Композиции на основе золошлаковых отходов ТЭЦ и силиката натрия

Введение. Главная идея экономики замкнутого цикла заключается в максимальном вовлечении отходов промышленности в производство материалов и снижении доли вовлечения природных ресурсов. Золошлаковые отходы (ЗШО), образующиеся при сгорании угля на теплоэнергетических станциях и складируемые в золоотвалах, представляют собой перспективное вторичное сырье для получения искусственных керамических заполнителей.

Материалы и методы. В данной работе исследованы физико-химические свойства ЗШО и подобран оптимальный состав на их основе с применением водного раствора силиката натрия в качестве связующего. Методом пластического формования получены цилиндрические образцы, которые были обожжены при температуре 900–1000.

Результаты. Установлено, что с применением в качестве связующего водного раствора силиката натрия с массовой долей 25% можно получить методом пластического формования образцы с прочностью на сжатие 7–9 МПа и средней плотностью 1200–1250 кг/м3, при температуре обжига 950–1000°C. Полученные характеристики указывают на потенциальную пригодность материала в качестве искусственного керамического заполнителя для бетона.

Обсуждение и заключение. Данный состав впоследствии планируется опробовать в качестве легкого заполнителя в составе бетона.

1. Baran P., Sobala J., Szczurowski J., Zarębska K. Management of fly ash to synthesise geopolymers and zeolites // Energies. 2023. Т. 16. №. 23:С. 7888. Https://doi.org/org/10.3390/en16237888

2. Dash S., Panda L., Mohanty I., Gupta P. Comparative feasibility analysis of fly ash bricks, clay bricks and fly ash incorporated clay bricks // Magazine of Civil Engineering. 2022. Т. 115. №. 7: С. 11502. Https://doi.org/10.34910/MCE.115.2

3. Nayak D.K., Abhilash P.P., Singh R., Kumar R., Kumar V. Fly ash for sustainable construction: A review of fly ash concrete and its beneficial use case studies // Cleaner Materials. 2022. Т. 6: С. 100143. https://doi.org/10.1016/j.clema.2022.100143

4. Tian Y., Bourtsalas A., Kawashima Sh., Themelis N.J. Using Waste-to-Energy Fine-Combined Ash as Sand or Cement Substitute in Cement Mortar // Journal of Materials in Civil Engineering. 2023. Т. 35. №. 11: С. 04023378. https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-15684

5. Tian Y. Characterization, stabilization, and utilization of waste-to-energy residues in civil engineering applications. Columbia University, 2022.

6. Vakalova T.V., Revva I. B. Highly porous building ceramics based on «clay-ash microspheres» and «zeolite-ash microspheres» mixtures // Construction and Building Materials. 2022. Т. 317: С. 125922. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125922

7. Zeng L., Sun H., Peng T., Hui T. Effect of glass content on sintering kinetics, microstructure and mechanical properties of glass-ceramics from coal fly ash and waste glass // Materials Chemistry and Physics. 2021. Т. 260: С. 124120. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124120

8. Пак А.Я., Губин В.Е., Мамонтов Г.Я. Получение керамики на основе карбида кремния из золошлаковых отходов // Письма в Журнал технической физики. 2020. Т. 46, №. 14. С. 21–24. doi.org/10.21883/PJTF.2020.14.49661.18302

9. Zimar Z., Robert D., Zhou A., Giustozzi F., Setunge S., Kodikara J. Application of coal fly ash in pavement subgrade stabilisation: A review // Journal of Environmental Management. 2022. Т.312: С. 114926. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.114926

10. Czuma N., Zarębska K., Motak M., Gálvez M.E., Patrick Da Costa. Ni/zeolite X derived from fly ash as catalysts for CO2 methanation // Fuel. 2020. Т. 267. С. 117139. Https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117139

11. Ochedi F.O., Liu Y., Hussain A. A review on coal fly ash-based adsorbents for mercury and arsenic removal // Journal of cleaner production. 2020. Т. 267: С. 122143. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122143

12. Estevam S.T., de Aquino, T.F., da Silva, T.D. et al. Synthesis of K-Merlinoite zeolite from coal fly ash for fertilizer application. Braz. J. Chem. Eng. 39, 631–643 2022. https://doi.org/10.1007/s43153-021-00172-9

13. Усова, Е. Л., Решетова, А. А., Полещук, И. Н., Пимнева, Л. А. Исследование адсорбции ионов меди, никеля и цинка на цеолитсодержащем сорбенте, синтезированном из отходов ТЭС // Сорбционные и хроматографические процессы. 2023. Т. 23, № 6. С. 1034–1041. https://doi.org/10.17308/sorp-chrom.2023.23/11864

14. Кутихина, Е. А., Верещагина, Т. А., Мазурова, Е. В., Буйко, О. В., Фоменко, Е. В., & Аншиц, А. Г. Синтез цеолитных материалов на основе дисперсных микросфер из летучих зол от сжигания угля и их сорбционные свойства в отношении Pb (II) и Cd (II) // Сорбционные и хроматографические процессы. 2023. Т. 23, № 5. С. 837–847. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11718

