Первый год

В рамках выполнения проекта за 2022 был выполнен ряд работ. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему рециклинга крупнотоннажных отходов топливной энергетики и получения на их основе товарной продукции с минимальным углеродным следом» был проведен поиск и анализ современной научно-технической, нормативной и методической литературы. Большая часть научной литературы представлена 50 научными статьями в журналах, входящих в наукометрическую базу Scopus и в российскую базу РИНЦ, из которых 16 опубликованы российскими учеными и 34 иностранными. Наибольшее количество статей опубликовано учеными из Китая, России, Индии и Англии.

Анализ нормативной документации в области рециклинга отходов позволил выявить ряд ГОСТов (ГОСТ Р 56618-2015 на тему «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Технические требования к характеристикам угольной золы и золы-уноса, предназначенным для вторичного использования» – М.: Стандартинформ, 2016. – 11 с., ГОСТ Р 57789-2017 «Золы, шлаки и золошлаковые смеси ТЭС для производства искусственных пористых заполнителей» – М.: Стандартинформ, 2017. – 8 с., ГОСТ 25592-2019 «Межгосударственный стандарт. Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов» – М.: Стандартинформ, 2019. – 16 с.), требованиями которых должны руководствоваться при использовании данных видов отходов в различных отраслях промышленности.

В рамках патентных исследований, были определены такие параметры, как технический уровень и тенденции развития объекта хозяйственной деятельности, использование объектов промышленной (интеллектуальной) собственности и их правовая охрана, исследование патентной чистоты объекта техники, анализ деятельности хозяйствующего субъекта и перспективы его развития. Поиск патентной информации осуществлялся в патентной базе Российской Федерации (www.fips.ru), патентной базе ЕПВ (http://ru.espacenet.com) и поисковой системе PATENTSCOPE. Поиск статей производился с помощью баз Scopus (https://www.scopus.com) и РИНЦ (https://www.elibrary.ru). Глубина поиска патентной информации и статей составляла 30 лет (1992-2022 гг.).

В рамках раздела «Обоснование направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы, результатов патентных исследований и выбора наиболее перспективного направления рециклинга» был проведен анализ и обобщение данных, полученных при обзоре современной научно-технической, нормативной и методической литературы. Выявлены основные способы минимизации углеродного следа. Рассмотрены международные стандарты, используемые для определения углеродного следа: международные стандарты учета парниковых газов GHG (Greenhouse Gas) протокол и стандарт ISO 14064. Выявлены основные особенности «зеленой» технологии и «зеленой» продукции, изучена методика оценки их влияния на снижение выбросов парниковых газов на этапе производства и применения продукции. Показано, что для оценки углеродного следа производства «зеленой» продукции используют информацию о режиме и объеме производимой продукции, технологии производства и применяемого оборудования, преимуществ по сравнению с традиционной продукцией, выбросах загрязняющих веществ и способах их очистки.

Предложены два направления решения проблем, порождаемых существованием отходов: снижение вредного воздействия отходов на человека и окружающую среду и повторное использование отходов в качестве альтернативного источника энергии и сырья. Рассмотрены возможности вовлечения золошлаковых отходов (ЗШО) ТЭС, а также вскрышной и вмещающей горной породы, образующейся в результате угледобычи, в процессы изготовления строительных материалов. Наиболее перспективным направлением применения является их использование в строительных работах или при производстве строительных материалов как сырьевой материал. Себестоимость производства строительных материалов при использовании золошлаков снижается на 12–25%.

Были проведены физико-химические исследования крупнотоннажных отходов энергетики (отходов добычи, обогащения и сжигания угольных топлив) на примере выбранных объектов Южного федерального округа для установления возможности применения отходов сжигания угля Новочеркасской ГРЭС и обломочной (вмещающей) породы, образуемой при добыче угля подземным способом на территории Ростовской области для производства геополимерных материалов необходимо установление их химического состава. В качестве исследуемых образцов были использованы 7 видов техногенных материалов таких как: зола, золошлаковая смесь, шлак(Новочеркасская ГРЭС), обломочная порода (г. Новошахтинск, террикон №1), обломочная порода (г. Новошахтинск, террикон №2), обломочная порода (Красносулинский район, г. Гуково, п. Алмазный, террикон №1), обломочная порода (Красносулинский район, г. Гуково, отвал №2). Выбор Новочеркасской ГРЭС в качестве основного источника отходов сжигания угля, обоснован тем, что данная электростанция является единственной на Юге Российской Федерации, работающей на угле. Анализ химического состава показал, что в исследуемых отходах содержание SiO 2 составляет 45,09 – 56,12 %, Al 2 O 3 – 11,35 – 23,59 %. Это позволяет отнести исследуемые отходы к алюмосиликатным материалам, пригодным для получения геополимеров, так как последние представляют собой материалы, состоящие из цепей Si–O–Si и Al–O–Si.

