ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УТИЛИЗАЦИИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ

Утилизация отходов производства и потребления, в том числе возникающих в результате добычи, обогащения и переработки полезных ископаемых, строительной, хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ в процессе производства современных строительных материалов, отвечающих нормативным требованиям в строительной отрасли, регламентируется Распоряжением Правительства РФ от 2 августа 2023 г. N 2094-р [1].

Перспективным направлением в этом вопросе является производство строительных материалов с применением нетрадиционного сырья – отходов промышленности (золошлаковых смесей) и золы уноса (см. табл. 1).

Таблица 1. Виды продукции, произведенной с добавлением компонентов ЗШС

В последние годы использование вторичных ресурсов в производстве строительных материалов изучается многими отечественными и зарубежными исследователями.

Научная школа под руководством д.т.н. В.С. Лесовика и д.т.н. В.В. Строковой БГТУ имени В.Г. Шухова изучает и разрабатывает способы использования ЗШС тепловых электростанций в качестве наполнителя для цементных строительных материалов [2]. Коллектив ученых из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого под руководством д.т.н. Н.И. Ватина совместно с зарубежными учеными работает над проблемой эффективного использования отходов тепловой энергетики [3]. Китайские ученые достигли больших успехов в производстве бетона с высокими эксплуатационными свойствами за счет использования модифицированной золы-унос и нанокремнезема [4].

Ведущими учеными в области геоэкологии, также, разрабатываются способы решения проблемы загрязнения окружающей человека среды и природных экосистем тяжелыми металлами и процессы получения геополимерного бетона из обработанных щелочным раствором (силикатов натрия Na₂O(SiO₂)_n и (или) калия K₂O(SiO₂)_n) компонентов ЗШС путем формирования геополимерного материала [5, 6, 7].

Переработку отходов теплоэнергетики выполняют по двум направлениям: производство вторичных строительных материалов и производство товарной продукции. Благодаря этому получены эффективные композиционные цементы и бетоны с применением местного сырья и отходов предприятий промышленности (золошлаковых смесей) для комплексного формирования перечня инновационных строительных материалов и конструкций [8].

Геоэкологические аспекты утилизации золошлаковых отходов, образующихся при сжигании твердого топлива на энергоустановках тепловых электростанций (ТЭС) и накопленных на специализированных полигонах, необходимо решать путем производства геополимеров. Основой геополимерного бетона являются продукты, остающиеся после сжигания каменного угля, такие как зола-унос, шлак, ЗШО – то есть такой материал, который в основном состоит из алюмосиликата. Кроме того, компонентами геополимерных вяжущих могут быть:

• алюмосиликатные материалы природного и искусственного происхождения;
  
• термически обработанные каолины;
• полевошпатные и другие горные породы.

Научно-прикладные исследования по разработке комплексной экономически эффективной технологии переработки гидратированных золошлаковых отходов углесжигающих электростанций и отходов углеобогащения проводятся лабораторией технологий использования вторичных ресурсов Политехнического института ДВФУ под руководством к.х.н. А.В. Таскина, совместно с Дальневосточным представительством международного научно-образовательного центра «Геоника (геомиметика)» [9].

Согласно ГОСТ 31108-2016 и ГОСТ 25818-2017, зола подразделяется на основную (с высоким содержанием CaO) и кислую (с высоким содержанием SiO₂), где кислая демонстрирует пуццоланические свойства, а основная может проявлять гидравлические свойства. Высококальциевая (основная) зола обладает более чем 10% содержания CaO, а смешанное содержание оксидов Al₂O₃, SiO₂ и Fe₂O₃ варьируется от 50 до 70%. Низкокальциевая зола-уноса класса F, на основе антрацитового или каменного угля, содержит менее 10% CaO, в то время как остальные составляющие представлены оксидами алюминия, кремния и железа [10, 11].

Ценность подобных сырьевых ресурсов повышается, если попутно происходит утилизация различных отходов, например, гидроудаленных золошлаковых смесей. В сочетании с основным компонентом ЗШО, который активируется растворами гидроксида или силиката натрия или калия, используются модифицирующие добавки, такие как гидроокись алюминия, гранулированный шлак, каолин и метакаолин [12].

При создании геополимерного вяжущего на основе активации алюмосиликатов, полученных из золы, растворами щелочей происходит процесс, в результате которого, получается твердая алюмосиликатная структура похожая на камень. При изготовлении образцов геополимерного бетона в лаборатории «Использование технологии вторичных ресурсов» ДВФУ, смесь была уложена в формы размером 160x40x40 мм, подвергнута вибрационному уплотнению, а после высушена в сушильном шкафу при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 70 часов [13].

В результате получились образцы прямоугольного сечения (рис. 1). Которые затем прошли испытания на соответствующем оборудовании на изгиб при растяжении и предел прочности при сжатии.

