Апатитские ученые предложили новое решение проблемы золы теплоэлектростанций

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.

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.

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.

КНЦ РАН

77 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше