Опасные дисперсные частицы из угольной золы найдут свое применение в промышленности

Красноярские ученые охарактеризовали магнитные фракции дисперсных частиц размером меньше 10 микрон, входящих в состав летучих зол от промышленного сжигания угля на тепловых электростанциях. Это позволит использовать их для создания новых функциональных материалов и снизить загрязнение окружающей среды вредными для здоровья человека частицами-аэрозолями. Результаты работы опубликованы в журнале ACS Omega.

Угольные электростанции ежегодно производят 38 % мирового объема электроэнергии и около 1 миллиарда тонн летучей золы в качестве техногенных отходов. В зависимости от типа и условий сжигания угля в золе содержится до 40 % дисперсных частиц субмикронного и микронного размера. Особую экологическую опасность представляют частицы-аэрозоли класса PM2.5 с размером меньше 2,5 микрометра, которые практически постоянно находятся в атмосфере во взвешенном состоянии и не выводятся из легких человека. Чтобы оценить риски антропогенного воздействия на окружающую среду, связанные с промышленным сжиганием угля, а также свести к минимуму загрязнение микродисперсными компонентами, в том числе с повышенным содержанием железа, необходимо выделить и охарактеризовать магнитные твердые частицы летучей золы и найти им применение.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» впервые в мире выделили магнитные фракции микросфер PM2.5, PM2.5-10, PM10 из летучей золы экибастузского угля — одного из высокозольных углей России, — и определили их характеристики. Полученные данные позволят преобразовывать дисперсные зольные отходы в сырье для высокотехнологичного применения, например, для разработки новых композиционных сорбентов со структурой ядро-оболочка, магнитных носителей, аффинных сорбентов или биосенсоров.

Летучая угольная зола состоит из множества компонентов с различными характеристиками и составом. Красноярские исследователи выделили из нее только магнитные частицы, относящиеся к экологически опасным, и распределили их на фракции в зависимости от размера и плотности. В результате были получены фракции с узким распределением частиц по размеру среднего диаметра 1, 2, 3 и 7 микрон.

Основными макрокомпонентами их химического состава являются оксиды железа, кремния и алюминия, а фазовый состав включает аморфные компоненты, то есть вещества в стеклообразном состоянии, и кристаллические фазы, среди которых феррошпинель, гематит, муллит и кварц. Кроме того, ученые обнаружили формирование наноразмерных частиц редкой и трудной в получении метастабильной фазы — эпсилон-оксида железа. Исследователи установили зависимости содержания отдельных компонентов состава узких фракций от размера частиц. Так, например, с ростом среднего диаметра частиц от 1 до 7 микрон доля оксида железа, гематита и стеклофазы в ее составе увеличивается, а муллита и кварца — уменьшается.

По мнению ученых, сферическая форма дисперсных зольных частиц, сочетание магнитных свойств с высокой термической стабильностью, а также возможность модификации поверхности частиц функциональными группами для изменения их свойств дают преимущества для успешного конструирования на их основе микросферических функциональных материалов для эффективного высокотехнологичного применения.

«Летучие золы являются сложным для изучения и использования объектом, поскольку неоднородны по размеру, составу, морфологии глобул и, следовательно, не могут применяться для получения новых материалов с прогнозируемыми свойствами без предварительной классификации. При этом они содержат целый ряд ценных компонентов, среди которых алюмосиликатные полые микросферы — ценосферы, магнитные микрошарики — ферросферы, несгоревшие угольные частицы. Эти компоненты обладают уникальными технологическими свойствами, благодаря которым могут использоваться во многих современных технологиях. На современном оборудовании мы получили магнитные фракции дисперсных частиц, которые относятся к экологически опасным классам PM2.5 и PM10, и охарактеризовали их. Из-за повышенного содержания железа эти частицы могут вызывать апоптоз легких у человека, поэтому очень важно повысить степень их извлечения из летучих зол и найти области последующего использования. За счет переработки дисперсных компонентов, будет снижаться количество отходов и, соответственно, загрязнение окружающей среды. Например, эти частицы можно использовать для создания высокоэффективных микросферических функциональных материалов — сорбентов, магнитных носителей, катализаторов и биосенсоров», — рассказала старший научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат химических наук Елена Викторовна Фоменко.

Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН