На изобретение получен патент. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Цементные предприятия используют огромное количество энергии и воды, являются источником пыли, токсичных оксидов серы и азота, загрязняющих воздух и почву. Например, один крупный завод производит пять миллионов тонн цемента в год и потребляет при этом до 12 миллионов кубических метров воды ежегодно. Этого объема достаточно для водоснабжения города с населением 100 тысяч человек.
Из-за вреда для экологии и необходимости снижать использование цементных смесей разработали аналог, который можно применять для внутренней отделки. Речь об ангидрите – это природный минерал на основе сульфата кальция, который не содержит воду. В строительстве его изготавливают из гипса и серной кислоты. Чаще всего он применяется как вяжущее в укрепляющей смеси для наливных полов, шпаклевки, штукатурки, заделывания трещин в бетоне. В сравнении с обычным цементом, который твердеет почти месяц, ангидрит застывает за 1-2 дня.
При производстве гипс смешивают с серной кислотой и нагревают до высоких температур. Кислота ускоряет испарение влаги, вся жидкость выходит и остается ангидрит – сухой порошок без молекул воды.
– Главная проблема традиционных методов производства ангидрита — их высокая экологическая и экономическая стоимость. Для получения материала гипс необходимо нагревать до 400–850°C. Это требует огромных энергозатрат (0,55–0,7 киловатт в час на килограмм) и приводит к выбросам углекислого газа. Поскольку гипс содержит примеси, его обработка серной кислотой оставляет токсичные отходы: фосфаты и тяжелые металлы. Они накапливаются в сточных водах и вызывают цветение, а кислотные пары загрязняют воздух и разъедают оборудование для производства ангидрита. Утилизация отходов проблематична — их нужно выпаривать или химически нейтрализовывать, что означает дополнительные энергетические и денежные затраты, – комментирует Виктор Вальцифер, заместитель директора по науке Института технической химии УрО РАН, профессор кафедры «Технологии полимерных материалов и порохов» Пермского Политеха, доктор технических наук.
Ученые Пермского Политеха предложили использовать для производства ангидрита известняк вместо гипса. В отличие от цемента, он не требует высоких температур выпаривания, что уменьшит экологический урон.
– В известных способах нужно накалить гипсосодержащий материал до высоких температур, чтобы он начал испарять воду. У нас эта реакция проходит всего при 110–160°C. Известняк измельчают до одного миллиметра, соединяют с серной кислотой и перемешивают в специальном вращающемся реакторе. В процессе тепло для испарения жидкости выделяет сама реакция между компонентами, поэтому технология не нуждается в нагреве и большом количестве электроэнергии. В итоге наша формула изобретения позволила получить активный ангидрит с содержанием сульфата кальция от 80,1 до 93,8%, что соответствует стандартам, – комментирует Владимир Пойлов, профессор кафедры «Химические технологии» Пермского Политеха, доктор технических наук.
Известняк — это натуральный и чистый материал, в котором почти нет лишних примесей. Он не оставляет осадка, поэтому его не нужно фильтровать. Все сырье полностью перерабатывается, обеспечивая безотходное производство. Процесс происходит в закрытой системе, где все компоненты вступают в реакцию. На выходе получается сухой готовый продукт, не уступающий по свойствам классическому ангидриту на основе гипса. Его можно сразу использовать и никакой дополнительной обработки не требуется.
Способ ученых ПНИПУ позволяет снизить температуру обжига гипса с 850°C до примерно 110°C и сократить энергозатраты на 70–90%. Новая технология успешно протестирована в лабораторных и опытно-промышленных условиях и готова к внедрению в производство. Разработка пригодится в строительной индустрии и химической промышленности.