Ученые нашли новое решение для утилизации золы теплоэлектростанций
Экономичный метод использования золы уноса — тонкодисперсного остатка сгорания топлива ТЭЦ, для изготовления строительных материалов разработали ученые подразделения ФИЦ Кольского научного центра РАН в г. Апатиты и Санкт-Петербургского государственного университета, 24 февраля сообщает научно-популярный портал Naked Science.
Ученые предложили использовать золу уноса в сочетании с природными кальцитом и доломитом для производства геополимеров. Статья с результатами их исследований опубликована в журнале Minerals.
В ней они обосновывают актуальность решаемой задачи тем, что искусственные отложения угольной золы (золы-уноса и зольного остатка), побочного продукта сжигания угля, встречаются на большинстве тепловых электростанций и многих промышленных предприятиях. Общее годовое производство угольной золы во всем мире (в основном летучей золы) составляет от 700 до 800 млн тонн, из которых перерабатывается менее одной трети.
Геополимеры — щелочные цементы, получают при взаимодействии природного или техногенного алюмосиликатного сырья, например, золы ТЭЦ, со щелочью — раствором гидроксида натрия или жидким стеклом. В затвердевшем состоянии структура геополимеров, в основе которого трехмерный алюмосиликатный каркас, похожа на структуру природных минералов — цеолитов.
На основе геополимеров изготавливают геополимерный бетон или цемент, который стал экологически более дружественной и долговечной альтернативой портландцементу. Их долговечность обусловлена химической инертностью. Геополимеры устойчивы в агрессивных средах, не поддаются многим растворителям и термоустойчивы. Поэтому на их основе можно создавать экологически безвредные материалы для пожарной и теплозащиты, очистки сточных вод, матрицы для иммобилизации тяжелых металлов и радиоактивных отходов.
Однако при использовании низкокальциевых зол для изготовления геополимеров их относительно невысокая реакционная способность при взаимодействии со щелочью сильно снижает скорость набора прочности конечного продукта.
Чтобы увеличить скорость реакции используют механоактивацию золы (интенсивную механообработку в мельницах-активаторах) или применяют различные добавки. Ученые из Апатитов исследовали действие одновременного использования добавки к золе карбонатов кальция и магния и механоактивации полученной смеси.
Новый метод дал синергетический эффект — механоактивация смеси золы и кальцита или доломита перед получением геополимеров дала заметно больше для повышения прочности, чем если бы механоактивация золы и введения карбонатной добавки применялись раздельно.
Исследователи сумели с помощью механохимии объяснить полученный эффект: в процессе раскалывания частицы рвутся химические связи, которые удерживали ее как единое целое, и обнажается ювенильная, «свежая» поверхность с большим количеством активных центров. Зола становится более реакционно способной и скорость ее растворения в щелочи значительно возрастает.
Авторы предложили в статье оригинальную методику, которая на основе простых математических соотношений позволяет вычислить вклады в прочность механоактивации, добавки и синергетического эффекта. Ее можно использовать при анализе прочности и сравнительной оценке эффективности различных модифицирующих добавок для геополимеров на основе зол ТЭЦ, а также и других видов сырья, в том числе на основе металлургических шлаков.
