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.