Везде, где работают тепловые электростанции, образуется так называемая зола уноса — мелкодисперсный минеральный остаток от сжигания угля. Она состоит преимущественно из кремнезёма (SiO2), глинозёма (Al2O3), оксида железа (Fe2O3) и в меньшем количестве — извести. 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 цветная металлургия, накапливаются сотни миллионов тонн плавильных шлаков, включая медно-никелевые, которые содержат остаточные количества тяжёлых металлов (меди, никеля, хрома) и также создают экологические риски.
Сотрудники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева Кольского научного центра РАН предложили золу уноса и медно-никелевые шлаки в каче-стве альтернативы цементу.
Исследователи обратились к идее щёлочно-активированных вяжущих — класса неорганических полимеров, формирующихся при взаимодействии алюмосиликатного сырья со щелочным агентом (раствором гидроксида натрия или жидким стеклом). Такие материалы не требуют обжига при высоких температурах и могут быть получены из промышленных отходов. Ранние работы (других авторов) уже показали, что смешение различных отходов может давать эффект усиления свойств. Однако применительно к медно-никелевому шлаку такие исследования не проводились.
Для экспериментов использовали отходы базирующихся в Мурманской области предприятий: гранулированный медно-никелевый шлак Кольской горно-металлургической компании и золу Апатитской ТЭЦ. В качестве щелочного агента взяли жидкое стекло. Перед смешиванием оба компонента подвергали механической активации в планетарной мельнице — такая обработка повышает 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.
Наиболее впечатляющий результат продемонстрировал состав, содержащий 80% шлака и 20% золы, получивший название AACNS-80. Его прочность на сжатие достигла 99,9 МПа, что значительно превосходит показатель систем с одним предшественником: почти вдвое выше, чем у чисто зольного (56,9 МПа), и значительно больше, чем у чисто шлакового (67,4 МПа) аналога.
Инструментальные исследования (термогравиметрия, ИК-спектроскопия, рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия) показали, что в AACNS-80 формируется более плотная, однородная и менее пористая микроструктура, чем в связующих, изготовленных из 100% золы или 100% плавильного шлака. Повышение прочности материала объясняют оптимальным распределением частиц по размерам, что снижает потребность в воде и приводит к более плотной матрице. Кроме того, совместное растворение исходных веществ при таком специфическом соотношении способствует более интенсивному гелеобразованию. Помимо прочего в состав связующего геля эффективно включаются магний и железо из шлака, что также, как полагают, придаёт ему дополнительную прочность.
Оптимизированная смесь AACNS-80, как считают исследователи, может быть полезна для сборных элементов и ремонтных растворов, где возможно контролируемое перемешивание.
Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Mine-rals.
