Иллюстрация предоставлена Ириной Зверевой
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН выяснили, что добавление к золе карбоната кальция и одновременная механическая обработка этой смеси позволяют получать геополимер, пригодный для использования в строительстве. На данный момент это один из наиболее экологичных способов утилизации отходов тепловых электростанций. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Minerals.
В России предприятия угольного энергетического сектора ежегодно вырабатывают около 22 миллионов тонн золошлаковых отходов, а в мире эта величина превышает 800 миллионов тонн ежегодно. Объем твердых отходов угольных теплоэлектростанций (ТЭЦ) в России сегодня оценивается в 1,5−2 миллиарда тонн, при этом он занимает площадь более 20 тысяч кв. км.
Среди возможных вариантов утилизации этих отходов производства — применение их для получения строительных материалов. Высококальциевые золы и шлаки могут применяться в качестве цементов, а низкокальциевые — как заполнители в бетонных смесях. Однако в настоящее время такой утилизации подвергается не более 10% производимых отходов. Одна из причин — косность нашего рынка. Играют свою роль и мифы среди потребителей о неэкологичности и даже вреде продукта. Это не соответствует действительности, ведь технологии по утилизации золы существуют и успешно применяются в мире. Так, в Европе в переработку идет 98% золошлаков, в Японии — 96%, в Китае — 80%. Но ученые не останавливаются на достигнутом и изыскивают новые более экологичные варианты применения золы.
В последние годы ученые ведут работы над технологией использования низкокальциевых зол для синтеза геополимерных материалов. Такие 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.
Ученые СПбГУ и ИХТРЭМС КНЦ РАН впервые изучили влияние одновременно двух факторов на получение геополимеров — добавку 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 данного процесса также исследовали 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.
Дмитрий Иванович Менделеев родился 8 февраля 1834 года. Выдающийся ученый, создавший Периодическую систему химических элементов, автор фундаментальных работ по химии, физике, геологии, метрологии и ряду других наук, жил и работал в стенах Университета. Сегодня на месте его кабинета открыт Музей-архив Д.И. Менделеева СПбГУ.
Термохимические исследования в СПбГУ, а также 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 имени И.В. Тананаева профессор Александр Калинкин.
Нельзя не сказать и о том, что кальцит — один из самых доступных минералов, повсеместно встречающийся в виде известняков, мела, мрамора, ракушечников, которые покрывают десятки миллионов кв. км земной поверхности. Таким образом, его применение в составе геополимеров может доступно и дешево улучшить экологическую ситуацию на объектах ТЭЦ, позволяя не только утилизировать зольные продукты, но и получать полезный материал.
В статье показано, что 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.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
