Добавление к золе карбоната кальция и последующая механическая обработка этой смеси позволяют получать геополимер — композитный материал с полимерной структурой, который благодаря высокой прочности можно использовать в строительстве. Такой вывод сделали ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Кольского научного центра РАН по итогам исследования, результаты которого опубликованы в журнале Minerals.
Российские угольные ТЭС ежегодно вырабатывают около 22 млн т золошлаковых отходов, при этом их накопленный объем оставляет уже 2 млрд т. Одним из вариантов их утилизации является производство строительных материалов: высококальциевые золы и шлаки могут применяться в качестве цементов, а низкокальциевые — как заполнители в бетонных смесях или как компонент для синтеза геополимеров. Последние образуются при взаимодействии алюмосиликатного сырья (в том числе угольной золы) со щелочным агентом — раствором гидроксида натрия или жидким стеклом.
Правда, не все золы при контакте со щелочным агентом дают материалы необходимого качества. Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Кольского научного центра РАН попытались оценить, что эффективнее может решить эту проблему: добавка к золе карбоната кальция (кальцита, CaCO3) или совместная обработка золы и кальцита в мельнице. Эксперименты показали, что совместное использование этих двух методов позволяет повысить прочность геополимерной смеси намного сильнее, чем их применение по отдельности. Их синергетический эффект можно сравнить с комбинированием глины и тростника при постройке жилищ в древности: армированные тростником глиняные стены были гораздо прочнее, чем стены, построенные только из глины или только из тростника.
Чтобы понять природу этого процесса, ученые изучили влияние добавок карбонатов магния, стронция и бария, т.е. соседей кальция по Периодической системе. Выяснилось, что ключевым фактором является способность карбоната реагировать со щелочным агентом — раствором гидроксида натрия. Если карбонат магния взаимодействует со щелочью наиболее активно, то карбонаты стронция и бария практически инертны. Кальцит занимает промежуточное положение, что обеспечивает геополимерам наибольшую эффективность.
«Совместная механообработка в мельнице золы и кальцита приводит не просто к их смешению и уменьшению размеров частиц. При раскалывании частицы рвутся химические связи, удерживающие ее как единое целое, и обнажается свежая поверхность, богатая активными центрами. В результате зола становится более реакционноспособной и интенсивнее растворяется в щелочи», — цитирует Санкт-Петербургский государственный университет одного из авторов исследования, доктора химических наук Александра Калинкина.