Была исследована микроструктура отходов сжигания (золы уноса, топливного шлака, золошлаковой смеси) и добычи угля (вмещающей породы при добыче угля подземным способом) Установлено, что микроструктура топливного шлака представлена остеклованными частицами неправильной остроугольной формы, при этом, их размер колеблется в интервале 10-100 мкм. Микроструктура золы уноса характеризуется наличием полых алюмосиликатных микросфер, размер которых составляет 1-30 мкм, при этом в золе уноса видны нерасплавленные частицы, состоящие из мельчайших минеральных и коксовых зерен с губчатой поверхностью, которые во внутренней части могут содержать большое количество кристаллических веществ. Микроструктура золошлаковой смеси характеризуется наличием в ней полых алюмосиликатных микросфер, которые подтверждают наличие зольной части, а также неправильных остеклованных частиц топливного шлака. Установлено, что строение отобранных характерных пород отвалов характеризуется наличием микрокристаллических фаз, и частично аморфизованных зон, тогда как образец горелой породы отличает остеклованная структура, содержащая муллит, кварц и шпинель, и имеющая признаки оплавления и спекания.

Были проведены минералогические исследования выбранных отходов энергетики. Изучен минералогический состав исходного сырья, поскольку наличие в нем различных основных или акцессорных фаз может повлиять на конечные свойства синтезированного продукта. Петрографическому анализу не удалось подвергнуть шлиф брикета с золой-уноса, поскольку она представляет собой тонкодисперсный порошок с диаметром частиц до 30 мкм, что является малым значением для оптико-петрографических методов. Исходя из чего решено проводить исследование золы-уноса с использованием только рентгенофазового анализа.

Исследование шлифа шлака толщиной 0,3 мм оптико-петрографическим методом показал, что шлак представлен стекловатой полупрозрачной массой с полосчатой текстурой с буровато-коричневыми и желтовато-бурыми оттенками отдельных однородных зон толщиной от 50 мкм до 10 мм. Структура образца стекловатая, флюидальная с явными следами пластичного течения. При изучении шлифа в проходящем поляризованном свете установлено, что основная масса, более чем на 99%, состоит из изотропного стекловидного материала. При постепенном повороте поляризатора происходит угасание анизотропного минерала, представленного округло-овальными, реже угловатые со скругленными краями, зернами кварца (SiO 2 ) с размерами от 40 до 80 мкм. Также в наиболее густо окрашенных зонах шлака выявлены непрозрачные черные тетрагональные дендриты диоксида марганца в виде пиролюзита (MnO 2 ) со спорадическим или линейно концентрировано распределением в плоскости шлифа.

При использовании отраженного света в аншлифе золошлаковой смеси диагностированы микровключения пирита (FeS 2 ), как в виде ксеноморфных зерен, так и в виде кристаллов кубического габитуса. Пирит чаще всего окислен полностью, гораздо реже можно наблюдать частично окисленный пирит. Также в основном матриксе диагностированы псевдоморфозы гематита (Fe 2 O 3 ), представленные отдельными обломковидными обособлениями c красноватым оттенком. Зачастую в ядре таких обособлений сохранены реликты пирита. Помимо представленных минералов в шлифе золошлаковой смеси возможно наблюдать металлические включения сферической и овальной формы различной величины, варьирующейся от 10 до 30 мкм, для которых характерны следы проявления ковкости при механическом воздействии. Вероятно, присутствие данных металлических включений связано с длительным хранением золошлаковой смеси на золоотвалах.

Проведенный качественный рентгенофазовый анализ показал, что во всех исследуемых минеральных отходах угольной генерации таких как золошлаковая смесь, зола-уноса и шлак присутствуют идентичные кристаллические фазы в виде α-кварца (карточка PDF: 46-1045) и гематита (карточка PDF: 33-0664), который идентифицируется на пределе чувствительности измерения прибора. Их наличие подтверждается проведенными оптико-петрографическими исследованиями.

Проведенный количественный рентгенофазовый анализ с помощью программного обеспечения «MAUD» показал, что золошлаковые отходы представлены на 72,86±0,72 % аморфной структурой и 27,14 % кристаллической (20,39±0,84 % α-кварц и 6,75±0,00 % гематит); зола уноса представлена 81,61±0,47 % аморфной структурой и 18,39 % кристаллической(14,44±0,23 % α-кварц и 3,95±0,03 % гематит); топливный шлак, в свою очередь, представлен 98,89 ±0,03 % аморфной структурой и 1,12 % кристаллической (0,49±0,01 % α-кварц и 0,62±0,01 % гематит).

