Геополимеры из золы ТЭЦ: как отходы превращают в прочный строительный материал

Давайте начистоту: только в России угольные электростанции ежегодно производят около 22 миллионов тонн золы и шлаков. В мировом масштабе цифра и вовсе астрономическая — свыше 800 миллионов тонн! У нас эти отходы уже скопились в объёме до 2 миллиардов тонн, занимая территорию, сравнимую с небольшим государством. Просто представьте эти бескрайние серые поля.

Часть этих отходов, так называемые высококальциевые золы, теоретически могут заменить цемент. Другие, низкокальциевые, годились бы как наполнитель для бетона. Но реальность печальна: в переработку уходит не больше 10%. Почему? Рынок строительных материалов консервативен, а среди потребителей живучи мифы о «вредности» и ненадёжности продуктов из золы. Но, скажите, разве логично игнорировать то, что уже успешно работает в других странах?

Учёные лишь разводят руками: в Европе перерабатывают 98% золошлаков, в Японии — 96%, в Китае — 80%. Мир давно использует эти технологии. Однако поиск ещё более эффективных и «зелёных» методов не останавливается. Один из самых перспективных — создание геополимеров на основе той самой низкокальциевой золы.

Если не вдаваться в сложную химию, то геополимер — это материал, который получают, смешивая алюмосиликатное сырьё (в нашем случае золу) со щелочным раствором. Звучит как алхимия, но это наука.

И вот что важно: геополимеры — не просто альтернатива. Они часто превосходят обычный цемент по долговечности и прочности. А ещё они обладают уникальными свойствами: могут защищать от огня, очищать воду и даже служить надёжной матрицей для захоронения радиоактивных отходов. Настоящий материал будущего!

Но и здесь есть загвоздка. Не всякая зола при контакте со щёлочью рождает качественный материал. Чтобы исправить ситуацию, учёные либо сильно измельчают золу в специальных мельницах, либо добавляют к ней различные вещества. Правда, до конца не ясно, как именно эти добавки влияют на всю химическую «кухню». Вот где начинается самое интересное.

Уникальное решение проблемы: обработка золы с минералами в мельнице

Исследователи из СПбГУ и ИХТРЭМС КНЦ РАН пошли дальше всех. Они впервые решили проверить двойной удар: добавили к золе карбонатные минералы (по сути, соединения кальция, магния и других металлов) и одновременно подвергли эту смесь мощной механической обработке. Результаты их удивили.

«Мы обнаружили синергетический эффект, — объясняет профессор Ирина Зверева. — Проще говоря, когда мы вместе перемалываем золу и кальцит (тот же мел или известняк), прочность конечного геополимера взлетает так, как не взлетала бы от двух этих методов по отдельности».

Она приводит яркую аналогию: древние строители, смешивавшие глину с тростником для прочных стен, интуитивно использовали тот же принцип усиления. Комбинация даёт больше, чем сумма частей.

Чтобы понять границы метода, учёные проверили не только кальцит, но и карбонаты его «соседей» по таблице Менделеева — магния, стронция и бария. Выяснилась любопытная закономерность.

Всё упирается в реакционную способность. Карбонат магния со щёлочью реагирует слишком бурно, а стронций и барий — почти не реагируют. А вот золотая середина — кальцит — ведёт себя идеально, обеспечивая максимальную прочность материала. Иногда умеренность — ключ к успеху.

«Когда мы перемалываем золу и кальцит вместе, происходит не просто смешение, — погружается в детали профессор Александр Калинкин. — Частицы раскалываются, обнажая свежие, химически активные поверхности. Зола начинает лучше растворяться. Но что удивительнее — даже устойчивый кальцит под воздействием обработки меняется: частично превращается в известь и ватерит. Эти новорождённые вещества невероятно активны и становятся теми самыми центрами, которые и обеспечивают волшебный синергетический эффект».

А что же стронций и барий? Хотя они и не дают такого прироста прочности, как кальций, они надёжно встраиваются в структуру геополимера, укрепляя её. Это открывает другую, не менее важную перспективу. Геополимеры с карбонатом стронция могут помочь надёжно «замуровать» радиоактивный стронций-90. А материалы с барием, отлично поглощающие радиацию, могут стать основой для защитных барьеров на опасных объектах.

Результаты этой впечатляющей работы опубликованы в авторитетном журнале Minerals.