Второй год

В рамках выполнения проекта за 2023 был выполнен ряд работ. Проведен теоретический научно-технический обзор технологии производства и основных технологических этапов получения геополимерных материалов, в ходе которого определены основные технологические этапы синтеза геополимерных материалов. В первую очередь был проведен обзор основных технологических методов получения геополимерных материалов. Установлено, что наиболее целесообразен выбор метода заливки, сопряженный с методом прямого вспенивания геополимерных материалов, а также метод воздействия микроволнового излучения.

Основываясь на специфике выбранных методов, были определены дальнейшие технологические этапы получения геополимеров: отбор сырьевых алюмосиликатных материалов; подготовка сырья к дальнейшему использованию; приготовление раствора щелочного активатора; подготовка вспенивающих агентов для дальнейшего использования, смешение подготовленного сырья и раствора щелочного активатора, введение вспенивающих агентов; формование полученной геополимерной пасты, вспенивание геополимерной пасты; сушка материала; механическая обработка высушенного материала.

Был проведен отбор проб золошлаковых отходов с золоотвала Новочеркасской ГРЭС и отвальной породы угольных шахт (Красносулинский район, г. Гуково, п. Алмазный), подготовка их к анализам и синтезу. Проведено измельчение проб на специальных мельницах или иным путем, отобрана средняя проба методом квартования (при отборе проб с батарейных циклонов или скрубберов), произведена сушка проб при температуре 110 °С. Исходная влажность золошлаковых отходов по результатам измерений составила 35%. Было установлено, что для достижения влажности золошлаковых отходов 13% необходимо осуществлять сушку в течение 6 часов при температуре 110 °C. После сушки золошлаковые отходы подвергают гранулометрическому анализу. Установлено, что 72 % частиц испытуемого материала обладают размером более 250 мкм, в связи с чем необходим их дальнейший помол. Помол золошлаковых отходов осуществляли в шаровых барабанных мельницах, горелой породы отвалов угольных шахт – в дисковом истирателе, в течении 8 часов, а также в планетарной мельнице в течении 1 часа. При данных временных значениях, 80 % испытуемых проб измельчается до размера частиц менее 250 мкм. Дальнейшая обработка материала в помольном оборудовании является нецелесообразной, в связи с повышенными энергетическими затратами.

Проведен поиск, анализ и выбор оптимального активатора и порообразователя для синтеза вспененных геополимеров. В качестве наиболее перспективного и дешевого активирующего раствора для получения вспененных геоплимеров на основе золошлаковых отходов была выбрана смесь гидроксида натрия и силиката натрия. В качестве наиболее перспективного кислотного активатора для получения вспененных геоплимеров на основе горелых вмещающих пород отвалов угольных шахт выбрана фосфорная кислота, обладающая способностью фосфатной активации алюмосиликатов. В качестве порообразующей добавки для синтеза вспененных геополимерных материалов на основе отходов угольных электростанций, были рассмотрены – перекись водорода, гипохлорит натрия, перборат натрия, алюминий и кремний. В качестве наиболее перспективных и дешевых были выбраны перекись водорода и алюминиевый порошок. Рассмотрен физический метод порообразования в производстве геополимеров на основе отходов угледобычи – СВЧ-излучение. При СВЧ-излучении происходит быстрое повышение температуры, что приводит к захвату образовавшихся пузырьков воздуха геополимерной сеткой и создается пористая структура.

Проведены исследования по подбору оптимального состава для синтеза вспененных геополимеров. Установлен оптимальный сырьевой состав для синтеза геополимеров, мас. %: золошлаковая смесь – 76, силикат натрия – 19, гидроксид натрия – 3, алюминиевый порошок – 2, вода (сверх 100) – 6. Установлен оптимальный состав для синтеза вспененных геополимеров на основе горелой породы отвалов угольных шахт мас. %: горелая порода отвалов угольных шахт – 67,8, водный раствор ортофосфорной кислоты (14М) – 32,2 при соотношении масс активатора к алюмосиликатному прекурсору равному 0,475.

Изложены методы и подходы для разработки компьютерного дизайна иерархических геополимерных материалов и моделирование массопереноса в пористой среде продуктов геополимеризации отходов энергетики, в том числе примесных элементов. Разработаны параметры моделей геополимерых структур основанные на каркасе содалита с различным соотношением Si/Al. Для компенсации избыточного заряда были введены ионов щелочных металлов и молекулы воды, соответствующее нормальным условиям. Установлены закономерности массопереноса в пористой среде продуктов геополимеризации. Исследован механизма иммобилизации в иерархических геополимерных материалов, определяющий массоперенос в пористой среде продуктов геополимеризации. Возможность структурной перестройки молекул воды позволяет им занять положения, обеспечивающие повышение стабильности алюмосиликатного каркаса.

Проведено изучение процесса отверждения, поскольку температура и время отверждения напрямую влияет на физико-механические свойства синтезированного продукта, такие как предельная прочность на сжатие, плотность, пористость и т.д. Было установлено, что при синтезе пористых геополимеров на основе золошлаковых отходов Новочеркасской ГРЭС оптимальными температурно-временными параметрами является режим отверждения в сушильном шкафу при температуре 90 ℃ и выдержке в течение 12 ч, а на основе отходов угледобычи при воздействии выходной мощности СВЧ-излучения 1000 Вт в течение 10 мин с последующей термической постобработкой в сушильном шкафу при температуре 100 ℃ в течение 24 ч.

Определена средняя плотность образцов геополимеров, согласно ГОСТ 17177-94. Установлено, что образцы геополимеров на основе отходов сжигания угля обладают плотностью 322 ± 6 кг/м3, что позволяет их отнести к классу легких теплоизоляционных материалов, образцы геополимеров на основе отходов угледобычи обладают плотностью 943 ±9 кг/м3, что показывает, что разрабатываемые материалы относятся к классу конструкционно-теплоизоляционных. Определена средняя пористость разрабатываемых материалов, согласно ГОСТ 12730.4-2020. Установлено, что пористость синтезируемых вспененных геополимеров составляет 79,02 ± 0,37 % и 64,34 ± 1,54%, для образцов на основе отходов сжигания угля и отходов угледобычи, соответственно. Установлено, что образцы геополимеров на основе отходов сжигания угля преимущественно состоят из пор размером 0,2-0,4 мм, образцы на основе отходов угледобычи состоят из пор размером 0,2-0,6 мм, что показывает равномерность распределения ячеистой структуры в материалах. В результате определения среднего коэффициента теплопроводности установлено, что для геополимера на основе отходов сжигания угля данное значение составляет - 0,0833 ± 0,0045 Вт/(м·К), для геополимера на основе отходов угледобычи - 0,107 ± 0,002 Вт/(м·К), что соответствует ожидаемым результатам и позволяет отнести разрабатываемые материалы к классу теплоизоляционных, которые согласно определению, обладают теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м·К). В результате испытаний на прочность было установлено, что образцы геополимеров на основе отходов сжигания угля обладают средней прочностью на сжатие – 0,51 ± 0,09 МПа, образцы геополимеров на основе отходов угледобычи - 10,2 ± 0,04 МПа, что согласно определению, соответствует конструкционно-теплоизоляционным материалов.

Изложены методы и подходы, определяющие связи между структурой геополимерных материалов и их свойствами. Разработана математическая модель взаимосвязи состава геополимерных прекурсоров, режимов их синтеза и свойств, синтезированных вспененных геополимерных материалов. Модель разработана на основе квантитативных соотношений структура-свойство (QSPR). QSPR в контексте материаловедения позволяет прогнозировать физических и физико-химических свойств материалов. Этот подход позволяют обнаруживать скрытые закономерности и связи между структурой и свойствами материалов. Для реализации данного подхода рассмотрены основы методов регрессионного анализа и метод частичных наименьших квадратов. Предложены аналитические зависимости, определяющие модель для прогнозирования свойств синтезированных вспененных геополимерных материалов на основе состава геополимерных прекурсоров и режимов их синтеза.

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

1. Международная научно-практическая конференция «Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2023» (ICMSSTE 2023), г. Ялта, с 16.05.2023 г. по 19.05.2023 г.;
2. Международная научная конференция «Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология», г. Алушта, с 05.06.2023 г. по 09.06.2023 г.;
3. VIII Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов» в рамках VIII Всероссийского форума «Наука будущего – наука молодых»,
4. Международная научно-техническая конференция «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования 2023» (ICMTMTE 2023), г. Севастополь, с 04.09.2023 г. по 08.09.2023 г.;
5. Международная научно-техническая конференция «Строительство, архитектура и техносферная безопасность», г. Сочи, с 10.09.2023 г. по 16.09.2023 г.

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

1. Горизонтальный цифровой дилатометр Orton Ceramic DIL 1410В;
2. Флэш-хроматограф SepaBean Machine 2;
3. Стереомикроскоп SZM-110;
4. Установка дифференциально-термического (ДТА) и термогравиметрического (ТГА) анализа;
5. Ручной двухдисковый шлифовально-полировальный станок Alpha 202G;
6. Лазерный анализатор микрочастиц ЛАСКА ТД;
7. Спектрофотомер Syntes Labs PQ Indastry Basic;
8. Печь горизонтальная AlterGlass kf-06061;
9. Тепловизор DT-9897H;
10. Весы лабораторные аналитические BEL DA-224С;
11. Весы лабораторные Adam HCB-302;
12. Комплект для определения плотности твердых тел и жидкостей DENSITY KIT.