Качественный рентгенофазовый анализ обломочных (вмещающих) пород показал, что порода Н.-1.1 (террикон №1, г. Новошахтинск, Ростовская область) формируется кварцем, альбитом (Na[AlSi 3 O 8 ]), мусковитом(KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 ), клинохлором ((Mg,Al) 6 [Si 3 , 1–2 ,Al) 0,9–1,2 O 10 ](OH) 8 ); порода Н.-1.3 (поселок Несветаевский, г. Новошахтинск, Ростовская область) характеризуется схожим составом за исключением наличия в ней анкерита(Ca(Fe,Mg,Mn)(CO 3 ) 2 ); обожжённая порода Г.-2.1 (террикон №1, п. Алмазный, г. Гуково, Красносулинский район, Ростовская область) преимущественно состоит из гематита, муллита (3Al 2 O 3 ·2SiO 2 ), опала(SiO 2 ·nH 2 O), кордиерита ((Mg,Fe) 2 Al 4 Si 5 O 18 ·nH 2 O); тогда как порода Г.Ш.-1(отвал №2, шахта «Шерловская-Наклонная», г. Гуково, Красносулинский район, Ростовская область) из кварца, мусковита (KAl 2 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2 ) и микроклина (K[AlSi 3 O 8 ]).

Были проведены радиологические исследования выбранных отходов энергетики, которые должны показать возможность использования в качестве сырья для строительных материалов и их безопасность. Анализ результатов радиологических исследований показал, что отходы Новочеркасской ГРЭС соответствуют единым санитарно- эпидемиологическим и гигиеническим требованиям по значению эффективной удельной активности природных радионуклидов Ra-226, Th-232, K-40 и характеризуются следующими значениями Аэфф, Бк/кг: зола –(282±28); золошлаковая смесь – (267±26); шлак – (287±29); обломочная порода (г. Новошахтинск, террикон №1) – (165±18); обломочная порода (г. Новошахтинск, террикон №2) – (220±24); обломочная порода(Красносулинский район, г. Гуково, п. Алмазный, террикон №1) – (205±22); обломочная порода (Красносулинский район, г. Гуково, отвал №2) –(244±24).

Таким образом, топливные отходы Новочеркасской ГРЭС и обломочной (вмещающей) породы при добыче угля подземным способом на территории Ростовской области характеризуются Аэфф менее 370 Бк/кг, что позволяет их отнести к 1-му классу материалов и использовать для всех видов строительства.

В отчетном периоде сотрудники лаборатории приняли участие в следующих конференциях и форумах:

1. 1. Международная научно-техническая конференция "Строительство, архитектура и техносферная безопасность"; (ICCATS), г. Сочи, с 04.09.2022 г. по 11.09.2022 г.;
2.  
3. 2. Международная конференция "Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2022" (ICMTMTE 2022), г. Севастополь, с 05.09.2022 г.;
4.  
5. 3. XII Международное Курнаковское совещание по физико-химическому анализу «KURNAKOV 2022», г. Санкт-Петербург, с 25.09.2022 г. по 01.10.2022 г.;
6.  
7. 4. Научная школа-конференция с международным участием для молодых учёных «Функциональные стёкла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства», г. Санкт-Петербург, с 02.10.2022 г. по 08.10.2022 г.
8.  

Было приобретено оборудование, материалы и комплектующие для оборудования для проведения научного исследования в целях реализации проекта, в том числе:

1. 1. Электропечь трубчатая вращающаяся ТК.3.1100.3Ф - предназначена для термообработки сыпучих материалов и снабжена регулировкой подачи материала в камеру печи;
2.  
3. 2. Смеситель – гранулятор ТЛ – 020 - предназначен для исследования и отработки процессов смешивания и гранулирования порошков в периодическом режиме. В качестве перерабатываемых материалов служат сыпучие материалы и жидкое связующее;
4.  
5. 3. Шкаф сушильный - предназначен для нагрева, высушивания и тепловой обработки различных материалов в воздушной среде при температуре до +350 °С.
6.  
7. 4. Водяная баня - предназначена для поддержания постоянной температуры, постепенного выпаривания и экстракции;
8.  
9. 5. Аналитические весы - предназначены для взвешивания твердых тел, сыпучих материалов или жидкостей, с использованием необходимой ёмкости, в таких режимах, как простое взвешивание, подсчет количества предметов и процентное взвешивание.
10.  
11. 6. Микроскоп цифровой металлографический Полар предназначен для исследования непрозрачных объектов в отраженном поляризованном и обыкновенном свете, а также прозрачных объектов в проходящем свете при малых увеличениях: объективы в наличии 5×, 10×, 20× и 50×.
12.  
13. 7. Мельница планетарная PULVERISETTE 7 classic line предназначена для тонкого и сверхтонкого измельчения различных материалов.