Рисунок 1. Образцы геополимерного бетона

Для приготовления бетонной смеси на геополимерном вяжущем необходимо:

• провести очистку ЗШО от недожога и металлов;
  
• прокалить золошлаковую смесь в муфельной печи;
  
• приготовить раствор активатора (зола, обработанная щёлочью в процессе автоклавирования);
  
• смешать мелкие и крупные заполнители и золу в сухом виде и перемешать;
  
• ввести активатор в сухую смесь и перемешать;
  
• распределить раствор по формам;
• подвергнуть раствор вибрационному уплотнению и сушке.

Заключение

Разработка научно обоснованного технологического способа производства геополимерных строительных материалов позволит решать геоэкологические задачи крупнотоннажной утилизации золошлаковых отходов и перевода предприятий энергетики на малоотходный режим работы.

Геополимерный бетон, произведенный на основе золошлаковых отходов, может иметь значительные преимущества перед обычным портландцементным бетоном по эксплуатационным характеристикам. Использование золошлаковых отходов и активаторов гарантирует высокую прочность, коррозионную стойкость и долговечность бетона.

Проводя геоэкологические мероприятия использования золошлаковых отходов, включая их воздействие на окружающую среду, выявляются преимущества и использования этих отходов в различных отраслях промышленности, таких как строительство, добыча полезных ископаемых и производство энергии, расширяются возможности применения ЗШО.

Кроме того, становится возможным устойчивое управление процессом утилизации золошлаковых отходов, минимизируя их негативное воздействие на окружающую среду.

1. Распоряжение Правительства РФ от 2 августа 2023 г. N 2094-р «Об утверждении перечня видов продукции (товаров), производство которых осуществляется с использованием определенной доли вторичного сырья в их составе». Вступило в силу с 1 марта 2024 г.
2. Strokova, V.V. Properties of a composite cement binder using fuel ashes / V.V. Strokova, I.Yu. Markova, A.Yu. Markov, M.A. Stepanenko, S.V. Nerovnaya, D.O. Bondarenko, L.N. Botsman // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 909. – pp. 184-190.
3. Singh, S.B. Effect of fly ash addition on the mechanical properties of pervious concrete / S.B. Singh, M. Murugan, M. Chellapandian, S. Dixit, S. Bansal, K.S. Kumar Reddy, M. Gupta, K.M. Vafaeva //Materialstoday:proceedings. – 2023. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.09.165
4. Zhang, H. High-flowable and high-performance steel fiber reinforced concrete adapted by fly ash and silica fume / H. Zhang, L. Cao, Y. Duan, Z. Tang, F. Hu, Z. Chen // Case Studies in Construction Materials. – 2023. – e02796.
5. Rangan B. V., Hardjito D., Wallah S.E., Sumajouw D.M.J. Fly ash-based geopolymer concrete: a construction material for sustainable development // Concrete in Australia. 2005. No. 31. Pp. 25-30.
6. Concentrating Mill Wastes are the Source of Pollution of Human Environment and Natural Ecosystems with Heavy Metals: A Case Study in Primorsky Krai, Russian Federation / I. A. Tarasenko, A. S. Kholodov, N. Y. Popov [et al.] // Journal of Chemistry. – 2020. – Vol. 2020. – P. 6570126. – DOI 10.1155/2020/6570126. – EDN QWKKJN.
7. Structural formation of soil concretes based on loam and fly ash, modified with a stabilizing polymer additive / N. A. Konovalova, P. P. Pankov, V. Petukhov [et al.] // Materials. – 2022. – Vol. 15, No. 14. – P. 4893. – DOI 10.3390/ma15144893. – EDN MKFZPB.
8. Лесовик, В.С. Влияние состава на свойства и строение модифицированных цементных композитов / В.С. Лесовик, Р.С. Федюк, Ю.Л. Лисейцев, И.И. Панарин, В.В. Воронов // Строительные материалы. – 2022. – №9. – С. 39-49.
9. Строительные материалы и минеральные вяжущие вещества на основе гидратированных золошлаковых отходов углесжигающих электростанций и отходов углеобогащения / А. В. Таскин, Т. Г. Черкасова, Р. С. Федюк [и др.] // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. – 2023. – Т. 14, № 4. – С. 201-206. – DOI 10.37614/2949-1215.2023.14.4.034. – EDN FHRNJI.
10. ГОСТ 25818-2017 Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.
11. ГОСТ 31108-2016 Цементы общестроительные. Технические условия.
12. Панарин, И. И. Сравнительный анализ современных методов торкретирования: оборудование и технологические параметры / И. И. Панарин // Инженерное дело на Дальнем Востоке России : Материалы конференции, Владивосток, 21–27 января 2024 года. – Владивосток: Дальневосточный федеральный университет, 2024. – С. 123-132. – EDN CYNBBO.
13. Козлов, П. Г. Технологические особенности изготовления геополимеров на основе золошлаковых отходов / П. Г. Козлов // Инженерное дело на Дальнем Востоке России : Материалы конференции, Владивосток, 21–27 января 2024 года. – Владивосток: Дальневосточный федеральный университет, 2024. – С. 476-482. – EDN PXNQLY.

Все статьи автора «Козлов Павел Геннадьевич»