• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24 февраля
КНЦ РАН
1 321

Апатитские ученые предложили новое решение проблемы золы теплоэлектростанций

4.6

Зола уноса - это один из наиболее распространенных видов отходов тепловых электростанций. В России ее почти не перерабатывают. Запасы золы на площадках для хранения отходов загрязняют атмосферу, грунтовые воды и почву. Апатитские ученые нашли способ создания строительных материалов на основе золы уноса и рассчитали, какие недорогие местные добавки улучшат их свойства.

Апатитские ученые предлагают новое решение проблемы золы теплоэлектростанций / ©Getty images

На территории России и всего бывшего СССР существует серьезная проблема: склады золы уноса и шлаков возле тепловых электростанций. Зола уноса (или летучая зола) – это тонкодисперсный остаток минеральных примесей, оставшихся после сжигания топлива. Этот остаток, взвешенный в дымовом газе, загрязняет атмосферу и подобно наждачной бумаге истирает изнутри дымоходы и трубы котельных.

Огромные массы золы и шлаков, складируемых возле ТЭЦ в непосредственной близости от городов, выключают из хозяйственного оборота большие участки земель, а выщелачиваемые из нее соли тяжелых металлов загрязняют грунтовые воды и почву. В нашей стране объем золошлаковых отходов оценивается в 1,5-2 миллиарда тонн. Таким образом, в результате деятельности предприятий угольной энергетики сформировались искусственные и совсем не безопасные для окружающей среды месторождения зол и шлаков, которые непрерывно пополняются.

Общее годовое производство золы уноса в мире достигает 700-800 миллионов тонн. В странах Европы около 43 процентов золы используют для производства строительных материалов, в то время как в России доля перерабатываемой золы составляет не более пяти процентов. Огромные затраты требуются и для простого складирования золы. В стоимости электроэнергии и тепла, производимых ТЭЦ, заложены десятки процентов, уходящие на обслуживание золоотвала и мокрую транспортировку золы. Существующие на рынке предложения по утилизации золы зачастую не учитывают технологических возможностей производителя, не отличаются комплексностью и «упираются» в довольно узкую сферу применения – бетонные и штукатурные растворы.

График – Термогравиметрические (ТГ) кривые геополимеров на основе смеси: 1 — (99 % FA + 1 % доломита), размолотой в течение 30 с (GFA1D30), 2 — (90 % FA + 10 % доломита), размолотой в течение 30 с (GFA10D30), 3 — смесь (90 % FA + 10 % доломита), измельченная в течение 180 с (GFA10D180). Время отверждения для всех геополимеров составило 360 дней. На вставке показана зависимость прочности геополимеров на сжатие от потери массы геополимеров в диапазоне температур 120–500 °C (заштрихованная область) / ©Пресс-служба Кольского научного центра

Апатитские ученые предложили использовать золу уноса в сочетании с природными кальцитом и доломитом для производства геополимеров. Статья об этом опубликована в международном журнале Minerals. Геополимеры, или щелочные цементы, получают при взаимодействии природного и техногенного алюмосиликатного сырья, например, золы ТЭЦ, со щелочным агентом – раствором гидроксида натрия или жидким стеклом. Свое название они получили потому, что в затвердевшем состоянии их структура, основанная на трехмерном алюмосиликатном каркасе, напоминает структуру природных минералов — цеолитов.

Их рассматривают в качестве более экологически дружественной альтернативы традиционному портландцементу, а также как эффективные и долговечные цементы и бетоны. Кроме того, эти материалы химически инертны, устойчивы в агрессивных средах и не поддаются многим растворителям или экстремальным температурам, а значит, на их основе можно создавать экологически чистые материалы для пожарной и теплозащиты, очистки сточных вод, матрицы для иммобилизации тяжелых металлов и радиоактивных отходов.

Производству и использованию геополимеров еще нет пятидесяти лет, однако в современных условиях бурного научно-технического роста это довольно большой срок для того, чтобы свойства и методики производства были достаточно хорошо изучены. Последние двадцать лет ученые интенсивно исследуют применение золы уноса для получения геополимерных материалов. Недостаток низкокальциевых зол — их относительно невысокая реакционная способность при взаимодействии со щелочью, что негативно сказывается на скорости набора прочности конечного продукта.