Сотрудники лаборатории опубликовали следующие статьи в научных изданиях, индексируемых в базе данных Web of Science Core Collection:

1. 1. Статья «Influence of various coal energy wastes and foaming agents on foamed geopolymer materials synthesis» авторов Яценко Е.А., Гольцман Б.М., Трофимов С.В., Новиков Ю.В., Смолий В.А., Рябова А.В., Климова Л.В. опубликована в журнале «Materials» Q1, 2022, December, Vol. 16, 264.
2.  

В рамках раздела 1.10 «Разработка 2 объектов интеллектуальной собственности» в отчетном периоде сотрудниками лаборатории было разработано три объекта интеллектуальной собственности:

1. 1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022683046 «Генератор иерархических геополимерных структур». Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова». Авторы Лазоренко Г.И., Каспржицкий А.С., Кругликов А.А., Яценко Е.А., Гольцман Б.М. Заявка № 2022681927. Дата поступления 18 ноября 2022 г. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 30 ноября 2022 г. Программа поставлена на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия 120 месяцев.
2.  
3. 2. Секрет производства (ноу-хау) «Состав шихты для функционального вспененного материала» авторов Яценко Е.А., Гольцман Б.М., Лазоренко Г.И., Смолий В.А., Рябова А.В., Каспржицкий А.С., Кругликов А.А., Климова Л.В., Трофимов С.В., Изварин А.И.,

Курдашов В.М., Новиков Ю.В. Приказ ЮРГПУ (НПИ) № 2-68 от 31.10.2022 г. «О введении режима коммерческой тайны». Коммерческая тайна №16-06КТ-22. Ноу-хау поставлен на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия до момента отмены охраны режима коммерческой тайны.

1. 3. Секрет производства (ноу-хау) «Состав шихты для геополимерного материала на основе золошлаковых отходов» авторов

Яценко Е.А., Гольцман Б.М., Смолий В.А., Рябова А.В., Климова Л.В., Трофимов С.В., Романюк В.С., Изварин А.И., Курдашов В.М., Новиков Ю.В. Приказ ЮРГПУ (НПИ) № 2-72 от 28.11.2022 г. «О введении режима коммерческой тайны». Коммерческая тайна №16-07КТ-22. Ноу-хау поставлен на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия до момента отмены охраны режима коммерческой тайны.

Был проведен аналитический обзор рынка функциональных вспененных материалов, в том числе геополимерных. Целью аналитического обзора является изучение рынка вспененных материалов, выявление крупных ведущих производителей исследуемой продукции, в дальнейшем определение перспективности направления развития и применения в строительной отрасли, создания новых вспененных теплоизоляционных материалов на основе использования крупнотоннажных отходов топливной энергетики.

Суммарный объем мирового рынка вспененных материалов достигает 1009 млрд. долл. США и 11,56 млрд. куб. м. в натуральном выражении. Лидирующие позиции занимают страны Азиатско-Тихоокеанского региона: Китай, Япония, Индия, а также ряд европейских стран и США. Суммарный объем российского рынка вспененных материалов составляет 439 млрд. руб. и 110,57 млн. куб. м. в натуральном выражении.

Рынок геополимерных материалов относится к молодым, активно развивающимся рынкам, с высокими темпами роста. Объем мирового рынка в 2021 году составил 5 млрд. долл. США, в натуральном выражении 920 млн. куб. м. Объем российского рынка не превышает 70 тыс. куб. м. и 250 млн. руб. в стоимостном выражении. Из числа российских производителей геополимерных материалов самые крупные: ООО «Геобетон» (Россия); Дистрибуторы геополимерного бетона в РФ (ИП Козинов, Компания «Бетон всем», Компания «Бетон», Компания «РСК»). К зарубежным производителям геополимерных материалов относятся: Geopolymer Solutons LLC (США); Международная группа компаний Imerys Group; PCI Augsburg (Германия); Rocla (Австралия); Universal Enterprise (Индия); Schlumberger Ltd (Нидерланды); Murray & Roberts (ЮАР); Zeobond Pty Ltd (Австралия); Uretek (Литва); Corning Inc. (США); Nu-Core (Австралия); Pyromeral Systems (Франция); Orbix (Бельгия).

Вспененные полимеры и бетон являются самыми популярными среди потребителей – до 90 %, как на мировом, так и на российском рынке. Остальные 10 % – вспененные силикатные, стеклянные и геополимерные материалы. По итогам аналитического обзора рынка вспененных материалов можно утверждать, что технологии получения вспененных материалов на основе использования крупнотоннажных отходов топливной энергетики позволяют расширить сырьевую базу строительной отрасли и внедрить экологичные, энергосберегающие, безотходные технологии производства.