en raison des limites d'élimination des décharges et des risques pour l'environnement. Cette étude examine la possibilité de valoriser les MSWIA en tant que matériau électroactif en évaluant leur réponse électrique. La recherche a consisté à caractériser les CDISM-CV et CDISM-CR en utilisant la spectroscopie d'émission optique à plasma inductif et l'analyse par activation neutronique (AAN) pour la composition élémentaire, la microscopie électronique à balayage couplée à la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (MEB-SDE) pour l'analyse morphologique et chimique, et l'évaluation de l'énergie de surface par la méthode de la remontée capillaire de Washburn (RCW) et les mesures de l'angle de contact. Les CIDSM-CV et CDISM-CR présentent une alcalinité élevée. En outre, la nature hydrophile de CDISM-CV et de CDISM-CR, confirmée par l'analyse de l'énergie de surface, est cruciale pour le traitement dans des systèmes aqueux. L’analyse morphologique par MEB a révélé une structure de surface hétérogène qui peut influencer le comportement de transport des charges. Les propriétés électriques des CIDSM-CV et CDISM-CR ont été examinées par des mesures courant-tension (I-V) et potentiostatiques (courant-temps, I-t) dans des conditions ambiantes et atmosphériques contrôlées, sur une plage de températures allant de 295 K à 360 K. L'analyse élémentaire a confirmé la présence de métaux et de carbone, contribuant aux propriétés électriques observées. Cette étude suggère plusieurs pistes de recherche pour l'avenir, notamment le perfectionnement des techniques de traitement pour améliorer l'uniformité du matériau et sa conductivité, l'exploration d'applications pratiques telles que les revêtements conducteurs et les dispositifs de stockage d'énergie, et la réalisation d'une analyse comparative plus poussée avec les matériaux électroactifs conventionnels pour établir des repères de performance.

Abstract

The management of Municipal Solid Waste Incineration Ash (MSWIA), including Fly Ash (FA) and Bottom Ash (BA), presents significant challenges due to landfill disposal limitations and environmental hazards. This study investigates the possibility of valorizing MSWIA as an electroactive material by evaluating its electrical response. The research involved the chemical characterization of MSWI-FA and MSWI-BA using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) and neutron activation analysis (NAA) for elemental composition, scanning electron microscopy coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) for morphological and chemical analyses, and surface energy assessment via the Washburn capillary rise (WCR) method and contact angle measurements. MSWI-FA and MSWI-BA exhibited high alkalinity. SEM-EDS revealed a heterogeneous structure that could influence charge transport behavior. The electrical properties of MSWI-FA and MSWI-BA were examined through current-voltage (I- V) and potentiostatic measurements under both ambient and controlled atmospheric conditions over a temperature range of 295 K to 360 K. Elemental analysis confirmed the presence of metals, and carbon, contributing to the observed electrical properties. The hydrophilic nature of MSWI-FA and MSWI-BA, as confirmed by surface energy analysis, is crucial for processing in aqueous-based systems. This study suggests several avenues for future investigation, including improved processing techniques to enhance material uniformity and conductivity, exploration of practical applications such as conductive coatings and energy storage devices, and further comparative analysis with conventional electroactive materials to establish performance benchmarks. In perspective, this research demonstrates a novel approach to repurposing MSWI-FA and MSWI-BA as valuable electroactive materials, promoting sustainability and advancing circular economy principles.