Gli obiettivi fondamentali nello sviluppo dell'Eco-cemento sono stati:

1. Sostituire almeno il 50% delle materie prime con ceneri da inceneritore urbano o altri rifiuti come per esempio i fanghi fognari.

2. Il cemento prodotto deve essere destinato ad impieghi generalizzati.

3. Il processo di produzione ed il relativo prodotto debbono essere entrambi environment-friendly("amici dell'ambiente").

4. L'intero processo deve diventare un sistema di riciclo completo.

Le ceneri dei rifiuti urbani contengono in generale un'elevata quantità di cloruri (pericolose per la corrosione dei ferri di armatura) e piccole quantità di sostanze tossiche, come diossine e metalli pesanti dannosi per l'ambiente. Perciò la decomposizione, la rimozione o l'incapsulamento di queste sostanze è la chiave per il successo del progetto dell'Eco-cemento. Inoltre, il processo produttivo deve soddisfare gli standard più rigorosi per le emissioni gassose eliminando NO_x, SO_x, HCl, diossine e qualsiasi altro componente volatile tossico. Il prodotto Eco-cemento deve essere sicuro in servizio: per esempio, non debbono essere rilasciate sostanze tossiche per dilavamento da pioggia del calcestruzzo. Così pure deve essere esclusa qualsiasi altra fonte secondaria di inquinamento.
Lo sviluppo dell'Eco-cemento in Giappone ha coinvolto la NEDO (New Energy Development Organization) un'organizzazione del Ministero del Commercio e dell'Industria. La ricerca è stata affidata alla fondazione Clean Japan Center con la quale collaborano tre compagnie private: Taiheyo Cement (ex Chichibu Onoda Cement) leader del progetto, Ebara ed Aso Cement. Attualmente nella società Taiheyo Cement è operativo un impianto pilota per produrre 50 Tonn/giorno. Nel frattempo dalle locali autorità governative sono stati approvati due impianti industriali che attualmente sono in fase di progetto: in uno si produrranno 200.000 Tonn/anno di Eco-cemento (dove si consumeranno 130.000 Tonn/anno di ceneri da inceneritore); nel secondo impianto si produrranno 95.000 Tonn/anno di Eco-cemento con 90.000 Tonn/anno di ceneri da inceneritore.
In questa prima parte dell'articolo sono descritte le materie prime ed i processi per produrre l'Eco-cemento come anche le tecniche di recupero dei metalli pesanti. In un prossimo numero di Enco Journal verranno descritte le prestazioni e le applicazioni di questo cemento.

La Tabella 1 mostra una tipica composizione di cenere da rifiuti urbani in Giappone.
Utilizzando circa il 50% di cenere delle materie prime, la composizione del cemento risulta arricchita in Cl, Na₂O, K₂O, P₂O₅ ed Al₂O₃. 
Conseguentemente sono stati previsti due tipi di Eco-cemento: un cemento di tipo portland ed un cemento del tipo a rapido indurimento.
La Tabella 2 mostra una tipica composizione delle materie prime per produrre l'Eco-cemento in forma di cemento portland o di cemento a rapido indurimento.

Questo Eco-cemento (Tabella 3) è basato sullo stesso clinker del cemento portland normale (NPC) e contiene C₃S, C₂S, C₃A e C₄AF (4). I cloruri della cenere volatilizzano con gran parte degli alcali nel processo di clinkerizzazione (nel seguito descritto in dettaglio) e nel cemento non rimane più dello 0.1% di cloruri. Per l'elevato tenore di Al₂O₃ (10-20%) proveniente dalla cenere, l'Eco-cemento contiene un maggior contenuto di C₃A. Pertanto per bilanciare questo parametro si aggiunge un po' di Fe₂O₃ al fine di aumentare il tenore di C₄AF a spese del C₃A. Anche il contenuto di solfato di calcio come regolatore presa è maggiore (7-8%) di quello richiesto per l'NPC (3-4%). Nell'insieme questo Eco-cemento ed il cemento portland normale (NPC) presentano caratteristiche molto simili.