Для устранения этого недостатка применяют механоактивацию золы (интенсивную механообработку в мельницах-активаторах) или вводят в золу различные добавки. Положительное влияние механоактивации золы или добавки к ней карбонатов на прочность уже было описано в литературе, а вот влияние одновременно двух факторов на получение геополимеров — добавки к золе карбонатов кальция и магния и механоактивации этой смеси — апатитскими химиками изучено впервые.

Геополимеры, отвержденные в течение 360 дней: GFA10D180 (а), GFA10D30 (б) и GFA1D30 (в) / ©Пресс-служба Кольского научного центра

Что же дало объединение двух этих подходов? Исследования показали, что в этом случае проявляется так называемый синергетический эффект. Другими словами, механоактивация смеси золы и кальцита или доломита перед получением геополимеров дает для повышения прочности заметно больше, чем суммарный вклад механоактивации золы и введения карбонатной добавки, примененных раздельно. Хрестоматийный пример применения синергетического эффекта — прообраз современного железобетона. Еще в древние времена люди догадались при постройке жилищ комбинировать глину и тростник. Армированные тростником глиняные стены гораздо прочнее и эффективнее, чем стены просто из глины или, тем более, из тростника.

Обнаружение нового эффекта — это, безусловно, интересный результат. Но гораздо интереснее и важнее объяснить, чем он обусловлен. Сделать это удалось с помощью механохимии — науки о протекании химических процессов под воздействием механических сил. 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 ювенильная, то есть «свежая» поверхность, богатая активными центрами. В результате зола становится более реакционно способной и интенсивнее растворяется в щелочи.

Активность кальцита и доломита после совместной с золой механообработки в мельнице также возрастает. При этом карбонатные минералы за счет частичного растворения повышают выделение алюминия и кремния из золы. Это увеличивает вяжущие свойства геополимера. Растворение золы в щелочи — необходимый, но не единственный этап. Кремний и алюминий, перешедшие в раствор, должны сшиться в прочный каркас — конечный продукт реакции геополимеризации. Ускорителями этой сшивки как раз являются активные центры на поверхности кальцита и доломита.

Как показали исследования, для геополимеров, приготовленных с использованием смеси золы с 10 процентами доломита (из месторождения Титан в Апатитском районе), твердевших в течение семи суток, прочность была в 8,2, 2,3 и 1,4 раза выше, чем у приготовленных с использованием чистой золы при времени механоактивации 30 с, 180 с и 400 с соответственно. С точки зрения прочности геополимеров добавка кальцита еще более эффективна по сравнению с доломитом, что связано с повышенным содержанием в нем кальция, хотя с ростом содержания добавки разница в прочности снижается.

Надо сказать, что в литературе механизмы влияния добавок на процессы, протекающие при получении геополимеров, изучены лишь в незначительной степени. Это препятствует целенаправленному выбору добавок и прогнозированию свойств геополимеров, синтезируемых с их использованием. Авторы статьи предложили оригинальную методику, позволяющую на основе простых математических соотношений определить вклады в прочность механоактивации, добавки и синергетического эффекта. Методику можно применять для анализа прочности и сравнительной оценки эффективности различных модифицирующих добавок для геополимеров на основе зол ТЭЦ и других видов сырья, например, на основе металлургических шлаков.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
14 мая
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

10 часов назад
Мария Азарова

Польские исследователи впервые продемонстрировали, как три чистых нитрофенола — или их смесь, образующаяся в том числе при приготовлении шашлыка — влияют на клетки легких человека.

6 часов назад
Сергей Васильев

Биологи впервые смогли использовать метод генной модификации CRISPR для насекомых. Испытывая новый подход, они создали новые линии ГМ-жуков и тараканов.

14 мая
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

12 мая
Мария Азарова

Авторы нового исследования проверяли, насколько выполнение второстепенного задания влияет на аргументы, которые выдвигали люди, говорящие правду или неправду.

13 мая
Алиса Гаджиева

Один из самых археологически изученных ландшафтов в мире до сих преподносит сюрпризы.

21 апреля
Александр Березин

Местные чиновники пытаются переложить ответственность за случившееся на резкое уменьшение турпотока из-за коронавируса, но цифры показывают, что ключевая проблема совсем в другом. В 2019 году на выборах в этой стране победил президент — сторонник модных зеленых идей. Вскоре там запретили продажу минеральных удобрений и двинулись к «устойчивому сельскому хозяйству». Как именно популярные «органические» идеи повлияли на еще не так давно быстро растущую местную экономику? И почему уроки шри-ланкийской трагедии могут пригодиться даже Западу и России?

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: