В лаборатории сорбционных
методов Института геохимии и аналитической химии им. В.И.
Вернадского РАН совместно с коллегами из Института
металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Московского
государственного университета им. М.В.
Ломоносова, Государственного научно-исследовательского и
проектного института редкометаллической промышленности (ГИРЕДМЕТ) и
Уральского федерального университета им. первого президента России Б.Н.
Ельцина разработан новый метод утилизации отходов угольных ТЭС.
В ходе экспериментов определяли влияние
технологических параметров на образование карбидов кремния, железа и титана.
Исследование показало, что основные механические свойства керамики (твердость и
прочность) сопоставимы с промышленными образцами. Из карбида кремния
изготавливают подшипники, режущие и абразивные материалы, ответственные детали
конструкций. Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International (Valeev et al., 2024).
Объектом исследований была зола с Рефтинской ГРЭС
(Свердловская область). Метод основывается на двухстадийном обжиге золы с
получением сначала порошка карбида кремния (SiC), и далее керамики методом
искрового плазменного спекания — SPS (англ. Spark Plasma Sintering). Учёные
сначала получили порошок SiC, где в качестве восстановителя может служить
«недожег» — концентрат углерода, полученный из тех же золошлаковых отходов
методом флотации. Использование метода SPS на второй стадии позволило получить
опытный образец керамики всего за 5 минут.
На отечественных угольных ТЭС ежегодно образуется
порядка 20 млн. тонн золы. Согласно Распоряжению Правительства
России №1557-р утверждён «Комплексный план по повышению объёмов утилизации
золошлаков». Он был подготовлен в рамках реализации Энергетической стратегии РФ
на период до 2035 года, где установлен целевой показатель по увеличению доли
утилизируемых золошлаков на ТЭС и котельных в 15% к 2024 году и в 50% к 2035
году.
Исследователи предварительно растворили более 85%
находящегося в золе алюминия с помощью смеси серной кислоты и бисульфата
аммония, смесь нагревали существенно выше температуры её кипения в замкнутом
резервуаре (автоклаве). Остаток после фильтрации служил исходным материалом для
последующего обжига. Золу, смешанную с углеродом, ученые помещали в печь, где в
восстановительной атмосфере получали порошок карбида кремния. В ходе экспериментов
определяли влияние температуры, выдержки и массы восстановителя на образование
карбидов кремния, железа и титана. Впоследствии порошок SiC использовали для
получения опытных образцов керамики, при этом определяли влияние
технологических параметров на механические свойства конечного продукта. Его
твердость и прочность оказалась сопоставима с промышленными образцами.
Образец керамики на основе карбида кремния
«В качестве объекта исследований была
выбрана зола с крупнейшей в РФ угольной электростанции — Рефтинской
ГРЭС (Свердловская область). Ежегодно на данной ТЭС образуется более 4 млн тонн
отходов. Получение керамики является одним из этапов комплексного переработки
золы, где помимо карбида кремния, уже получены образцы коагулянтов, то есть
химических реагентов для водоподготовки и металлургического глинозема, который
используется для получения металлического алюминия методом электролиза. В
данной работе, была показана возможность получать продукт с высокой добавленной
стоимостью, а не стандартные стройматериалы, как например, геополимерный бетон.
Дальнейшие исследования будут направлены на масштабирование технологии на
опытно-промышленной установке», — объясняет
руководитель проекта Дмитрий Валеев, кандидат технических наук, старший
научный сотрудник лаборатории сорбционных методов ГЕОХИ РАН.
Работа выполнена при финансовой поддержке
Российского научного фонда.
Источник: ГЕОХИ
РАН.