CC BY
0
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2024. № 2
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
Научная статья УДК 666.9-127
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-2-77-82
Исследование порообразования теплоизоляционного геополимера на основе золошлаковых отходов
А.И. Изварин, Е.А. Яценко, Д.Н. Изварина
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Исследованы пенообразующие добавки, влияющие на пористую структуру и свойства теплоизоляционного геополимера на основе золошлаковых отходов. Показано, что подбор пенообразователя и его содержания в геополимерной смеси позволяет регулировать пористую структу ру и свойства получаемого материала. В качестве пенообразователя выбраны алюминиевый порошок и 30 %-й раствор пероксида водорода с содержанием 1,5; 2,0 и 2,5 % по массе. По результатам исследования установлено, что 30 %-й раствор пероксида водорода является лучшим порообразователем. Его содержание 2,0 % по массе позволяет синтезировать материалы с плотностью 351 кг/м3, коэффициентом теплопроводности 0,0782 Вт/(мК) и прочностью на сжатие 0,62 МПа.
Ключевые слова: порообразование, геополимер, золошлаковые отходы, пористая структура, утилизация, теплоизоляция
Благодарности: исследование выполнено при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям в рамках выполнения программы «УМНИК» по договору 19037ГУ/2023 «Разработка технологии утилизации золошлаковых отходов за счет их использования при получении теплоизоляционного геополимерного материала».
Для цитирования: Изварин А.И., /ценко Е.А., Изварина Д.Н. Исследование порообразования теплоизоляционного геополимера на основе золошлаковых отходов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. №2 2. С. 77-82. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-2-77-82.
Original article
Research of pore formation of thermal insulating geopolymer based on ash and slag waste
A.I. Izvarin, E.A. Yatsenko, D.N. Izvarina
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The work investigated foaming additives that affect the porous structure and properties of a thermal insulating geopolymer based on ash and slag waste. It has been shown that the selection of a foaming agent and its content in a geopolymer mixture makes it possible to regulate the porous structure and properties of the resulting material. Aluminum powder and a 30 % hydrogen peroxide solution with a content of 1,5 were chosen as a foaming agent; 2,0 and 2,5 wt.%. Based on the results of the study, it was found that a 30 % solution of hydrogen peroxide is the best porogen. Content 2,0 wt.%. allows you to synthesize materials with a density of 351 kg/m3, a thermal conductivity coefficient of 0,0782 W/(m-K) and a compressive strength of 0,62 MPa.
Keywords: pore formation, geopolymer, ash and slag waste, porous structure, recycling, thermal insulation
Acknowledgment: the research was carried out with financial support from the Innovation Promotion Fund within the framework of the UMNIK program under agreement 19037GU/2023 «Development of technology for recycling ash and slag waste through their use in the production of heat-insulating geopolymer material».
© ЮРГПУ (НПИ), 2024
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
For citation: Izvarin A.I., Yatsenko E.A., Izvarina D.N. Research of pore formation of thermal insulating geopolymer based on ash and slag waste. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(2):77-82. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-2-77-82.
Введение
Теплоизоляция является одним из приоритетных направлений в строительстве, поскольку позволяет многократно повысить энергоэффективность зданий. Для повышения энергосбережения в зданиях необходимо использовать специальные конструкционные и технические решения, которые позволят экономить энергию [1, 2]. Одним из таких решений является использование вспененных материалов, обладающих не только низкой плотностью, малой теплопроводностью, но и достаточной механической прочностью, низкой стоимостью, а также имеющих низкие энергозатраты в процессе производства [3].
Использование теплоизоляционных материалов на основе различных отходов становится все более актуальным в связи с растущей потребностью в переработке отходов и энергосбережении [4, 5]. Использование техногенных промышленных отходов при производстве теплоизоляционных материалов снижает затраты на подготовку сырья, позволяет экономить энергию при их производстве [6]. Весьма перспективно получение вспененных геополимерных материалов путем переработки золошлаковых отходов [7], которые образуются при сжигании угля в печах электростанций [8]. Эти отходы оказывают вредное воздействие на окружающую среду, их накопление приводит к загрязнению подземных вод и территорий, которые становятся непригодными для сельскохозяйственного использования [9-12]. Во всем мире ежегодно накапливается до 750 млн т золошла-ковых отходов [13]. Их утилизация позволяет сократить добычу невозобновляемых ресурсов, таких как кварц, сода, известь и др.
