В процессе добычи угля извлекается много пустой породы, которая со временем накапливается в виде крупных насыпей, достигающих десятки метров в высоту. Такие отвалы, хранящиеся на территории угольных бассейнов, называются терриконами. Из-за остатков угля они могут самовозгораться и гореть годами, выбрасывая в атмосферу большие концентрации угарного газа, сероводорода и других токсичных веществ. Только из одного горящего отвала за сутки в среднем в воздух выделяется 4-5 тонн оксидов углерода и от 600 до 1100 килограмм сернистого ангидрида. Такие выбросы усиливают парниковый эффект, загрязняют воздушную и водную среду региона, а также вредят здоровью людей. Использование отходов угледобычи в качестве сырья для производства строительных материалов может стать эффективным решением проблемы их утилизации. Ученые Пермского Политеха изучили возможность применения террикоников как минеральных добавок для цемента и материалов на его основе. Предлагаемый подход способен на 21% повысить прочность строительного раствора по сравнению с составом без добавок.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 1, 2025. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Негативное влияние террикоников на окружающую среду снижают путем выравнивания искусственных холмов, озеленения и рекультивации земель, что требует больших финансовых затрат – рекультивация лишь одного террикона может стоить десятки миллионов рублей. Это зависит от целого ряда сложных технических, экологических и логистических факторов – от искусственного улучшения токсичной земли и борьбой с самовозгоранием, до доставки грунта, воды и техники на отдаленные шахтерские территории. Также реализовать такие методы возможно не на всех техногенных отвалах из-за плохой приживаемости растений.

Другим решением является применение отходов угледобычи в промышленности. Они представляют собой смесь глины с небольшим включением угля, алюминия, кремния и железа. Поэтому перспективно их вторичное использование с отделением полезных соединений и применением в сплавах, углеудобрениях, асфальте и различных строительных материалах.

Ученые Пермского Политеха предложили ранее неизученный подход по применению террикоников в качестве минеральной добавки для портландцементов и материалов на их основе, в частности, бетонов.

Такое решение эксперты проверяли на примере территории Кизеловского угольного бассейна, на которой объем техногенных отходов оценивается в 13 миллионов кубических метров.

Минеральные добавки в составе портландцемента и цементных бетонов придают материалам специальные свойства – повышают их прочность, водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие. А также позволяют сэкономить природное сырье и увеличить объем производства за счет разбавления основного состава. Применение террикоников в качестве минеральных добавок решит сразу два вопроса: экологическую проблему на территории угольных бассейнов и проблему ресурсо- и энергосбережения при производстве цемента.

Политехники отобрали пробы породы горелых и не горелых террикоников, изучили их химический и минералогический состав, а затем провели эксперимент по замене в составе раствора портландцемента террикоником в количестве 10, 20 и 30%.

– Химический состав террикоников мы определяли флуоресцентным рентгеноспектральным методом, а минералогический состав – методом экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа. Результаты показали, что горелый терриконик состоит преимущественно из кварца, а не горелый из каолинита и кварца с включениями угля. Наличие в последнем каолинита говорит о возможности его использования в качестве активной минеральной добавки после предварительного обжига, так как при этом проявляется высокая пуццоланическая активность материала – способность реагировать с хорошо растворимыми щелочами, образующимися при твердении портландцемента, с последующим образованием плохо растворимых низкоосновных гидросиликатов кальция, – объясняет Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Для получения минеральной добавки эксперты измельчали частицы до 0,08 мм. Не горелый терриконик после этого обжигали в лабораторной муфельной печи при температуре 700°С в течение 2 часов.

– Для оценки эффективности использования добавки терриконика мы приготовили цементный раствор, состоящий из одной части портландцемента типа ЦЕМ I 42,5Н и 3 частей монофракционного кварцевого песка. В итоге у нас получился 1 контрольный состав без терриконика и по 3 состава с горелым и не горелым террикоником, которых мы заменяли 10, 20 и 30% портландцемента. Из этих составов формовали образцы-балочки, которые затем твердели 28 суток в нормальных условиях, а также в условиях тепловлажностной обработки. После твердения образцы испытывали на изгиб и на сжатие, – рассказывает Степан Леонтьев.

Сравнивая прочность разных образцов политехники определили эффективность использования терриконика в качестве минеральной добавки, а также его оптимальную дозировку.

– Результаты показали, что замена до 30% цемента горелым террикоником совсем незначительно сказывается на его прочности. Тогда как замена 20% цемента не горелым террикоником на 21% повышает прочность раствора по сравнению с бездобавочным составом. Это говорит о принципиальной возможности использования отходов угледобычи в качестве минеральных добавок для цемента и материалов на его основе, – комментирует Степан Леонтьев.

