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.
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.