Вспененные геополимерные материалы, в основном, получают методом прямого вспенивания [14]. Прямое вспенивание обычно включает реакцию, в которой используются различные порообразователи и щелочная среда для зарождения пор во время геополимеризации. При этом выделяются газообразные продукты, такие как водород или кислород, с образованием пористой
структуры [15]. Путём подбора порообразова-теля и его содержания в геополимерной смеси возможно регулировать пористую структуру и свойства получаемого материала. Наиболее известными порообразователями для синтеза вспененных геополимерных материалов являются перекись водорода и алюминиевый порошок [16].
Целью данной работы является выявление оптимальной порообразующей добавки и ее содержание для получения вспененных геополимеров на основе золошлаковых отходов.
Материалы и методы
В качестве основного сырьевого материала для синтеза вспененных геополимеров использованы зола и шлак Новочеркасской ГРЭС. В качестве щелочного активатора - жидкое стекло, а в качестве порообразующей добавки -алюминиевый порошок или 30 %-й раствор пероксида водорода. Компонентный состав сырьевой смеси показан в табл. 1. Вспененный геополимер получен путем приготовления геополимерного раствора с последующим отверждением. Геополимерный раствор приготовлен путем смешивания золы и шлака с активатором и порообразователем. Отверждение геополимерного раствора проведено при 80 °С в течение 12 часов.
Таблица 1 Table 1
Компонентный состав сырьевой смеси Component composition of the raw material mixture
№ состава Массовое содержание, % по массе
Зола Шлак Жидкое стекло Al, сверх 100 % ЗОУоНгОг, сверх 100 %
A1.5 30 30 40 1,5 -
A2.0 30 30 40 2,0 -
A2.5 30 30 40 2,5 -
H1.5 30 30 40 - 1,5
H2.0 30 30 40 - 2,0
H2.5 30 30 40 - 2,5
Размер и распределение пор автоматически исследованы с помощью бесплатного программного обеспечения ImageJ. Диаметр Ферета использован для определения размеров пор, обозначая наибольшее расстояние между двумя точками внутри границы поры.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
Плотность геополимеров найдена как отношение массы к его объему. Прочность на сжатие образцов определена на гидравлическом прессе марки ТП-1-1500. Теплопроводность синтезированных образцов установлена с помощью измерителя теплопроводности ИТП-МГ4 «100».
Результаты и обсуждение
Для определения влияния порообразую-щих добавок на свойства вспененных геополимеров выбраны алюминиевый порошок и 30 %-й раствор пероксида водорода с содержанием 1,5; 2,0 и 2,5 % по массе.
На рис. 1 показана структура полученных геополимерных материалов с использованием порошка алюминия.
и прочности на сжатие с 0,86 до 0,57 МПа, а при увеличении содержания до 2,5 % плотность и прочность на сжатие уменьшается до 342 кг/м3 и 0,52 МПа соответственно (табл. 2).
Таблица 2 Table 2
Технологические свойства полученных
геополимерных материалов Technological properties of the obtained geopolymer materials
Состав Плотность, кг/м3 Прочность, МПа Теплопроводность, Вт/(мК)
A1.5 579 0,86 0,1283
A2.0 358 0,57 0,0797
A2.5 342 0,52 0,0803
H1.5 521 0,98 0,1153
H2.0 351 0,62 0,0782
H2.5 367 0,61 0,0816
Такая же тенденция наблюдается и при использовании в качестве порообразователя пероксида водорода. У образца Н1.5 преобладают поры размером 0,6 - 1,2 мм, у образца Н2.0 преобладают поры 1,6 - 2 мм, у образца Н2.5 поры распределены неравномерно и преобладающее количество находится в широком диапазоне 0,4 - 1,2 мм, также около 15 % пор имеют размер больше 2 мм (рис. 2). При этом наиболее равномерно распределены поры у образца Н2.0.
