• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24.02.2022
КНЦ РАН
1 655

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 / Автор: Sycophanta Duccius

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
Позавчера, 14:03
Александр Березин

В последние годы астрономические наблюдения показали, что уже в самой ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры были слишком массивны, чтобы какие-то известные и понятные механизмы могли «дорастить» их до столь больших размеров. Авторы новой научной работы попробовали решить парадокс, комбинируя разные способы роста этих объектов.

Позавчера, 13:11
Алиса Гаджиева

Почти 60 лет назад в Швейцарии нашли скелеты 20 людей, живших две тысячи лет назад и умерших одновременно. Тогда их посчитали жертвами ритуального убийства. Авторы новой работы заявили, что все было совсем не так.

Позавчера, 11:53
Юлия Трепалина

Эксперимент британских исследователей подтвердил связь между размером бюста у женщин и количеством пота в зоне груди, который выделяется во время тренировок. Зависимость оказалась не такой, как можно было ожидать.

17 июня
Игорь Байдов

Американские военные планируют разработать психостимулятор, действие которого можно активировать в мозге с помощью ближнего ИК-излучения. Такая технология поможет пилотам ВВС США сохранять бдительность во время длительных боевых вылетов. Привыкания или побочных эффектов препарат вызывать не будет.

Позавчера, 13:00
Сколтех

Ученые из Сколтеха, Цзилиньского университета и Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине (HPSTAR), а также их немецкие коллеги синтезировали и исследовали новый тип сверхпроводника с высоким содержанием водорода — супергидрид лантана типа A15 с формулой La4H23. Новый материал обладает сверхпроводимостью при температуре ниже −168 градусов и давлении в 1,2 миллиона атмосфер.

Позавчера, 20:03
Юлия Трепалина

Хотя полезным свойствам кофе посвящено много исследований, ученые продолжают делать открытия по этой теме. Недавняя работа китайских медиков показала, что регулярное употребление бодрящего напитка способно в некоторой мере снизить вероятность смерти при малоподвижном образе жизни.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
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