Nel cosiddetto Jet cement, cemento a rapido indurimento, le elevate prestazioni meccaniche alle brevissime stagionature sono dovute alla formazione di un fluoro-alluminato di calcio (C₁₁A₇·CaF₂). Nell'Eco-cemento di tipo a rapido indurimento si sfrutta la presenza del cloruro in eccesso nella cenere per favorire nel clinker la formazione di un cloro-alluminato di calcio (C₁₁A₇·CaCl₂) con prestazioni simili a quelle del fluoro-alluminato presente nel Jet Cement.
Il processo di clinkerizzazione - lo stesso utilizzato per l'Eco-cemento portland - è governato in modo che rimanga un eccesso di cloruro rispetto agli alcali (Tabella 3). Questo cloruro (1%) alimenta la formazione di cloro alluminato: è sufficiente 1% di Cl per ottenere 17% di C₁₁A₇·CaCl₂ (Tabella 3).
L'Eco-cemento di tipo portland e quello a rapido indurimento sono prodotti nella stessa linea produttiva: controllando la composizione delle materie prime (Tabella 4) si arriva a governare la composizione mineralogica dei cementi (Tabella 3).

La Fig. 1 mostra schematicamente il processo produttivo il quale include:

• preparazione della farina
• clinkerizzazione
• macinazione
• recupero dei metalli.

Poiché la produzione di Eco-cemento si basa sull'impiego di scorie occorre maggiore cura nella composizione di questi rifiuti rispetto all'NPC che si basa sull'impiego di materie prime naturali.

1. Poiché la composizione della cenere da inceneritore può presentare delle significative differenze a seconda dei Comuni di provenienza, occorre prevedere un sistema di mescolamento delle varie ceneri. Questo deve essere equipaggiato con miscelatori delle ceneri, con analizzatori a fluorescenza di raggi X per controllare le fluttuazioni di composizione della cenere e per compensarle con aggiunta di calcare, argilla ed altre materie prime (Fe₂O₃, Al₂O₃).
2. Gli alcali (Na e K) ed altri metalli (come Pb, Zn, Cu, Cd, As ed Hg) volatilizzano in forma di cloruri nel forno di cottura. Perciò il contenuto di alcali e metalli pesanti da una parte, e quello di cloruro dall'altra, debbono essere accuratamente tenuti sotto controllo per favorire la volatilizzazione dei cloruri alcalini e metallici durante il processo di clinkerizzazione.

Per l'Eco-cemento di tipo portland occorre che il tenore di cloruro sia equivalente alla quantità di alcali e dei metalli pesanti e che tutto (o quasi) il cloruro volatilizzi. Se il contenuto di alcali e di metalli fosse insufficiente rispetto al cloruro, si aggiunge Na₂CO₃ per fare evaporare l'eccesso di cloruro sotto forma di NaCl.
Per l'Eco-cemento del tipo a rapido indurimento, invece, è necessario che ci sia una certa quantità (circa 1%) di cloruro in eccesso rispetto agli alcali ed ai metalli, per consentire la formazione del cloro-alluminato (circa 17% di C₁₁A₇·CaCl₂) necessario alle prestazioni di rapido indurimento di questo cemento. Occorre pertanto mantenere costante la quantità di Al₂O₃ e di cloruro. Quest'ultimo, se fosse insufficiente rispetto agli alcali ed ai metalli pesanti, può essere aumentato con aggiunte di CaCl₂.

