Строительный материал из золы: химики создали экологичный метод утилизации отходов с тепловых электростанций
В России предприятия угольного энергетического сектора ежегодно вырабатывают около 22 млн тонн золошлаковых отходов, а в мире эта величина превышает 800 млн тонн ежегодно. Объем твердых отходов угольных теплоэлектростанций (ТЭЦ) в России сегодня оценивается в 1,5-2 млрд тонн, при этом он занимает площадь более 20 тыс. квадратных километров.
Высококальциевые золы и шлаки могут быть использованы в качестве цементов, а низкокальциевые – как заполнители в бетонных смесях. Однако в настоящее время подобной утилизации подвергается не более 10% производимых отходов. В этом свою роль играет некоторая консервативность рынка, а также существующие среди потребителей мифы о неэкологичности и даже вреде продукта.
Однако, как отмечают ученые, такое мнение не соответствует действительности, поскольку технологии по утилизации золы давно и успешно применяются в мире. Так, в Европе в переработку идет 98% золошлаков, в Японии — 96%, в Китае — 80%. Но специалисты отрасли по всему миру продолжают искать новые более экологичные варианты применения золы.
В последние годы ведутся работы над технологией использования низкокальциевых зол для синтеза геополимерных материалов. Эти материалы получают при взаимодействии природного и техногенного алюмосиликатного сырья, в том числе золы ТЭЦ, со щелочным агентом – раствором гидроксида натрия или жидким стеклом.
Геополимеры рассматриваются в качестве экологически более выгодной альтернативы, по сравнению с традиционным цементом, поскольку могут выступать в роли более эффективных и долговечных стройматериалов, например, цемента и бетона. Кроме того, геополимеры обладают комплексом ценных физико-химических свойств, что позволяет создавать на их основе материалы для огне- и теплозащиты, очистки сточных вод, а также матрицы для захоронения радиоактивных отходов.
Однако, по словам химиков, этот метод имеет недостаток: не все золы при взаимодействии со щелочным агентом дают материалы необходимого качества. Для решения этой проблемы исследователи применяют интенсивную механообработку в мельницах-активаторах, либо используют различные добавки. При этом на данный момент до конца не известно, как именно те или иные добавки влияют на процессы, протекающие при получении геополимеров.
Уникальное решение проблемы: обработка золы с минералами в мельнице
Ученые СПбГУ и ИХТРЭМС КНЦ РАН впервые изучили влияние одновременно двух факторов на получение геополимеров – добавки к золе карбонатных минералов и механоактивацию, то есть обработку полученной смеси в мельнице.
«Наши исследования показали, что если в качестве добавки взять карбонат кальция СаСО3 (кальцит), то проявляется так называемый синергетический эффект. Другими словами, механическая обработка смеси золы и кальцита перед получением геополимеров повышает прочность намного больше, чем суммарный вклад механической обработки золы и введения карбонатной добавки, примененных раздельно», — рассказала автор исследования, профессор кафедры химической термодинамики и кинетики СПбГУ Ирина Зверева.
По ее словам, это можно сравнить с тем, как в древние времена люди при постройке жилищ стали комбинировать глину и тростник. Армированные тростником глиняные стены оказались гораздо прочнее и эффективнее, чем стены, построенные только из глины и тем более – только из тростника.
Для лучшего понимания процесса было исследовано еще и влияние добавок к золе карбонатов других металлов – магния, стронция и бария – соседей кальция в периодической системе знаменитого универсанта Дмитрия Менделеева, 190-летие со дня рождения которого отмечают в 2024 году.
Термохимические исследования, как и проведенные впоследствии эксперименты, показали, что важную роль играет способность карбоната реагировать со щелочным агентом – раствором гидроксида натрия. Так, карбонат магния взаимодействует со щелочью наиболее активно, а карбонаты стронция и бария практически инертны. Кальцит занимает промежуточное положение, которое обеспечивает геополимерам наибольшую эффективность.
«Совместная механообработка в мельнице золы и кальцита приводит не просто к их смешению и уменьшению размеров частиц. При раскалывании частицы рвутся химические связи, удерживающие ее как единое целое, и обнажается "свежая" поверхность, богатая активными центрами. В результате зола становится более реакционноспособной и интенсивнее растворяется в щелочи. По сравнению с золой более устойчивый к щелочи, кальцит после совместной с золой механообработки в мельнице также повышает свою активность. Механоактивированный кальцит частично растворяется в щелочи и при этом в некоторой степени трансформируется в два новообразованных вещества – известь (гидроксид кальция) и ватерит. Известно, что поверхности только что образованных веществ также богаты активными центрами. Все эти центры – наведенные механохимически у кальцита и "новорожденные" у извести и ватерита – играют важную роль в обнаруженном синергетическом эффекте», – рассказал руководитель отдела технологии силикатных материалов Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева профессор Александр Калинкин.
Карбонаты стронция и бария хотя и не повышают значительно прочность геополимеров, как карбонат кальция, но надежно встраиваются в геополимерную матрицу, укрепляя ее. Как отметили ученые СПбГУ и ИХТРЭМС, эти данные представляют интерес для иммобилизации в составе геополимеров радиоактивного стронция-90 в форме карбоната. Карбонат бария хорошо поглощает рентгеновские и гамма-лучи, поэтому содержащие его геополимеры могут найти применение как материалы для защиты от радиации.
Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Minerals.