Изучение возможностей применения гидродинамической кавитационной обработки зольных материалов в технологиях секвестрации и утилизации CO2

Утилизация является одним из способов обращения с опасными промышленными отходами, такими как зола уноса и зольный остаток. Энергия ископаемого топлива останется основным источником глобального электроснабжения в ближайшие годы, поэтому отсутствие эффективных стратегий управления усугубит проблему отходов золы в окружающей среде. Улавливание, утилизация и хранение углерода открывают возможности для использования золы различными способами – как улавливающий материал, как среда для постоянного хранения СО2 путем минерализации, а также в качестве катализатора или носителя катализатора для процессов утилизации углекислого газа. Рассмотрена эффективность использования гидродинамической кавитационной обработки для оптимизации технологии хранения и улавливания парникового газа CO2. Исследовались зольные порошки, полученные после сжигания Канско-Ачинских углей, а также отходы производства керамических материалов из этих порошков, обработанные в гидродинамическом генераторе роторного типа. Анализ изменения физико-химических свойств порошков проведён методами оптической микроскопии, рентгенофазового анализа, электронно-парамагнитного (ЭПР) и ядерного гамма-резонанса (эффект Мессбауэра). В результате гидродинамической обработки образцов наблюдалось существенное уменьшение размеров частиц золы, а также разделение фаз марганца и железа, сверхтонкое изменение заполненности железа разной валентности в железосодержащей части образцов пенокерамики. Эти эффекты могут способствовать существенному повышению реакционной активности исследуемых образцов в технологиях секвестрации и утилизации CO2. Вывод согласуется с имеющимися литературными данными.

Стебелева О. П., Кашкина Л. В., Баюков О. А., Минаков А. В., Пикурова Е. В. Изучение возможностей применения гидродинамической кавитационной обработки зольных материалов в технологиях секвестрации и утилизации CO2 // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 2. – С. 151–167. DOI: 10. 25018/0236_1493_2024_2_0_151.

Исследование выполнено в рамках государственного задания ФГАОУ ВО Сибирский федеральный университет (номер FSRZ-2020-0012). Исследование оптических свойств образцов выполнено в рамках государственного задания Института химии и химической технологии СО РАН (проект FWES-2021-0014) с использованием оборудования Красноярского регионального центра коллективного пользования ФИЦ КНЦ СО РАН.

Стебелева Олеся Павловна¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: opstebeleva@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9559-1522, 
Кашкина Людмила Васильевна¹ — канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: sfugeo@mail.ru,
Баюков Олег Артемьевич — д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, ФИЦ КНЦ СО РАН, e-mail: helg@iph.krasn.ru,
Минаков Андрей Викторович¹ — д-р физ.-мат. наук, доцент, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, e-mail: tov-andrey@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0003-1956-5506,
Пикурова Елена Витальевна¹ — канд. хим. наук, научный сотрудник, Институт химии и химической технологии СО РАН — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН; магистрант, e-mail: vitaelen@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-7558-6358,
¹ Сибирский федеральный университет.

Стебелева О.П., e-mail: opstebeleva@mail.ru.

1. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pörtner H.-O., Roberts D., Skea J., Shukla P. R., Pirani A., MoufoumaOkia W., Péan C., Pidcock R., Connors S., Matthews J. B. R., Chen Y., Zhou X., Gomis M. I., Lonnoy E., Maycock T., Tignor M., Waterfield T. Global warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty. IPCC, 2018: Summary for Policymakers. Cambridge, UK and New York, NY, USA, pp. 3—24. DOI: 10.1017/9781009157940.001.

2. Alterary S. S., Marei N. H. Fly ash properties, characterization, and applications. A review // Journal of King Saud University — Science. 2021, vol. 33, no. 6, article 101536. DOI: 10.1016/j.jksus.2021.101536.

3. Nayak D. K., Abhilash P. P., Singh R., Kumar R., Kumar V. Fly ash for sustainable construction. A review of fly ash concrete and its beneficial use case studies // Cleaner Materials. 2022, vol. 6, article 100143. DOI: 10.1016/j.clema.2022.100143.

4. Ankur N., Singh N. Performance of cement mortars and concretes containing coal bottom ash. A comprehensive review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021, vol. 149, article 111361. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111361.

5. Dindi A., Quang D. V., Vega L. F., Nashef E., Abu-Zahra M. R. M. Applications of fly ash for CO2 capture, utilization, and storage // Journal of CO2 Utilization. 2019, vol. 29, pp. 82—102. DOI: 10.1016/ j.jcou.2018.11.011.

6. Li N., Mo L., Unluer C. Emerging CO2 utilization technologies for construction materials. A review // Journal of CO2 Utilization. 2022, vol. 65, article 102237. DOI: 10.1016/j.jcou.2022.102237.

7. Yan F., Jiang J., Liu N., Gao Y., Meng Y., Li K., Chen X. Green synthesis of mesoporous y-Al2O3 from coal fly ash with simultaneous on-site utilization of CO2 // Journal of Hazardous Materials. 2018, vol. 359, pp. 535—543. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.07.104.

8. Dong X., Jin B., Cao S., Meng F., Chen T., Ding Q., Tong C. Facile use of coal combustion fly ash (CCFA) as Ni-Re bimetallic catalyst support for high-performance CO2 methanation // Waste Management. 2020, vol. 107, pp. 244—251. DOI: 10.1016/j.wasman.2020.04.014.

9. Liu W., Su S., Xu K., Chen Q., Xu J., Sun Z., Wang Y., Hu S., Wang X., Xue Y., Xiang J. CO2 sequestration by direct gas—solid carbonation of fly ash with steam addition // Journal of Cleaner Production. 2018, vol. 178, pp. 98—107. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.281.