15. Котова О.Б., Шабалин И.Л., Котова Е.Л. Фазовые трансформации в технологиях синтеза и сорбционные свойства цеолитов из угольной золы-уноса // Записки горного института. 2016. Т. 220: С. 526–531. Https://doi.org/10.18454/PMI.2016.4.526

16. Moudar J., El Fami N., Diouri A., Taibi M. Identification and characterization of faujasite zeolite phase in alkali activated class F fly ash // Materials Today: Proceedings. 2022. Т. 58: С. 1447–1451. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.475

17. Liu C., Zheng Sh., Ma Sh., Luo Y., Ding J., Wang X., Zhang Y. A novel process to enrich alumina and prepare silica nanoparticles from high-alumina fly ash // Fuel Processing Technology. 2018. Т. 173: С. 40–47. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.01.007

18. Kelly R.P. Parallels and Nonconformities in Worldwide Fly Ash Classification: The Need for a Robust, Universal Classification System for Fly Ash. In Proceedings of the World of Coal Ash (WOCA) Conference, Nashville, TN, USA, 5–7 May 2015.

19. Berredjem L., Arabi N., Molez L. Mechanical and durability properties of concrete based on recycled coarse and fine aggregates produced from demolished concrete // Construction and Building Materials. 2020. Т. 246: С. 118421. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118421

20. Bekkeri G.B., Shetty K.K., Nayak G. Producing of alkali-activated artificial aggregates by pelletization of fly ash, slag, and seashell powder // Innovative Infrastructure Solutions. 2023. Т. 8. №. 10: С. 258. doi.org/10.1007/s41062-023-01227-1

21. Uthaichotirat P., Sukontasukkul P., Jitsangiam P., Suksiripattanapong Ch., Sata V., Chindaprasirt P. Thermal and sound properties of concrete mixed with high porous aggregates from manufacturing waste impregnated with phase change material // Journal of Building Engineering. 2020. Т. 29. С. 101111. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101111

22. Pasupathy K., Ramakrishnan S., Sanjayan J. Enhancing the mechanical and thermal properties of aerated geopolymer concrete using porous lightweight aggregates // Construction and Building Materials. 2020. Т. 264: С. 120713. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120713

23. Schumacher K., Saßmannshausen N., Pritzel Ch., Trettin R. Lightweight aggregate concrete with an open structure and a porous matrix with an improved ratio of compressive strength to dry density // Construction and Building Materials. 2020. Т. 264.:С. 120167. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120167

24. Kangning L., ChunYuan J., Tianyi Y., Dingqiang F., Juntao K., Yu Rui. Enhancement of impact resistance for low water/binder cementitious composites (LWBCC) based on porous aggregate: from the perspective of macroscopic and microscopic // Construction and Building Materials. 2023. Т. 376: С. 130952. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130952

25. Sahoo S., Selvaraju A. K. Mechanical characterization of structural lightweight aggregate concrete made with sintered fly ash aggregates and synthetic fibres // Cement and Concrete Composites. 2020. Т. 113: С. 103712. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103712

26. Gollakota A. R. K., Volli V., Shu C. M. Progressive utilisation prospects of coal fly ash: A review // Science of the Total Environment. 2019. Т. 672: С. 951–989. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.03.337

27. Ma B., Su Сh., Ren X., Gao Z., Qian F., Yang W., Liu G., Li H., Yu J., Zhu Q. Preparation and properties of porous mullite ceramics with high-closed porosity and high strength from fly ash via reaction synthesis process // Journal of Alloys and Compounds. 2019. (803): C. 981–991. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.272

28. Shao P., Hou H., Wenlon Wang, Wenfeng Wang. Geochemistry and mineralogy of fly ash from the high-alumina coal, Datong Coalfield, Shanxi, China // Ore Geology Reviews. 2023. Т. 158: С. 105476. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2023.105476

29. Fidanchevski E., Angjusheva B., Jovanov V., Murtanovski P., Vladiceska L., Aluloska N.S., Nikolic J., Ipavec A., Šter K., Mrak M., Dolenec S. Technical and radiological characterisation of fly ash and bottom ash from thermal power plant // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2021. Т. 330: С. 685–694. https://doi.org/10.1007/s10967-021-07980-w

30. Zhuginisov Ж., Rakhmetulla А., Oraltayeva, A. Analytical review of research on the technology of light aggregates based on natural and man-made raw materials. Engineering Journal of Satbayev University. 2021. T. 143(6), 123–128. https://doi.org/10.51301/vest.su.2021.i6.16

31. Romero, M.; Padilla, I.; García Calvo, J.L.; Carballosa, P.; Pedrosa, F.; López-Delgado, A. Development of Lightweight Mortars Using Sustainable Low-Density Glass Aggregates from Secondary Raw Materials. // Materials. 2023. T.16, №. 18: p. 6281. https://doi.org/10.3390/ma16186281