В отчетном периоде сотрудники лаборатории опубликовали следующие статьи в научных изданиях, индексируемых в базе данных Web of Science Core Collection:

1. Статья «Mechanism of Cs Immobilization within a Sodalite Framework: The Role of Alkaline Cations and the Si/Al Ratio» авторов А.С. Каспржицкий, Я.М. Ермолов, В.Б. Мищиненко, А.А. Васильченко, Е.А. Яценко, В.А. Смолий в журнале «International Journal of Molecular Sciences» Q1, 2023, Vol. 24(23), 17023.
2. Статья «Structure of bound water layer on montmorillonite surface: The role of transand cis- vacant sites» авторов А.С. Каспржицкий, А.А. Кругликов, Я.М. Ермолов, В.А. Явна, М.С. Плешко, Г.И. Лазоренко опубликована в журнале «Applied Surface Science», Q1, 2023, September, Vol. 642, 158565.
3. Статья «Study on the Curing and Foaming of Surfactant-Modified Geopolymer Gels Based on Ash and Slag Waste from Coal Combustion» авторов Е.А. Яценко, С.В. Трофимов, Б.М. Гольцман, Li Wensheng, В.А. Смолий, А.В. Рябова, Л.В. Климова, А.И. Изварин в журнале «Gels», Q1, 2023, December, Vol. 10(1), 19.
4. Статья «Recycling of Coal Combustion Waste through Production of Foamed Geopolymers with Improved Strength» авторов Е.А. Яценко, Б.М. Гольцман, Ю.В. Новиков, С.В. Трофимов, А.В. Рябова, В.А. Смолий, Л.В. Климова в журнале «Sustainability» Q2, 2023, Vol. 15(23), 16296.
5. Статья «Recycling ash and slag waste from thermal power plants to produce foamed geopolymers» авторов Е.А. Яценко, Б.М. Гольцман, А.И. Изварин, В.М. Курдашов, В.А. Смолий, А.В. Рябова, Л.В. Климова опубликована в журнале «Energies», Q3, 2023, Vol. 16 (22), 7535.
6. Статья «Structural and electronic characteristic dataset of the water on basal surface the cis- and trans-vacant variety of a montmorillonite» авторов А.С. Каспржицкий, А.А. Кругликов, Я.М. Ермолов, Г.И. Лазоренко опубликована в журнале «Data in Brief», Q3, 2023, Vol. 51, 109668.

Разработано 4 объекта интеллектуальной собственности:

1. Патент РФ на изобретение № 2802651 «Сырьевая смесь на основе золошлаковых отходов для получения геополимерного материала с низкой плотностью». Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова». Авторы Яценко Е.А., Гольцман Б.М., Изварин А.И., Смолий В.А., Климова Л.В., Трофимов С.В. Дата приоритета 05 апреля 2023 г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 30 августа 2023 г. Патент поставлен на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия исключительного права на изобретение истекает 05 апреля 2043 г.
2. Патент РФ на изобретение № 2809988 «Способ определения пластичности глинистого сырья». 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., Мищиненко В.Б., Яценко Л.А., Яценко Е.А. Изварин А.И. Дата приоритета 19 мая 2023 г. Дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 декабря 2023 г. Патент поставлен на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия исключительного права на изобретение истекает 19 мая 2043 г.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023687477 «Массоперенос в иерархических геополимерных структурах» (МИГС)». 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., Мищиненко В.Б., Яценко Е.А. Заявка № 2023686697. Дата поступления 06 декабря 2023 г. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ М 14 декабря 2023 г. Программа поставлена на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия 120 месяцев.
4. Секрет производства (ноу-хау) «Модифицированный компонентный состав сырьевой смеси для получения геополимерного материала» авторов Яценко Е.А., Гольцман Б.М., Смолий В.А., Рябова А.В., Климова Л.В., Изварин А.И., Трофимов С.В., Головко Д.А., Романюк В.С., Курдашов В.М. Приказ ЮРГПУ (НПИ) № 2-46 от 29.11.2023 г. «О введении режима коммерческой тайны». Коммерческая тайна № 01КТ-23. Ноу-хау поставлен на учет в ЕГИСУ НИОКТР. Срок действия до момента отмены охраны режима коммерческой тайны.

Получен новый грант РНФ, соглашение № 23-79-01004 от 08.08.2023 «Исследование флюсующего эффекта фторидно-боратных смесей при термической обработке теплоизоляционных алюмосиликатных композиций», руководитель Гольцман Б.М., организация финансирования Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными».