Рис. 1. Внешний вид и распределение пор по размерам полученных вспененных геополимеров с использованием порошка алюминия
Fig. 1. Appearance and pore size distribution of the resulting foamed geopolymers using aluminum powder
Как видно из рис. 1, при увеличении содержания порошка алюминия размер пор увеличивается. В реакционной смеси образуется большее количество газа, задерживающегося внутри геополимерной массы, что приводит к снижению плотности получаемых геополимеров. Это снижение сопровождается снижением прочности на сжатие. У образца A1.5 преобладают поры размером 0,2 - 0,8 мм, у образца А2.0 преобладают поры 0,1 - 1,2 мм, у образца А2.5 преобладают поры 1,4 - 2,0 мм (рис. 1). При этом наиболее равномерно распределены поры у образца А2.0. При увеличении содержания Al с 1,5 до 2 % происходит снижение плотности с 579 до 358 кг/м3
Рис. 2. Внешний вид и распределение пор по размерам полученных вспененных геополимеров с использованием 30 %-го раствора пероксида водорода Fig. 2. Appearance and pore size distribution of the resulting foamed geopolymers using a 30 % hydrogen peroxide solution
При увеличении содержания H2O2 с 1,5 до 2 % происходит снижение плотности с 521 до
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
351 кг/м3 и прочности на сжатие с 0,98 до 0,62 МПа. При увеличении содержания до 2,5 % плотность увеличивается до 367 кг/м3, а прочность на сжатие уменьшается до 0,61 МПа (см. табл. 2). Это объясняется тем, что в образце Ж.5 образующиеся поры сливаются друг с другом из-за интенсивного вспенивания до затвердевания геополимерного геля. Вследствие этого возникает более неравномерная структура и образованные крупные поры вызывают ухудшение прочности на сжатие.
Наилучшими свойствами среди всех полученных образцов обладает образец Ш.0. У него наименьшая плотность и коэффициент теплопроводности 351 кг/м3 и 0,0782 Вт/(мК) при прочности на сжатие 0,62 Па. Такие свойства вызваны его равномерной структурой.
Заключение
Результаты исследования показали возможность получения теплоизоляционных геополимеров на основе смеси золы и шлака с помощью жидкого стекла и порообразователя.
Показано, что подбор пенообразователя и его содержание в геополимерной смеси позволяет регулировать пористую структуру и свойства получаемого материала. Увеличение содержания пенообразователя в реакционной смеси приводит к резкому снижению как плотности, так и прочности на сжатие.
Установлено, что наилучшими эксплуатационными свойствами обладает образец на основе 2 %-го пероксида водорода (плотность 351 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,0782 Вт/(м К) и прочность на сжатие 0,62 МПа).
Список источников
1. Bungau C.C., Prada I.F., Prada M., Bungau C. Design and operation of constructions: A healthy living environment-parametric studies and new solutions // Sustainability. 2019. Vol. 11, no. 23. 6824 р.
2. Liu Z., Zhang X., Sun Y., Zhou Y. Advanced controls on energy reliability, flexibility, resilience, and occupant-centric control for smart and energy-efficient buildings - A state-of-the-art review // Energy Build. 2023. 113436 р.
3. Rashidi S., Esfahani J.A., Karimi N. Porous materials in building energy technologies—A review of the applications, modelling and experiments // Renew. Sustain. Energy Rev. 2018. Vol. 91. Pр. 229-247.
4. Korjenic A., Petránek V., Zach J., Hroudová J. Development and performance evaluation of natural thermal-insulation materials composed of renewable resources // Energy Build. 2011. Vol. 43, no. 9. Pp. 2518-2523.
5. Vertakova Y.V., Plotnikov V.A. The integrated approach to sustainable development: the case of energy efficiency and solid waste management // Int. J. Energy Econ. Policy. 2019. Vol. 9. No. 4. P. 194-201.
