我校和俄罗斯科学院科拉科研中心化学家创造了一种利用热电站煤渣生产高效地质聚合物的新方法

俄罗斯燃煤发电企业每年产生约2200万吨灰渣废物，而全世界每年产生的灰渣废物则超过8亿吨。俄罗斯热电站每年产生的固态废物据估达15-20亿吨，覆盖面积超过2万平方公里。

研究成果已在期刊Minerals发表。

它们的一种再利用方式是用于生产建筑材料。高钙煤渣和炉灰可用作水泥，低钙煤渣和炉灰可用作混凝土混合物的骨料。但至今为止，采取这种再利用方式的废弃物不超过10%。原因之一我们市场的惰性是。除此之外，一些消费者误认为这类建材不环保，甚至有害。事实并非如此，因为煤渣的再利用技术在世界范围内不仅存在，更得到了成功运用。例如，欧洲98% 的炉灰和炉渣得到了回收利用，在日本是96%，在中国则是80%。但学者们并不满足于现状，而是在寻找新的更环保的煤渣利用方式。

近年来，学者们正在研究利用低钙煤渣合成地质聚合物材料的技术手段。这种材料可以通过天然和人造铝硅酸盐原料（包括热电站煤渣）与碱性剂（氢氧化钠溶液或液态玻璃）相互作用获得。地质聚合物被认为是传统水泥更环保的替代品，可以生产更高效、更耐用的建筑材料（例如水泥和混凝土）。此外，地质聚合物还具有多种宝贵的物理和化学特性，可以在其基础上制造防火防热材料、废水处理材料以及放射性废物处理基质。

不过，化学家们认为，这种方法有一个缺点：并非所有的煤渣在与碱性剂作用后都能生成所需质量的材料。为了解决这个问题，研究人员尝试在研磨活化剂环境中使用高强度的机械加工或使用各种添加剂。尽管如此，目前还不完全清楚这些添加剂如何影响地质聚合物的生产过程。

双方学者们首次同时研究了以下两个因素对地质聚合物生产的影响——在煤渣中添加碳酸盐矿物和机械活化，即在研磨机中对获得的混合物进行加工。

“我们的研究表明，如果使用碳酸钙CaCO3（方解石）为添加剂，就会产生所谓的协同效应。换句话说，在获得地质聚合物之前对煤渣和方解石混合物进行机械加工，相较于单独对煤渣进行机械加工后再引入碳酸盐添加剂，这样能大大提高产物的强度。”研究作者、我校化学热力学和动力学教研室伊琳娜·紫薇列娃说。她认为，这可以与古代人们在建造住宅时将粘土和芦苇相结合的方式相比较。结果证明，芦苇加固的粘土墙壁比仅用粘土建造的墙壁更坚固、更有效。

为了更好地理解这一过程，他们还研究了在煤渣中添加其他金属（镁、锶和钡）的碳酸盐的效果。这类金属在今年恰逢190周年诞辰的著名校友德米特里·门捷列夫的元素周期表中都是钙的邻居。

德米特里·门捷列夫生于1834年2月8日，是杰出学者、元素周期表发明者，在我校生活和工作的岁月里，为化学、物理学、地质学、计量学和其他学科做了基础性的工作。现今，在他的办公室内已建立了圣彼得堡国立大学门捷列夫博物馆和档案馆。

我校的热化学研究以及随后的实验表明，碳酸盐与碱性剂（氢氧化钠溶液）发生反应的能力起着重要作用。因此，碳酸镁与碱的反应最为活跃，而碳酸锶和碳酸钡则是惰性的。方解石处于中间位置，可提供最高效的地质聚合物。

“在研磨机中对煤渣和方解石同时进行研磨，不仅仅是将它们混合在一起并减小粒度。当颗粒分裂时，将其作为一个整体结合在一起的化学键被打破，一个富含活性位点的表面暴露出来。因此，煤渣的活性更高，在碱中的溶解度也更高。与煤渣相比，方解石的耐碱性更强，但在与灰烬在研磨机中共同研磨后，方解石的活性也会提高。机械活化的方解石部分溶解在碱中，并在一定程度上转化为两种新形成的物质——石灰（氢氧化钙）和球状方解石。众所周知，新形成物质的表面也富含活性位点。方解石中被机械化学诱导的位点以及石灰和球状方解石中的‘新诞生’的位点在所发现的协同效应中发挥着重要作用。”塔纳纳耶夫稀有元素和矿物原料化学与技术研究所硅酸盐材料技术部主任亚历山大·卡林金教授说道。

有必要指出，方解石是最容易获得的矿物之一，以石灰石、白垩、大理石、贝壳的形式存在的方解石随处可见，覆盖了数千万平方千米的地球表面。

因此，采用方解石生产地质聚合物可以经济、廉价地改善热电站的环境状况，不仅可以再利用煤渣产品，还可以生产有用的材料。

文章指出，碳酸锶和碳酸钡虽然不能像碳酸钙那样显著提高地质聚合物的强度，但却能可靠地融入地质聚合物基质，从而增强其强度。正如双方学者所指出的，这些数据对于以碳酸盐的形式在地质聚合物中固定放射性锶90很有意义。而碳酸钡能很好地吸收X射线和伽马射线，因此含有碳酸钡的地质聚合物可用作防辐射材料。

在彼得大帝颁布了关于建立圣彼得堡国立大学和俄罗斯科学院的法令后，于1724年1月28日（俄历2月8日）成立了俄罗斯第一所大学——圣彼得堡国立大学。如今，圣彼得堡国立大学已成为世界一流的科学、教育和文化中心。2024 年，圣彼得堡大学将庆祝建校 300 周年。

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