10. Bauer M., Gassen N., Stanjek H., Peiffer S. Carbonation of lignite fly ash at ambient T and P in a semi-dry reaction system for CO2 sequestration // Applied Geochemistry. 2011, vol. 26, no. 8, pp. 1502— 1512. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2011.05.024.

11. Ho H.-J., Iizuka A., Shibata E. Utilization of low-calcium fly ash via direct aqueous carbonation with a low-energy input: Determination of carbonation reaction and evaluation of the potential for CO2 sequestration and utilization // Journal of Environmental Management. 2021, vol. 288, article 112411. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112411.

12. Hosseini T., Selomulya C., Haque N., Zhang L. Indirect carbonation of victorian brown coal fly ash for CO2 sequestration: Multiple-cycle leaching-carbonation and magnesium leaching kinetic modeling // Energy & Fuels. 2014, vol. 28, no. 10, pp. 6481—6493. DOI: 10.1021/ef5014314.

13. Mustafa J., Mourad A. A.-H. I., Al-Marzouqi A. H., El-Naas M. H. Simultaneous treatment of reject brine and capture of carbon dioxide. A comprehensive review // Desalination. 2020, vol. 483, article 114386. DOI: 10.1016/j.desal.2020.114386.

14. Коссович Е. Л., Андреева Ю. Е., Гаврилова Д. И., Эпштейн С. А., Добрякова Н. Н. Проблемы утечки углекислого газа из геологических хранилищ // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12. — С. 46—54. DOI: 10. 25018/0236_1493_2022_12_0_46.

15. Fan L., Mu Y., Feng J., Cheng F., Zhang M., Guo M. In-situ Fe/Ti doped amine-grafted silica aerogel from fly ash for efficient CO2 capture: Facile synthesis and super adsorption performance // Chemical Engineering Journal. 2023, vol. 452, article 138945. DOI: 10.1016/j.cej.2022.138945.

16. Li X., Wang Z., Mei Y., Feng R., Liu Z., Huang J., Dong L., Fang Y. Alumina-extracted residuederived silica foams with ultra-large pore volume for highly superior post-combustion CO2 capture // Fuel. 2022, vol. 316, article 123231. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.123231.

17. Bartoňová L. Unburned carbon from coal combustion ash: An overview // Fuel Processing Technology. 2015, vol. 134, pp. 136—158. DOI: 10.1016/j.fuproc.2015.01.028.

18. Han L., Wang X., Wu B., Zhu S., Wang J., Zhang Y. In-situ synthesis of zeolite X in foam geopolymer as a CO2 adsorbent // Journal of Cleaner Production. 2022, vol. 372, article 133591. DOI: 10.1016/ j.jclepro.2022.133591.

19. Zhang Y., Gao Y., Pfeiffe H., Louis B., Sun L., O’Hare D., Wang Q. Recent advances in lithium containing ceramic based sorbents for high-temperature CO2 capture // Journal of Materials Chemistry A. 2019, vol. 7, no. 14, pp. 7962—8005. DOI: 10.1039/C8TA08932A.

20. Ji L., Yu H., Zhang R., French D., Grigore M., Yu B., Wang X., Yu J., Zhao S. Effects of fly ash properties on carbonation efficiency in CO2 mineralisation // Fuel Processing Technology. 2019, vol. 188, pp. 79—88. DOI: 10.1016/j.fuproc.2019.01.015.

21. Nawar A., Ali M., Waqas A., Javed A., Iqbal N., Khan R. Effect of different activation processes on CaO/Fly Ash Mixture for CO2 Capture // Energy & Fuels. 2019, vol. 34, no. 2, pp. 2035—2044. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b03520.

22. Chen J., Shen Y., Chen Z., Fu C., Li M., Mao T. Accelerated carbonation of ball-milling modified MSWI fly ash: Migration and stabilization of heavy metals // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023, vol. 11, no. 2, article 109396. DOI: 10.1016/j.jece.2023.109396.

23. Павлов В. Ф., Шабанов В. Ф. Использование явления самораспространяющейся кристаллизации для получения стеклокристаллических материалов // Стекло и керамика. — 2003. — Т. 76. — № 12. — С. 11—13.

24. Stebeleva O. P., Kashkina L. V., Minakov A. V., Vshivkova O. A. Impact of hydrodynamic cavitation on the properties of coal-water fuel: An experimental study // ACS Omega. 2022, vol. 7, pp. 37369— 37378. DOI: 10.1021/acsomega.2c03979.

25. Постников А. В. Динамика коллапса полусферического кавитационного пузырька в контакте с твердой границей // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. — 2020. — № 4. — С. 24—34. DOI: 10.31857/S056852812004009X.

26. Stebeleva O. P., Minakov A. V. Application of cavitation in oil processing: An overview of mechanisms and results of treatment // ACS Omega. 2021, vol. 6, pp. 31411—31420. DOI: 10.1021/ acsomega.1c05858.

27. El-Naas M. H., Mohammad A. F., Suleiman M. I., Al-Musharfy M., Al-Marzouqi A. H. A new process for the capture of CO2 and reduction of water salinity // Desalination. 2017, vol. 411, pp. 69—75. DOI: 10.1016/j.desal.2017.02.005.

28. Петраковская Э. А., Исакова В. Г., Баюков О. А., Великанов Д. А. Суперпарамагнетизм частиц магнетита в порошковом фуллерите C60 // Журнал технической физики. — 2005. — Т. 75. — C. 117—120.

29. Garcia S., Kaminska S., Mercedes Maroto-Valer M. Underground carbon dioxide storage in saline formations // Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Waste and Resource Management. 2010, vol. 163, no. 2, pp. 77—88. DOI: 10.1680/warm.2010.163.2.77.