6. Baidzhanov D.O., Nuguzhinov Z.S., Fedorchenko V.I., Kropachev P.A., Rakhimov A.M., Divak L.A. Thermal insulation material based on local technogenic raw material // Glas. Ceram. 2017. Vol. 73, no. 11-12. Pp. 427-430.
7. Исследование отходов угольной энергетики в качестве прекурсора для синтеза геополимеров / А.И. Изварин, Е.А. Яценко, С. Чаудхари, А.А. Тимофеева, А.В. Рябова, А.И. Старовойтов, В.М. Кур-дашов // Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сыфья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология: сб. докл. Междунар. науч. конф., Алушта-Белгород, 05-09 июня 2023 года. Белгород: Белгородский гос. технолог. ун-т им. В.Г. Шухова, 2023. С. 214-219.
8. Ryabov Y.V., Delitsyn L.M., Ezhova N.N., Sudareva S.V. Methods for beneficiation of ash and slag waste from coal-fired thermal power plants and ways for their commercial use (a review) // Therm. Eng. Springer. 2019. Vol. 66. Pp. 149-168.
9. Khamidov A., Akhmedov I., Kholmirzayev S., Qodi-rova F., Nomonova S., Kazadayev A. Research of ash-slag mixtures for the production of building materials // Science and innovation. 2022. Vol. 1, no. A8. Pp. 1020-1026.
10. Исследование структуры и свойств вспененных геополимерных материалов на основе отходов твердотопливной энергетики / Е.А. Яценко,
A.И. Изварин, С. Чаудхари, В.С. Яценко // Вестник современных технологий. 2023. .№ 4 (32). С. 35-40.
11. Влияние порообразующих добавок на технологические свойства функциональных геополимерных материалов строительного назначения / Е.А. Яценко, Н.А. Вильбицкая, А.И. Изварин, В.М. Курдашов,
B.Д. Ткаченко, А.А. Тимофеева // Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2023 (ICMSSTE 2023): мат. междунар. науч.-практ. конф., Ялта, 16-19 мая 2023 года. Симферополь: Крымский фед. ун-т им. В.И. Вернадского. 2023. С. 14-17.
12. Конструкционные геополимерные материалы на основе отходов угольной энергетики / Е.А. Яценко, Б.М. Гольцман, Л.А. Яценко, А.И. Изварин // XII Междунар. Курнаковское совещание по физико-химическому анализу: сб. статей, Санкт-Петербург, 27-29 сентября 2022 года. СПб.: Политех-Пресс. 2022. С. 90-92.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
13. Asokan P., Saxena M., Aparna A., Asoletar S.R. Characteristics variation of coal combustion residues in an Indian ash pond // Waste Management & Research. 2004. Vol. 22. Pp. 265-275.
14. Bai C., Colombo P. High-porosity geopolymer membrane supports by peroxide route with the addition of egg white as surfactant // Ceram. Int. 2017. Vol. 43, no. 2. Pp. 2267-2273.
15. Koci V., Cerny R. Directly foamed geopolymers: A review of recent studies // Cem. Concr. Compos. 2022. Vol. 130. Pp. 104530.
16. Degefu D. M., Liao Z., Berardi U., Doan H. Salient parameters affecting the performance of foamed geopolymers as sustainable insulating materials // Constr. Build. Mater. 2021. Vol. 313. 125400.
References
1. Bungau C.C., Prada I.F., Prada M., Bungau C. Design and operation of constructions: A healthy living environment-parametric studies and new solutions. Sustainability. 2019;11(23):6824.
2. Liu Z., Zhang X., Sun Y., Zhou Y. Advanced controls on energy reliability, flexibility, resilience, and occupant-centric control for smart and energy-efficient buildings - A state-of-the-art review. Energy Build. 2023. P. 113436.
3. Rashidi S., Esfahani J.A., Karimi N. Porous materials in building energy technologies-A review of the applications, modelling and experiments. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018;(91):229-247.
4. Korjenic A., Petránek V., Zach J., Hroudová J. Development and performance evaluation of natural thermal-insulation materials composed of renewable resources. Energy Build. 2011;43(9):2518-2523.
