Фторидно-боратные смеси как интенсификатор вспенивания шлаковых отходов тепловых электростанций

Введение. Исследована возможность интенсификации процесса вспенивания шлаковых отходов тепловых электростанций (ТЭС) путем введения смеси плавней (флюсов), состоящей из тетрабората натрия (Na2B4O7) и фторида натрия (NaF). Актуальность исследования обусловлена необходимостью эффективной утилизации промышленных отходов и получения на их основе строительных материалов с улучшенными характеристиками. Научная новизна работы заключается в изучении совместного влияния данных плавней на процессы вспенивания и формирование пористой структуры материала. Цель исследования — оптимизация состава флюсующей смеси для снижения температуры плавления и повышения качества пористых силикатных материалов.

Материалы и методы. Использованы методы рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии, микроскопического анализа и экспериментального определения плотности образцов.

Результаты. Проведено изучение изменений температурных режимов спекания и вспенивания при совместном введении смесей Na2B4O7 и NaF, а также их влияния на структурные и фазовые характеристики материалов. Показано, что тетраборат натрия способствует равномерному распределению пор и формированию аморфной стеклофазы. Фторид вызывает интенсивное оплавление структуры при повышенных температурах, а также рекристаллизацию расплава с формированием кристаллов альбита. Выявлено оптимальное соотношение плавней, обеспечивающее минимальную плотность, стабильную пористую структуру и формирование стеклокристаллического каркаса, способствующего повышению прочности.

Выводы. Полученные результаты демонстрируют перспективность метода утилизации шлаковых отходов ТЭС для получения пористых строительных материалов по технологии «самовспенивания». Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию флюсующих смесей и изучение способов активации золошлаковых отходов для улучшения технологических характеристик получаемых изделий.

1. Nicolás M.F., Chávez M.M., Vlasova M., Pi Puig T. Low-temperature sintering of ceramic bricks from clay, waste glass and sand // Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. 2024. Vol. 63. Issue 5. Pp. 377–388. DOI: 10.1016/j.bsecv.2024.06.003

2. Chen G., Gao J., Liu C., Li S., Zhao Y., Wu H. et al. Effect of waste clay brick powder and slag on mechanical properties and durability of concrete // Powder Technology. 2025. Vol. 453. P. 120623. DOI: 10.1016/j.powtec.2025.120623

3. Dadouch M., Belal T., Ghembaza M.S. Valorization of glass waste as partial substitution of sand in concrete — Investigation of the physical and mechanical properties for a sustainable construction // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 411. P. 134436. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.134436

4. Ma Z., Zhang Z., Liu X., Zhang Y., Wang C. Reusing waste glass fines to substitute cement and sand for recycled ultra-high performance strain-hardening cementitious composites (UHP-SHCC) // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 455. P. 139186. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.139186

5. Рыщенко М.И., Федоренко Е.Ю., Лисачук Г.В., Шабанова Г.Н. Техногенные материалы и промышленные отходы как источник сырья для производства строительных материалов // Экология и промышленность. 2013. № 4 (37). С. 10–16. EDN IEUQQH.

6. Жуков Д.Ю., Аверина Ю.М., Ветрова М.А. Технологический рециклинг отходов переработки обедненных марганцевых руд // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 1 (197). С. 64–67. EDN YVRACV.

7. Корнеева Е.В. Техногенные шламовые отходы промышленности в производстве строительных материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. № 10 (790). С. 99–111. DOI: 10.32683/0536-1052-2024-790-10-99-111. EDN RBKRWN.

8. Ashimova A.A., Bek A.A., Nurlybaev R.Ye., Nurpeisova M.B. Processing of ash and slag waste from thermal power plants with production of building materials // Молодой ученый. 2024. № S48–1 (547–1). С. 18–21. EDN TLMCIG.

9. Hossiney N., Das P., Mohan M.K., George J. In-plant production of bricks containing waste foundry sand — a study with Belgaum foundry industry // Case Studies in Construction Materials. 2018. Vol. 9. P. e00170. DOI: 10.1016/j.cscm.2018.e00170

10. Hafez A.I., Khedr M.M.A., Osman R.M., Sabry R., Mohammed M.S. A comparative investigation of the unit cost for the preparation of modified sand and clay bricks from rice husk waste // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 32. P. 101765. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101765

11. Wang P., Li J., Hu Y., Cheng H. Solidification and stabilization of Pb–Zn mine tailing with municipal solid waste incineration fly ash and ground granulated blast-furnace slag for unfired brick fabrication // Environmental Pollution. 2023. Vol. 321. P. 121135. DOI: 10.1016/j.envpol.2023.121135

12. Petersen R.R., König J., Iversen N., Østergaard M.B., Yue Y. The foaming mechanism of glass foams prepared from the mixture of Mn3O4, carbon and CRT panel glass // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Issue 2. Pp. 2839–2847. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.09.138

13. Smiljanić S., Hribar U., Spreitzer M., König J. Influence of additives on the crystallization and thermal conductivity of container glass cullet for foamed glass preparation // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Issue 23. Pp. 32867–32873. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.08.183

14. Zhou H., Feng K., Liu Y., Cai L. Preparation and characterization of foamed glass-ceramics based on waste glass and slow-cooled high-titanium blast furnace slag using borax as a flux agent // Journal of Non-Crystalline Solids. 2022. Vol. 590. P. 121703. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2022.121703

