Учёные ПНИПУ превратили ядовитые отходы шахт в антигололедный материал
На разработку получен патент. Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Зимний период очень травмоопасен: по данным «Росгосстраха», прошлой зимой каждое пятое (21%) обращение по полису страхования было связано с падением на улице, преимущественно из-за гололедицы. Тонкий, почти невидимый слой льда на тротуарах и дорогах ежегодно становится причиной тысяч падений, переломов и других травм.
Скользкая дорога также резко увеличивает риск аварий: тормозной путь автомобиля на льду вырастает в 8 раз, что приводит к массовым ДТП. Этот сезонный транспортный кризис оборачивается экономическими потерями из-за повреждённых автомобилей, сбоев грузоперевозок и простоев в работе.
Гололёд образуется, когда после оттепели или дождя температура резко падает ниже нуля. Вода замерзает, превращая дороги в катки.
Глобальное потепление делает зиму неустойчивой. Повышение средней температуры планеты приводит к учащению резких перепадов от плюса к минусу. Тёплые, насыщенные влагой воздушные массы приносят дождь или мокрый снег, которые просто не успевают стечь или испариться до прихода холодов. В итоге гололёд формируется чаще, покрывает большие территории и держится дольше.
Коммунальные службы воюют с этой проблемой разнообразными доступными средствами, но все они имеют недостатки. Классическая смесь песка с солью действует быстро, но причиняет боль лапам животных, разъедает обувь и губит зелёные насаждения у дорог. А весной превращается в грязь, которая забивает ливнёвки.
Более современные твёрдые реагенты содержат химические соединения, которые вредят экологии, сильно пылят и дают лишь кратковременный эффект.
В поисках экологичных решений коммунальщики экспериментируют с разными альтернативами. Используют гранитную крошку, которая не пылит, но её уносит ветром и сметает на обочины. Пробуют наносить растворы на основе свекольного сока или сыворотки — они менее агрессивны, но делают дороги липкими, а в больших количествах могут загрязнять водоёмы. Все эти методы слишком дороги, либо недостаточно эффективны, либо создают еще больше сложностей. Нужен принципиально новый способ, который соединит в себе доступность, экологичность и долговечный результат.
Для решения этой проблемы учёные ПНИПУ впервые в России предложили использовать опасные отходы очистки кислой шахтной воды.
Эти токсичные воды десятилетиями вытекают из заброшенных угольных шахт. Проблема актуальна для многих регионов, где когда-то велась добыча полезных ископаемых. Когда горные работы прекращаются, подземные выработки постепенно заполняются жидкостью. Она вступает в реакцию с минералами породы, насыщаясь серной кислотой и растворёнными тяжёлыми металлами, такими как железо, алюминий и цинк. Затем этот токсичный раствор просачивается на поверхность и попадает в реки и грунт, нанося непоправимый ущерб экосистемам.
Сегодня эти кислые воды пытаются обезвреживать, чаще всего обрабатывая известью. Металлы выпадают в осадок, а жидкость становится менее опасной. Но здесь возникает новая, не менее сложная проблема: что делать с оставшимся шламом? Этот осадок, содержащий гипс и гидроксиды металлов, просто складируют на полигонах, где он занимает место и потенциально может снова загрязнить окружающую среду. Использовать его в строительстве или сельском хозяйстве сложно и дорого, так как это требует дополнительной переработки.
Для создания противогололедного материала учёные взяли именно этот влажный осадок — уже нейтрализованную смесь гипса и гидроксидов металлов. Его смешали с обычным песком в определённой пропорции. Соотношение можно менять в зависимости от вида скользкости — для гололедицы, снежного наката или рыхлого снега требуется разный состав. Затем полученную массу высушили при строго заданной высокой температуре, около 180 градусов. Под этим жаром структура гипса в осадке меняется, он превращается в другое, очень активное вещество. В результате получается сухой порошок — основа будущего реагента.
Когда его высыпают на обледеневшую дорогу с помощью машины, которая одновременно подаёт тёплый влажный воздух, оболочка из активированного гипса впитывает влагу и вступает с ней в реакцию, снова превращаясь в обычный гипс. Происходит это быстро, поэтому соединение буквально врастает в лёд, создавая на нём прочное и шероховатое покрытие.
На полигоне шлам опасен, потому что представляет собой рыхлую, химически нестабильную массу. Под дождём и снегом токсичные соединения могут вымываться, отравляя почву и грунтовые воды. Термическая обработка надежно «запечатывает» соединения металлов. Они больше не могут свободно мигрировать в окружающую среду.
— Именно поэтому на дороге материал становится безопасным. Когда он «схватывается» на льду, происходит окончательное превращение. Опасные компоненты оказываются намертво впаяны в твёрдое, монолитное покрытие. Оно не пылит, не вымывается талыми водами и физически предотвращает скольжение. Кроме того, сам материал имеет IV класс опасности (малоопасный), что подтверждает его безвредность для природы, в отличие от агрессивных реагентов, — объясняет Ольга Ручкинова, заведующая кафедрой «Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ПНИПУ, доктор технических наук.
Покрытие на льду обладает отличным сцеплением с коэффициентом до 0,5 — высоким показателем, гарантирующим безопасность даже на уклонах. Этому способствует и оптимальный размер гранул материала — от 0,1 до 3 мм.
Разработка ПНИПУ предлагает решение двух насущных проблем — гололёд на дорогах и токсичные отходы промышленности. Полученный материал не агрессивен к окружающей среде и инфраструктуре, не пылит, обеспечивает долговременное сцепление и экономически выгоден, так как технология использует практически бесплатное сырьё. В долгосрочной перспективе это позволит не только снизить печальную статистику зимнего травматизма, но и сократить затраты городов на ремонт дорог и утилизацию опасных отходов, предлагая устойчивую альтернативу традиционным, но разрушительным методам.