Порядка 90% зданий в мире построены с использованием цемента. Его производство сопровождается значительными выбросами: при обжиге выделяется около 900 кг углекислого газа на тонну, а с учетом топлива общий объем достигает 5-8% от количества в мире. Это усугубляет парниковый эффект и изменение климата. Чтобы снизить это воздействие, в 30% случаев для внутренней отделки применяют не цемент, а ангидрит — материал на основе гипсосодержащих компонентов и серной кислоты. Из него делают штукатурку, шпаклевку, наливной пол. Он более экологичен, но требует дорогого сырья и большого расхода энергии. Ученые Пермского Политеха и Института технической химии УрО РАН разработали новый метод получения активного ангидрита. Технология почти не требует внешнего нагрева. Это снижает энергозатраты в 5-10 раз и полностью исключает образование отходов.
На изобретение получен патент № 2842622. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Цементные предприятия используют огромное количество энергии и воды, являются источником пыли, токсичных оксидов серы и азота, загрязняющих воздух и почву. Например, один крупный завод производит 5 миллионов тонн цемента в год и потребляет при этом до 12 миллионов кубических метров воды ежегодно. Этого объема достаточно для водоснабжения города с населением 100 тысяч человек.
Из-за вреда для экологии и необходимости снижать использование цементных смесей разработали аналог, который можно применять для внутренней отделки. Речь об ангидрите — это природный минерал на основе сульфата кальция, который не содержит воду. В строительстве его изготавливают из гипса и серной кислоты. Чаще всего он применяется как вяжущее в укрепляющей смеси для наливных полов, шпаклевки, штукатурки, заделывания трещин в бетоне. В сравнении с обычным цементом, который твердеет почти месяц, ангидрит застывает за 1-2 дня.
При производстве гипс смешивают с серной кислотой и нагревают до высоких температур. Кислота ускоряет испарение влаги, вся жидкость выходит и остается ангидрит — сухой порошок без молекул воды.
— Главная проблема традиционных методов производства ангидрита — их высокая экологическая и экономическая стоимость. Для получения материала гипс необходимо нагревать до 400-850°C. Это требует огромных энергозатрат (0,55-0,7 киловатт в час на 1 килограмм) и приводит к выбросам углекислого газа. Поскольку гипс содержит примеси, его обработка серной кислотой оставляет токсичные отходы: фосфаты и тяжелые металлы. Они накапливаются в сточных водах и вызывают цветение, а кислотные пары загрязняют воздух и разъедают оборудование для производства ангидрита. Утилизация отходов проблематична — их нужно выпаривать или химически нейтрализовывать, что означает дополнительные энергетические и денежные затраты, — комментирует Виктор Вальцифер, заместитель директора по науке Института технической химии УрО РАН, профессор кафедры «Технологии полимерных материалов и порохов» Пермского Политеха, доктор технических наук.
Ученые Пермского Политеха предложили использовать для производства ангидрита известняк вместо гипса. В отличие от цемента, он не требует высоких температур выпаривания, что уменьшит экологический урон.
— В известных способах нужно накалить гипсосодержащий материал до высоких температур, чтобы он начал испарять воду. У нас эта реакция проходит всего при 110-160°C. Известняк измельчают до 1 мм, соединяют с серной кислотой и перемешивают в специальном вращающемся реакторе. В процессе тепло для испарения жидкости выделяет сама реакция между компонентами, поэтому технология не нуждается в нагреве и большом количестве электроэнергии. В итоге наша формула изобретения позволила получить активный ангидрит с содержанием сульфата кальция от 80,1 до 93,8%, что соответствует стандартам, — комментирует Владимир Пойлов, профессор кафедры «Химические технологии» Пермского Политеха, доктор технических наук.
Известняк — это натуральный и чистый материал, в котором почти нет лишних примесей. Он не оставляет осадка, поэтому его не нужно фильтровать. Все сырье полностью перерабатывается, обеспечивая безотходное производство. Процесс происходит в закрытой системе, где все компоненты вступают в реакцию. На выходе получается сухой готовый продукт, не уступающий по свойствам классическому ангидриту на основе гипса. Его можно сразу использовать и никакой дополнительной обработки не требуется.
Способ ученых ПНИПУ позволяет снизить температуру обжига гипса с 850°C до примерно 110°C и сократить энергозатраты на 70-90%. Новая технология успешно протестирована в лабораторных и опытно-промышленных условиях и готова к внедрению в производство. Разработка пригодится в строительной индустрии и химической промышленности.