Развитая промышленность — это, к
сожалению, не только удобство для человека, но и серьёзное загрязнение
окружающей среды.
Так, производство одного из самых массовых
промышленных материалов в мире, традиционного портландцемента, сопряжено с
колоссальными выбросами углекислого газа: на его долю приходится около 7–8 %
глобальных антропогенных CO₂-выбросов,
вызывающих изменение климата. Производство одной тонны портландцемента связано
с эмиссией в атмосферу примерно 0,8-0,9 тонны углекислого газа.
Причём большая часть этих выбросов обусловлена не
сжиганием топлива, а самой химией процесса — разложением известняка при высоких
температурах. Везде, где работают тепловые электростанции, образуется так
называемая зола уноса — мелкодисперсный минеральный остаток от сжигания угля.
Она состоит преимущественно из кремнезёма (SiO₂), глинозема (Al₂O₃), оксида железа (Fe₂O₃) и в меньшей части —
извести (CaO). В России на угольных теплостанциях ежегодно образуется
около 20 млн т золошлаковых отходов, в то время как уровень их потребления не
превышает 10 %. В результате они складируются, занимая значительные площади и
загрязняя окружающую среду. А в регионах, где развита металлургия,
накапливаются сотни миллионов тонн техногенных отходов, включая медно-никелевые
шлаки, которые содержат остаточные количества тяжёлых металлов (меди, никеля,
хрома) и также создают экологические риски.
Исследователи из Института химии и технологии редких
элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН
использовали золу уноса и медно-никелевые шлаки для создания альтернативы
портландцементу. Статья об этом вышла в международном научном журнале Minerals.
Изображения прекурсоров, полученные с
помощью сканирующего электронного микроскопа. а: CNS-0 (100 % золы уноса), b:
CNS-100 (100 % шлака)
Исследователи опирались на концепцию
щелочно-активированных вяжущих — класса неорганических полимеров, формирующихся
при взаимодействии алюмосиликатного сырья с щелочным агентом (раствор
гидроксида натрия или жидкое стекло). Такие материалы не требуют обжига при
высоких температурах и могут быть получены из промышленных отходов. Ранние
работы уже показали, что смешение различных отходов (например, шлаков цветной
металлургии и золы) может давать эффект усиления свойств. Однако применительно
к медно-никелевому шлаку такие исследования не проводились. Учёные из Апатитов
решили проверить, можно ли добиться результата для системы «медно-никелевые
шлаки плюс зола уноса».
Для эксперимента использовали отходы базирующихся в
Мурманской области предприятий: гранулированный медно-никелевый шлак Кольской
горнометаллургической компании и золу Апатитской ТЭЦ. В качестве щелочного
агента применяли жидкое стекло.
Перед смешиванием оба компонента подвергали
механической активации в планетарной мельнице — процессу, повышающему
реакционную способность сырья за счёт измельчения и частичного нарушения
структуры. Затем готовили смеси с содержанием шлака от 0 до 100 % с шагом 20 %,
добавляли жидкое стекло и формировали образцы, которые твердели при 22 °C и влажности
95 % в течение 28 суток.
Карты распределения элементов,
полученные для образца AACNS-80 (80% шлака, 20% золы уноса). 1 —
непрореагировавшие или частично прореагировавшие частицы золы-уноса; 2 —
полости, образованные воздухом, попавшим в пасту; 3 — трещины и пустоты; 4 —
гель; 5 — непрореагировавшие или частично прореагировавшие частицы шлака
Наиболее впечатляющий результат продемонстрировал
состав из 80 % шлака и 20 % золы (его назвали AACNS-80). Его прочность на
сжатие достигла 99,9 МПа — почти вдвое выше, чем у чисто зольного (56,9 МПа) и
значительно выше, чем у чисто шлакового (67,4 МПа) аналогов. Это явное
проявление синергетического эффекта: комбинация даёт больше, чем сумма частей.
Анализы (термогравиметрия, ИК-спектроскопия,
рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия) показали, что в
AACNS-80 формируется более плотная, однородная и менее пористая микроструктура,
а в состав связующего геля эффективно включаются магний и железо из шлака, что
предположительно придаёт ему дополнительную прочность.
Преимущества композиционного вяжущего очевидны. Его
применение позволяет обеспечить прочность, сравнимую с лучшими марками бетона.
При производстве утилизируются два вида промышленных отходов. Отсутствие
высокотемпературного обжига приводит к резкому снижению CO₂-следа. Свойства
позволяют рекомендовать этот материал для применения в строительстве, а также
для закладки выработанных пространств в рудниках.
Однако технология производства накладывают и
некоторые ограничения: используемая в работе система «порошок плюс жидкий активатор»
требует точного дозирования и пока менее удобна для массового строительства по
сравнению с традиционным цементом или перспективными однокомпонентными
щелочно-активированными материалами («просто добавь воды»). Дальнейших
испытаний требуют долговечность и поведение материала при различных
климатических условиях.
Авторы указывают на необходимость более детального
изучения поровой структуры полученных материалов и уточнения роли магния и
железа в формировании цементирующей матрицы. Предстоят адаптация технологии к
промышленным условиям и разработка рецептур, совместимых с существующими
строительными практиками. Необходимо также введение соответствующей нормативной
документации — ГОСТов (государственных стандартов) и СНиПов (строительных норм
и правил), которые для щёлочно-активированных вяжущих практически не
разработаны.
Тем не менее, уже сейчас ясно: эта технология
открывает реальный путь к циркулярной экономике в строительстве, когда отходы
превращаются в ресурсы, а производство становится частью решения экологических
проблем.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.