Эксперимент! Как в КузГТУ из золошлаков Кемеровской ГРЭС варят жидкое стекло

Эксперимент! Как в КузГТУ из золошлаков Кемеровской ГРЭС варят жидкое стекло

Ученые Кузбасского государственного технического университета (КузГТУ) разрабатывают технологию переработки золошлаковых отходов электростанций в жидкое стекло. Мы побывали в лаборатории политеха, где увидели экспериментальную часть процесса и готовые образцы стекла.

Требования к сырью

Авторы проекта — преподаватели и студенты Института энергетики КузГТУ. Над изучением теоретической части ученые работали с 2017 года. В 2020 году начали проводить практические исследования, а в этом году получили несколько опытных образцов жидкого стекла.

С экспериментальной частью нас познакомила Елена Темникова, доцент кафедры теплоэнергетики. 

Жидкое стекло широко используют в строительстве: добавляют в цемент для прочности, с его помощью проводят гидроизоляцию поверхностей. Также применяют в черной металлургии — для производства литейных форм. А еще используют для изготовления лакокрасочной продукции, огнеупорных красок и покрытий.


В качестве сырья ученые использовали золошлаковые материалы Кемеровской ГРЭС СГК. Но собирали их не на золоотвале, а в котельном цехе электростанции, после электрофильтров: важно, чтобы материал был сухой и «свежий», без влияния природных факторов — дождя, мороза, ветра. Для экспериментов необходима самая мелкая фракция золы — от 0 до 50 микрометров.
Сухая зола после электрофильтров Кемеровской ГРЭС
Сухая зола после электрофильтров Кемеровской ГРЭС
Скачать


Чтобы вторичное использование золошлаковых материалов было еще более рациональным, предварительно можно выделить из сырья ценные компоненты: легкую фракцию золы уноса — это около 1% от объема, железосодержащую фракцию — это около 5%.

Процесс варки

Первый этап — смешивание сухой золы с водой и раствором NaOH, его еще называют гидроксид натрия или едкий натр.
Процесс смешивания компонентов
Процесс смешивания компонентов
Скачать


Полученную смесь нагревают до +95 °С, а затем вываривают при этой температуре в течение получаса.
Во время варки смесь необходимо постоянно перемешивать
Во время варки смесь необходимо постоянно перемешивать
Скачать

При таком длительном термическом воздействии компоненты вступают в реакцию друг с другом, образуя в результате жидкое натриевое стекло. Внешне оно, конечно, не прозрачное, серый цвет золы доминирует, но главное — полученные свойства.
Готовый образец жидкого стекла из золы
Готовый образец жидкого стекла из золы
Скачать

Как ни странно, жидкое стекло не имеет со стеклом ничего общего. Это название материал получил за внешний вид. Он представляет собой бесцветный или желтоватый гель, который после застывания становится прозрачным.

Главное свойство жидкого стекла из золы — прочность. Затвердевая на воздухе, оно становится твердыми и крепко соединяет материалы или элементы, с которыми взаимодействует.

Тесты на прочность

Полученные в лаборатории КузГТУ образцы жидкого стекла тестировали: склеивали им фрагменты керамической плитки, а затем создавали так называемое напряжение на сдвиг, то есть специальным механизмом разъединяли склеенные части и измеряли, какая сила для этого нужна.
Образцы керамических плиток после воздействия напряжения на сдвиг
Образцы керамических плиток после воздействия напряжения на сдвиг
Скачать

Тесты показали: жидкое стекло из золы прекрасно справляется со склеиванием, то есть уже сейчас понятно, что его можно добавлять в различные покрытия, замазки, шпатлевки.


Елена Темникова
Доцент кафедры теплоэнергетики Института энергетики КузГТУ

«Суть наших экспериментов не только в самом получении жидкого стекла из золошлаков, но и в поиске идеальных пропорций его компонентов. Мы исследуем, как изменяются физические свойства полученных образцов при варьировании силикатного модуля, то есть объема добавленного к золе гидроксида натрия. Не скрою, у нас были образцы, которые практически не склеивали фрагменты плиток, и, наоборот, очень прочные смеси».


 

В чем новизна

Конечно, жидкое стекло делают и используют давно. Но основой для него служат природные минеральные соединения, в которых содержатся силикаты, например полевые шпаты, кварц, слюда. 

Здесь же взамен природных силикатов используют техногенные материалы — отходы после сжигания угля. Вместо складирования на золоотвале они идут во вторичное использование. К тому же золошлаковые материалы многократно исследованы на безопасность и имеют соответствующие сертификаты. В перспективе силикатные минералы можно будет оставить в природе, сократить добычу, не разрушать горные породы.  

Что дальше

По словам Елены Темниковой, работы еще много. Самое главное — найти оптимальное соотношение компонентов жидкого стекла, а на это требуется время и большое количество экспериментальных тестов.
Образцы жидкого стекла. Но это еще не предел
Образцы жидкого стекла. Но это еще не предел
Скачать


Вторая задача — провести грамотные экономические расчеты, чтобы понять, насколько выгоднее производить жидкое стекло из золы. По предварительным данным, стоимость продукции на основе жидкого стекла из золы в 1,5 раза ниже аналогов на рынке.