5. Vertakova Y.V., Plotnikov V.A The integrated approach to sustainable development: the case of energy efficiency and solid waste management. Int. J. Energy Econ. Policy. 2019;9(4):194-201.
6. Baidzhanov D.O., Nuguzhinov Z.S., Fedorchenko V.I., Kropachev P.A., Rakhimov A.M., Divak L.A. Thermal insulation material based on local technogenic raw material. Glas. Ceram. 2017;73(11-12):427-430.
7. Izvarin A.I., Yatsenko E.A., Chaudhari S., Timofeeva A.A., Ryabova A.V., Starovoitov A.I., Kurdashov V.M. Study of coal energy waste as a precursor for the synthesis of geopolymers. Rational use of natural resources and processing of technogenic raw materials: fundamental problems of science, materials science, chemistry and biotechnology: Collection of reports of the International Scientific Conference, Alushta-Belgorod, June 05-09, 2023. Belgorod: Belgorod State Technological University named after. V.G. Shukhova. 2023. Pp. 214-219.
8. Ryabov Y.V., Delitsyn L.M., Ezhova N.N., Sudareva S.V. Methods for beneficiation of ash and slag waste from coal-fired thermal power plants and ways for their commercial use (a review). Therm. Eng. Springer. 2019;(66):149-168.
9. Khamidov A., Akhmedov I., Kholmirzayev S., Qodirova F., Nomonova S., Kazadayev A. Research of ash-slag mixtures for the production of building materials. Science and innovation. 2022;1(A8):1020-1026.
10. Yatsenko E.A., Izvarin A.I., Chaudhari S., Yatsenko V.S. Study of the structure and properties of foamed geopol-ymer materials based on solid fuel energy waste. Bulletin of modern technologies. 2023;4(32):35-40.
11. Yatsenko E.A., Vilbitskaya N.A., Izvarin A.I., Kurdashov V.M., Tkachenko V.D., Timofeeva A.A. The influence of pore-forming additives on the technological properties of functional geopolymer materials for construction purposes. Materials Science, Shaping Technologies and Equipment 2023 (ICMSSTE 2023): materials of the international scientific and practical conference, Yalta, May 16-19, 2023. Simferopol: Crimean Federal University named after. IN AND. Vernadsky. 2023. Pp. 14-17.
12. Yatsenko E.A., Goltsman B.M., Yatsenko L.A., Izvarin A.I. Structural geopolymer materials based on coal energy waste. XII International Kurnakov Meeting on Physical and Chemical Analysis: collection of articles, St. Petersburg, September 27-29, 2022. St. Petersburg: Polytech-Press. 2022. Pp. 90-92.
13. Asokan P., Saxena M., Aparna A., Asoletar S.R. Characteristics variation of coal combustion residues in an Indian ash pond. Waste Management & Research. 2004;(22):265-275.
14. Bai C., Colombo P. High-porosity geopolymer membrane supports by peroxide route with the addition of egg white as surfactant. Ceram. Int. 2017;43(2):2267-2273.
15. Kocí V., Cerny R. Directly foamed geopolymers: A review of recent studies. Cem. Concr. Compos. 2022;(130):104530.
16. Degefu D.M., Liao Z., Berardi U., Doan H. Salient parameters affecting the performance of foamed geopolymers as sustainable insulating materials. Constr. Build. Mater. 2021;(313):125400.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 2
Сведения об авторах
Избарин Андрей Игоребич^ - аспирант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», andre.izvarin@yandex.ru
Яценко Елена Альфредобна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», e_yatsenko@mail.ru
Избарина Дарья Николаебна - аспирант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», ariskina.daria@mail.ru
Information about the authors
Audrey I. Izvarin - Graduate Student, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», andre.izvarin@yandex.ru
Elena A. Yatsenko - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department «General Chemistry and Technology of Silicates» ariskina.daria@mail.ru
Daria N. Izvarina - Graduate Student, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», ariskina.daria@ mail .ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 05.04.2024; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 18.04.2024; принята к публикации / accepted for publication 23.04.2024.