В отчетном периоде сотруднику лаборатории Яценко Любови Александровне была присуждена ученая степень кандидата технических наук, приказ ВАК о выдаче дипломов кандидата наук №1375/нк от 28 июня 2023 года, совет на базе ФГБОУ ВО «СанктПетербургский государственный технологический институт (технический университет). Тема диссертации «Разработка технологии пористых силикатных материалов на основе природных аморфных кремнеземистых пород и комплексного порообразователя», дата защиты 15.02.2023 г.

Реализована стажировка аспирантов, инженеров лаборатории «Рециклинг отходов топливной энергетики» - Новикова Юрия Владимировича и Ткаченко Вадима Дмитриевича в Индийском технологическом институте Индора (г. Индор, Республика Индия) в лаборатории строительных материалов и механики твердого тела, в период с 16 ноября по 21 декабря 2023 года (37 дней). Стажировка реализовывалась под руководством профессора кафедры гражданского строительства и научного руководителя лаборатории «Рециклинг отходов топливной энергетики» Сандипом Чаудхари. В ходе стажировки Новиковым Ю.В. и Ткаченко В.Д. были проведены следующие работы: изучение научных публикаций, написанных сотрудниками лаборатории; синтез образцов механохимически активированных геополимерных бетонов на основе золы-уноса и гранулированного молотого доменного шлака; исследования влияния температурного режима сушки образцов геополимеров на их механические свойства; исследования механических характеристик синтезированных образцов; исследования фазового состава синтезированных образцов; исследования микроскопии используемых сырьевых материалов; исследования возможности применения для синтеза газонаполненных силикатных материалов отходов солнечной энергетики (лома солнечных батарей); конечный сбор теоретических и практических данных для написания научной публикации.

Проведен комплекс работ по формированию программы и методики исследовательских испытаний разрабатываемого материала с учетом современных нормативно-правовых документов. Определена цель испытаний, которая заключается в исследовании характеристик объектов испытаний и путей достижения поставленных значений. Определен объект испытаний – гранулят вспененного геополимерного материала, составлен перечень нормативно-правовых ссылочных документов, оставлен перечень средств проведения испытаний, разработанный согласно выбранным нормативноправовым документам. разработана программа испытаний, которая включает в себя определение следующих показателей гранулята вспененного геополимерного материала и точность их измерения: фракция; насыпная плотность; влажность; содержание расколотых зерен; прочность при сдавливании в цилиндре; морозостойкость при потере массы после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания; потеря массы при определении стойкости против силикатного распада; потеря массы при кипячении; содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений; потеря массы при прокаливании; коэффициент теплопроводности; значение суммарной удельной эффективной активности естественных радионуклидов.

Проведена научная школа с 28 мая по 2 июня 2023 г. на базе Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Ростовская область. В рамках научной школы «Зеленое будущее» было заслушано 59 докладов, по секциям: «Технологические аспекты рециклинга промышленных и бытовых отходов» – 23 доклада; «Проблемы и перспективы синтеза новых материалов для «зеленого будущего» – 21 доклад; «Задачи современного цифрового материаловедения» – 15 докладов.

Выходные данные сборника:

Научная школа «Зеленое будущее» для молодых ученых, аспирантов и студентов. г. Новочеркасск, 28.05.2023 г. - 02.06.2023 г.: Тезисы докладов / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. – Новочеркасск: Изд-во «НОК», 2023. – 240 с. ISBN 978-5-8431-0514-3.

Была разработана и реализована новая дополнительная профессиональная программа «Зеленые технологии будущего», 16 часов. Утверждена на заседании ученого совета ЮРГПУ (НПИ) № 6 от 1 марта 2023 года, приказ ЮРГПУ (НПИ) о реализации и стоимости образовательных услуг по дополнительной профессиональной программе №1-94 от 24.03.2023г. Программа реализована на кафедре «Общая химия и технология силикатов». Обучение прошло 33 чел.

В ходе образовательной программы были прочитаны следующие лекции:

1. Утилизация отходов в строительстве (лектор Чаудхари С.);
2. Компьютерный дизайн «зеленых» материалов (лектор Каспржицкий А.С.);
3. Дополнительные цементирующие материалы (лектор Чаудхари С.);
4. Многомасштабное компьютерное моделирование функциональных геополимерных материалов (лектор Каспржицкий А.С.);
5. Геополимеры – углеродно-нейтральный материал для зеленого строительства (лектор Яценко Е.А.);
6. Утилизация отходов топливной энергетики (лектор Смолий В.А.);
7. Пеностекло – современный теплоизоляционный материал (лектор Гольцман Б.М.);
8. Экологические аспекты защиты металлов от коррозии (лектор Рябова А.В.).