Каждый год угольные тепловые электростанции производят миллионы тонн летучей золы. Это один из самых массовых промышленных отходов в мире: только в России её накоплено, по разным оценкам, свыше 1,5 миллиарда тонн. Зола содержит тяжёлые металлы, хранится на полигонах и представляет реальную угрозу для почвы и грунтовых вод. Российские учёные совместно с китайскими коллегами предложили способ превратить этот опасный отход в ценный реагент для очистки питьевой воды и сделать это экономически выгодно.
Что такое коагулянт и зачем он нужен
На станциях водоподготовки коагулянты – один из ключевых инструментов очистки. Их добавляют в воду, где они связывают мельчайшие загрязняющие частицы в хлопья, которые затем оседают на дно и легко удаляются. Без этого этапа получить питьевую воду из природных источников практически невозможно.
Один из наиболее эффективных коагулянтов – полиоксихлорид алюминия. Его производят из алюминийсодержащего сырья, и обычно это сырьё нужно добывать или закупать. Коллектив из четырёх научных организаций – ГЕОХИ РАН, Уральского федерального университета, МГУ имени Ломоносова и Университета Тунцзи в Шанхае – предложил принципиально иной источник: летучую золу с угольных ТЭС.
Как зола превращается в реагент
Летучая зола – это сложная смесь оксидов кремния, алюминия и кальция. Алюминия в ней достаточно много, но он связан в форме муллита – минерала с очень устойчивой кристаллической структурой, которую сложно разрушить обычными методами.
Решение нашли в сочетании двух шагов. Сначала золу подвергают механической активации – по сути, интенсивному измельчению, которое разрушает структуру муллита и делает алюминий доступным для дальнейшей химической обработки. Затем следует обжиг с сульфатом аммония, после которого алюминий можно извлечь кислотным выщелачиванием. В результате из исходного сырья удаётся получить около 78,6% содержащегося в нём алюминия – это высокий показатель для подобных процессов.
Отдельной проблемой оказался кальций: при выщелачивании он норовит образовывать гипс, который загрязняет промежуточный продукт и мешает дальнейшему синтезу. Учёные решили её добавлением гидроксида кальция на стадии кислотного выщелачивания – это переводит кальций в форму безводного ангидрита, который легко отделяется и не мешает процессу. Эффективность удаления кальция превысила 95%.
Далее из очищенного раствора получают алюмоаммонийные квасцы, из которых синтезируют нанопорошок аморфного гидроксида алюминия. Тот быстро растворяется в соляной кислоте – и на выходе получается целевой полиоксихлорид алюминия.
Экономика: что остаётся после переработки
Технология устроена так, что отходов в привычном смысле практически не остаётся. Из одной тонны золы муллитового типа можно получить до 0,58 тонны полиоксихлорида алюминия и одну тонну обогащённого кальцием твёрдого остатка. Последний пригоден для использования в производстве строительных смесей – то есть и этот побочный продукт находит применение.
Это классическая логика замкнутого цикла: опасный отход превращается в два полезных продукта, ни один из которых не требует захоронения. Для ТЭС это означает потенциальное решение одной из самых болезненных проблем – утилизации золы, за хранение которой предприятия платят немалые деньги и несут экологическую ответственность.
Результаты исследования опубликованы в журнале Process Safety and Environmental Protection и уже получили международное признание.
История с угольной золой – хороший пример того, как взгляд на промышленный отход меняется при смене угла зрения. То, что десятилетиями складировалось на полигонах как неизбежная плата за электроэнергию, оказывается источником сырья для очистки питьевой воды. Масштабирование технологии на крупные ТЭС с большими объёмами золоотвалов могло бы одновременно снизить экологическую нагрузку и сократить зависимость водоподготовки от импортных или дорогостоящих реагентов – задача, актуальность которой в последние годы только растёт.