Синтезирован высокопрочный пористый керамический материал с улучшенной микроструктурой

Красноярские учёные создали новые высокопрочные пористые керамические материалы на основе дисперсных микросфер летучих зол и перлита. Эти материалы перспективны для использования в качестве микрофильтрационных мембран: очищают воду от твёрдых частиц практически на сто процентов и могут использоваться повторно. Результаты исследования опубликованы в «Журнале Сибирского федерального университета. Химия».

Тепловые электростанции производят значительные объёмы золошлаковых отходов и занимают лидирующие позиции среди загрязнителей окружающей среды по частицам диаметром менее 2,5 микрометров (PM2.5) и менее 10 микрометров (PM10). Зольные частицы-аэрозоли практически постоянно находятся в атмосфере во взвешенном состоянии, ухудшая условия жизни и здоровье людей. Главное направление снижения отрицательного влияния работы ТЭС на окружающую среду — увеличение эффективности улавливания твёрдых зольных частиц и их утилизация. Один из вариантов — переработка крупнотоннажных отходов теплоэнергетики в материалы различного назначения, в частности, керамические композиты.

Сотрудники Красноярского научного центра СО РАН разработали новые высокопрочные пористые керамические материалы на основе дисперсных микросфер летучих зол и перлита. Эти материалы перспективны для использования в качестве микрофильтрационных мембран.

Для получения керамических материалов специалисты использовали два вида сырья: промышленные отходы от сжигания угля — узкую фракцию дисперсных микросфер летучей золы, и природное сырьё вулканического происхождения — измельчённый перлит. После их спекания при температуре 1000 °C были получены пористые керамические композиты. Зольные микросферы, расположенные  между частицами перлита, формируют структурный каркас и отвечают за пористую структуру. В свою очередь, оплавленный при термообработке перлит обеспечивает прочность конструкции. Новые керамические материалы с улучшенной микроструктурой оказались высокопрочными и значительно превышали по этому параметру показатели аналогичных известных керамик. Материал предлагается использовать для создания фильтрационных мембран.

«Основными критериями при получении керамических мембран являются их пористость, прочность, проницаемость, химическая стойкость и экономические показатели. Выбор исходного сырья обусловлен возможностью использовать крупнотоннажные дисперсные отходы и доступностью природных ресурсов для получения композиционных материалов. Также использование техногенных отходов позволяет существенно снизить стоимость фильтрационных и мембранно­разделительных материалов на их основе», — рассказывает Елена Фоменко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

Чтобы оценить перспективу применения нового материла для создания фильтрационных мембран, специалисты определили его фильтрующую способность. Для этого использовалась водная суспензия дисперсных микросфер летучей золы со средним диаметром 2,5 микрометра. В процессе фильтрации твёрдые частицы успешно отделялись, и вода становилась прозрачной, достигая степени очистки около 100 %. Оседание твёрдых частиц происходит на поверхности керамических мембран без проникновения внутрь, поэтому после прочистки фильтры можно использовать повторно, что уменьшает финансовые и производственные затраты и нагрузку на окружающую среду.

«На основе фракций дисперсных микросфер летучих зол алюмокремнистого типа и природного перлита получены новые керамические материалы с улучшенной пористой микроструктурой, высокой механической прочностью, термической и химической устойчивостью, перспективные для применения в качестве микрофильтрационных мембран. Результаты нашего исследования могут быть использованы при создании ресурсосберегающих технологий комплексной переработки крупнотоннажных отходов тепловой энергетики, очистки жидких и газовых сред в различных отраслях промышленности», — отметил Вячеслав Павлов, доктор химических наук, главный научный сотрудник Института космических технологий КНЦ СО РАН.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИХХТ СО РАН (проект № FWES–2021–0013), ИКТ КНЦ СО РАН (проект № FWES-2021-0029), ФИЦ КНЦ СО РАН (проект № FWES-2024-0032). Кроме ИХХТ СО РАН в ней принимали участие сотрудники Института вычислительного моделирования СО РАН и Институт космических технологий ФИЦ КНЦ СО РАН.

Источник: КНЦ СО РАН.