A causa dell'effetto mineralizzante del cloruro nella farina, la temperatura di cottura nel forno è più bassa (1350 °C contro 1450 °C) per la produzione di Eco-cemento (in entrambe le versioni) che non per quella dell'NPC.
Le diossine, solitamente presenti nelle ceneri, sono completamente decomposte nel forno a temperatura sopra 800 °C. Il gas esausto che esce dal forno, tuttavia, deve essere prontamente raffreddato al di sotto di 250 °C in una torre di raffreddamento (Fig. 1) per prevenire la riformazione delle diossine che diventa possibile a 250-300 °C.
I metalli pesanti (Pb, Zn, Cu e Cd) come anche gli alcali (Na, K) volatilizzano in forma di cloruri ad una temperatura tra 800 °C e 1300 °C. Quindi condensano e precipitano in forma di polvere al di sotto di 1000 °C. Pertanto il preriscaldamento della sospensione non è raccomandato per l'Eco-cemento perché la condensazione dei cloruri potrebbe provocare l'intasamento delle polveri nei cicloni.
I cloruri volatili, trascinati nella corrente del gas esausto e raffreddati nella torre di raffreddamento e nel ciclone separatore, sono infine raccolti nel filtro a sacco (Fig. 1). La polvere raccolta viene inserita nel processo di recupero dei metalli (Fig. 2). Il gas esausto residuo è in parte emesso come CO2 ed H2O ed in parte recuperato come polvere riciclata verso la farina che alimenta il forno (Fig. 1).
Nella Fig. 3 è mostrato il bilancio di massa del processo produttivo in termini di flussi (Tonn/ora) e di quantità richieste o sottoprodotte per 100 Kg di Eco-cemento.

Per la produzione di Eco-cemento di tipo portland, il clinker ed il gesso sono macinati ad una finezza che può arrivare a 4000 cm2/g. Il gesso si disidrata ad emidrato per la temperatura che si raggiunge nella macinazione, e questo aiuta la regolazione della presa di un cemento ricco in C₃A (Tabella 2). Per lo stesso motivo il tenore di SO₃ è di 3.5-4.0%, un po' più alto di quello presente nell'NPC (Tabella 3).
Per la versione di Eco-cemento a rapido indurimento, il clinker con l'aggiunta di 1% di Na₂SO₄ è macinato in assenza di gesso, ad una finezza fino a 4.500 cm²/g. Quindi al clinker macinato si aggiunge anidrite (CaSO₄) macinata separatamente a 7.000 cm²/g e si miscela in modo che il rapporto molare Al₂O₃/SO₃ nel cemento sia compreso tra 1 e 1.2.
La funzione dell'Na₂SO₄ è quella di controllare la presa del cemento a rapido indurimento, mentre l'anidrite è necessaria per poter formare (dopo aver reagito con il C₁₁A₇·CaCl₂) l'ettringite e mantenere costante lo sviluppo delle resistenze meccaniche.

Nelle ceneri dei rifiuti urbani sono solitamente contenute piccole quantità di metalli pesanti (Tabella 1). Tra questi, il cromo e lo zinco vengono incorporati nei minerali del clinker, mentre piombo, rame, cadmio ed altri metalli pesanti volatilizzano come cloruri e vengono alla fine catturati come polvere dal filtro a sacco (Fig.1) ed inviati al processo di recupero dei metalli (Fig. 2). In questo processo la polvere è mescolata con acqua. Il fango che si produce è trattato con acido solforico per far precipitare i solfati di metalli insolubili (come PbSO₄). Dopo aver rimosso il precipitato di PbSO₄ dal liquido, si aggiungono idrossido di sodio e bisolfuro di sodio, e si controlla il pH ed il potenziale di ossido-riduzione. I solfuri di rame e di cadmio che precipitano vengono separati dal liquido. Il solfato di piombo ed i solfuri di rame e cadmio, che per composizione sono paragonabili a minerali naturali (5), vengono quindi inviati ad un processo per il recupero dei metalli.

1. H. Uchikawa, Management strategy of cement industry in technology toward the next century, Advances in Cement and Concrete, Proceedings of the Engineering Foundation Conference, 524-561 (1994)
2. H. Obana, T. Anzai, T. Fukunaga, ECO-CEMENT recycled urban garbage and waste materials. Proceedings of the International Symposium on Environmental Issuas of Ceramics, 63-67 (1995).
3. H. Uchikawa, H. Obana, Ecocement-Frontier of recycling of urban composite waste, World Cement, 33-36 (1995).
4. H.F.W. Talor, The Chemistry of Cements, Academic press, 1-24 (1964).
5. T. Anzai, H. Obana, C. Izumiya, M. Abumiya, Ecocement which is used waste and the recycling of the heavy metals. Journal of the Mining and Materials. Processing Institute of Japan, 113, 126-130 (1997).