15. Niu Y.H., Fan X.-Y., Ren D., Wang W., Li Y., Yang Z. et al. Effect of Na2CO3 content on thermal properties of foam-glass ceramics prepared from smelting slag // Materials Chemistry and Physics. 2020. Vol. 256. P. 123610. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2020.123610

16. Karamanov A., Hamzawy E.M.A., Karamanova E., Jordanov N.B., Darwish H. Sintered glass-ceramics and foams by metallurgical slag with addition of CaF2 // Ceramics International. 2020. Vol. 46. Issue 5. Pp. 6507–6516. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.11.132

17. Рябов Ю.В., Делицын Л.М., Ежова Н.Н., Сударева С.В. Методы обогащения золошлаковых отходов угольных ТЭС и пути их вовлечения в хозяйственный оборот : обзор // Теплоэнергетика. 2019. № 3. С. 3–24. DOI: 10.1134/S0040363619030056. EDN YVCLLV.

18. Hu S., Li D., Li Y., Guo Q., Tian D., Zhang L. et al. Preparation of Foamed Ceramics from Graphite Tailings Using a Self-Foaming Method // Minerals. 2023. Vol. 13. Issue 521. DOI: 10.3390/min13040521

19. Erofeev V.T., Rodin A.I., Bochkin V.S., Ermakov A.A. The formation mechanism of the porous structure of glass ceramics from siliceous rock // Magazine of Civil Engineering. 2020. Nо. 8 (100). DOI: 10.18720/MCE.100.6. EDN GPPAGD.

20. Qi Y., Yue Q., Han S., Yue M., Gao B., Yu H. et al. Preparation and mechanism of ultra-lightweight ceramics produced from sewage sludge // Journal of Hazardous Materials. 2010. Vol. 176. Issue 1–3. Pp. 76–84. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.11.001

21. Гольцман Б.М., Смолий В.А., Яценко В.С., Вильбицкая Е.А. Синтез пористых материалов на основе золошлаковых отходов ТЭС по технологии «самовспенивания» // Стекло и керамика. 2025. Т. 98. № 1 (1165). С. 50–57. DOI: 10.14489/glc.2025.01.pp.050-057. EDN EKTPTZ.

22. Сенина М.О., Лемешев Д.О., Протасов А.С., Жуков Д.Ю. Исследование влияния добавки фторида лития на свойства плотной керамики из алюмомагниевой шпинели, полученной спеканием без давления // Цветные металлы. 2022. № 9. С. 18–22. DOI: 10.17580/tsm.2022.09.02. EDN FGPDQW.

23. Wang Z., Huang S., Yu Y., Wen G., Tang P., Hou Z. Comprehensive understanding of the microstructure and volatilization mechanism of fluorine in silicate melt // Chemical Engineering Science. 2021. Vol. 243. P. 116773. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116773

24. Mohan S.K., Sarkar R. A comparative study on the effect of different additives on the formation and densification of magnesium aluminate spinel // Ceramics International. 2016. Vol. 42. Issue 12. Pp. 13932–13943. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.05.206

25. Гольцман Б.М., Яценко Е.А., Яценко Л.А., Ирха В.А. Синтез пористых силикатных материалов при использовании фторида натрия в качестве флюсующей добавки // Цветные металлы. 2021. № 6. С. 44–49. DOI: 10.17580/tsm.2021.06.06. EDN CUCCFS.

26. Manjunatha C., Nagabhushana B.M., Sunitha D.V., Nagabhushana H., Sharma S.C., Venkatesh G.B. et al. Effect of NaF flux on microstructure and thermoluminescence properties of Sm3+ doped CdSiO3 nanophosphor // Journal of Luminescence. 2013. Vol. 134. Pp. 432–440. DOI: 10.1016/j.jlumin.2012.08.006

27. Ge Z., Xiong B., Zhang X., Yuan X. Effect of photo-thermo-induced nucleation on crystallization properties of SiO2–Al2O3–ZnO–Na2O photo-thermo-refractive glass // Optical Materials. 2022. Vol. 132. Issue 4. P. 112878. DOI: 10.1016/j.optmat.2022.112878

28. Kolobkova E., Alkhlef A., Dinh B., Yasukevich A., Dernovich O., Kuleshov N. et al. Spectral properties of Nd3+ ions in the new fluoride glasses with small additives of the phosphates // Journal of Luminescence. 2019. Vol. 206. Pp. 523–529. DOI: 10.1016/j.jlumin.2018.10.082

29. Казьмина О.В., Верещагин В.И. Методологические принципы синтеза пеностеклокристаллических материалов по низкотемпературной технологии // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 41–45. EDN SJVXNP.

30. Казьмина О.В., Верещагин В.И. Физико-химическое моделирование состава пеностеклокристаллических материалов // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41. № 1. С. 166–172. EDN TKAZFZ.

31. Mohassab Y., Sohn H.Y. Analysis of slag chemistry by FTIR-RAS and Raman spectroscopy: Effect of water vapor content in H2O/CO/CO2 mixtures relevant to a novel green ironmaking technology // Steel Research International. 2015. Vol. 86. Issue 7. Pp. 740–752. DOI: 10.1002/srin.201400186

32. Finocchiaro C., Barone G., Mazzoleni P., Leonelli C., Gharzouni A., Rossignol S. FT-IR study of early stages of alkali activated materials based on pyroclastic deposits (mt. Etna, Sicily, Italy) using two different alkaline solutions // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 262. P. 120095. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120095