Решение, предложенное учеными Пермского Политеха, позволит значительно уменьшить количество техногенных отвалов на территории угольных бассейнов, что снизит нагрузку на окружающую среду.

Один из самых популярных методов утепления здания при строительстве – технология «мокрого фасада». Благодаря многослойной структуре и использованию современных утеплителей она обеспечивает надежную теплоизоляцию, препятствует проникновению холода зимой и перегреву летом. Поскольку утепленные панели сложно транспортировать, «мокрый фасад» изготавливается прямо на стройплощадке. Однако это неудобно, ведь качество теплоизоляции сильно зависит от погодных условий, а ошибки могут привести к ее отсыреванию и разрушению. Предложены  новые методы установки «мокрого фасада», которые позволят перенести до 60% работ из строительной площадки в заводские цеха (согласно технологической карте процесса). Это не только ускоряет процесс, но и значительно повышает качество утепления.

Статья опубликована в журнале «Химия. Экология. Урбанистика», том 3, 2025. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

«Мокрый фасад» — это одна из самых популярных систем утепления зданий, и ее использование оказывает значительное влияние как на долговечность, так и на энергоэффективность дома. Ее главная функция — снижение теплопотерь здания, что позволяет существенно экономить на отоплении и кондиционировании. Кроме того, технология защищает стены от влаги, атмосферных воздействий, ультрафиолета и механических повреждений, что существенно продлевает срок эксплуатации несущих конструкций.

Название «мокрый» связано с использованием жидких строительных смесей – клеев, грунтовок, штукатурок. Сначала бетонные панели очищаются и выравниваются, затем на них наносится жидкая смесь и, наконец, сам теплоизоляционный материал. После конструкция покрывается армирующим слоем и декоративной штукатуркой. Важно, что все это происходит прямо на строительной площадке – это влечет за собой проблемы. Дело в том, что процесс требует соблюдения строгих условий: температура воздуха не должна опускаться ниже 5°C в сухую погоду, работы нужно проводить вертикально с использованием дополнительного оборудования, каждый этап требует контроля качества, поскольку «мокрый фасад» очень чувствителен к нарушению технологии монтажа. Все это увеличивает сроки строительства и затраты на него.

Эти условия гораздо проще контролировать еще в производственном цеху. Однако предприятия обычно не занимаются утеплением плит в стенах завода, поскольку тут возникает другая проблема: уже утепленные стеновые панели сложно аккуратно транспортировать на объект, ведь при повреждении утеплителя он уже не будет выполнять свои функции, а повредиться он может довольно легко – из-за недостаточного закрепления.

Преподаватели строительного факультета Пермского Политеха совместно со студентами предложили новые методы фиксации утеплителя на бетонных панелях еще в производственном цехе, что позволяет транспортировать утепленные блоки более аккуратно и надежно. Благодаря этому можно избежать многих проблем, связанных с погодными условиями и ручным трудом на стройплощадке.

– Первый метод основан на использовании пластиковой сетки с острыми выступами, которая втапливается в свежий бетон. После набора структурной прочности на эти выступы надевается утеплитель, который прочно фиксируется на поверхности бетона. Готовые панели транспортируются на объект уже утепленными. Для защиты утеплителя во время перевозки можно использовать рамные держатели или специальные упаковочные машины, – рассказывает Татьяна Белозерова, старший преподаватель кафедры строительного инжиниринга и материаловедения ПНИПУ.

Второй способ предполагает использование установки «Термостенд», часто используемой в производстве. Она представляет собой прогреваемую платформу, которую строительные компании применяют для формования и термообработки изделий.

– Обычно процесс происходит при температуре 50-60°C, бетон быстро набирает прочность, формируется адгезионный (липкий) слой, надежно фиксирующий утеплитель. Весь процесс занимает около 12 часов, после чего панели готовы к монтажу. Этот метод имеет свои недостатки, так как при прогреве теплоизоляция намокает. Мы предлагаем использовать тарельчатые дюбели – специальные крепежные элементы, которые до затвердевания втапливаются в бетонную смесь, а после набора прочности на изделие хорошо закрепляется утеплитель, – поясняет Егор Сенокосов, студент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения ПНИПУ.

Перенос основных этапов утепления в цех имеет ряд значительных преимуществ. Работы можно проводить круглый год без ограничений по температуре или осадкам, исключаются многие ручные операции, такие как очистка панелей и монтаж утеплителя. Процесс контролируется квалифицированными специалистами в условиях цеха, что минимизирует производственные ошибки. Сокращаются затраты на оборудование и материалы для временных конструкций на стройплощадке. Уменьшается время монтажа и количество рабочих.

Исследователи отмечают, что дальнейшая работа может быть направлена на оптимизацию транспортировки утепленных панелей и разработку универсальных решений для разных типов строительных объектов. Данную технологию поддержали представители «СтройПанельКомплекс» (СПК).

Эффективность методов ученых Пермского Политеха подтверждена экспериментально на производстве. Они открывают новые возможности для строительной отрасли. Их внедрение позволит сократить сроки возведения зданий, снизить затраты и улучшить качество утепления. Особенно актуально это для регионов с суровым климатом, где традиционные методы часто сталкиваются с температурными ограничениями.

Современное сельское хозяйство сталкивается с множеством проблем: истощение почв, загрязнение окружающей среды и необходимость повышения урожайности для растущего населения. Эти проблемы могут решить биоорганические удобрения: они сочетают в себе природные компоненты и полезные микроорганизмы, что делает их экологически чистыми. Ученые Пермского Политеха разработали инновационное биоорганическое удобрение на основе бактерий сенной палочки, гуминовых кислот и кобальта. Благодаря новому составу оно не только безопасно для окружающей среды, но также способно значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур: в условиях эксперимента оно обеспечило максимальный прирост массы редиса на 22,64%.

Статья опубликована в журнале «Химия. Экология. Урбанистка», том 1, 2025. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Традиционно в сельском хозяйстве для выращивания растений используют химические удобрения из солей и минералов. Они поставляют требуемые для роста питательные вещества. Однако при накоплении в почве и воде такие удобрения могут вызывать загрязнение и токсический эффект для растений, возможно засоление почвы и повышение содержания в ней вредных примесей. Все это ухудшает качество земли, а, следовательно, и того, что на ней вырастает.

Эти проблемы могут решить биоорганические удобрения: они сочетают в себе природные компоненты и полезные микроорганизмы, что делает их экологически чистыми. Биоудобрения производят с использованием специально выращенных бактерий, которых сочетают с органическими и минеральными компонентами. В составе также есть витамины и аминокислоты – они поддерживают жизнедеятельность почвенных бактерий и дополнительно стимулируют рост растений.

Ученые Пермского Политеха разработали биоорганическое удобрение нового состава на основе гуминовых кислот, добываемых из торфа, ионов кобальта (II) и культуры полезных бактерий сенной палочки (Bacillus subtilis). Оно улучшает рост растений и повышает усвоение ими питательных микроэлементов.

Бактерия Bacillus subtilis давно используется в биотехнологии и сельском хозяйстве благодаря своим уникальным свойствам. Она способна подавлять развитие патогенных микроорганизмов и улучшать структуру почвы.

— Гуминовые кислоты — это природные соединения, образующиеся при разложении растительных остатков и других органических материалов. Они улучшают структуру почвы, повышают ее плодородие и способность удерживать воду. Кобальт же является важным микроэлементом, который участвует в синтезе витаминов, работе ферментов и положительно влияет на продуктивность растений. Особенно он ценен при производстве кормовых культур, поскольку его недостаток в почве может привести к дефициту этого элемента в организме животных, — поясняет Ольга Кривощекова, студентка кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

Ученые выделили гуминовые кислоты из торфа, а бактерии Bacillus subtilis — из сена. Затем они провели серию экспериментов, чтобы изучить, как компоненты комплексного удобрения взаимодействуют друг с другом и влияют на рост сенной палочки. Исследователи добавляли в питательную среду для выращивания микроорганизмов ионы кобальта (25 мг/л), гуминовые кислоты (1 г/л) и их комбинацию.

— Результаты показали, что кобальт ускоряет рост бактерий: удельная скорость с ним составила 0,113 ч⁻¹, тогда как без него — только 0,078 ч⁻¹. При этом в средах, содержащих гуминовые кислоты, активное увеличение количества микроорганизмов наблюдалось вне зависимости от наличия кобальта. Это подтвердило, что оба компонента можно успешно использовать в составе удобрения, – рассказывает Анна Портнова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат химических наук.

Эксперимент с выращиванием редиса показал, что комплексный препарат политехников обеспечивает максимальный прирост массы корнеплода на 22,64% по сравнению с контрольным опытом без удобрения.

В будущем политехники планируют детально описать все этапы изготовления предлагаемого продукта и определить затраты на сырье, материалы и оборудование. После этого он будет готов к запуску в производство и продажи.

Разработка ученых Пермского Политеха открывает новые возможности для устойчивого развития сельского хозяйства. В отличие от традиционных минеральных удобрений, новый препарат основан на натуральных компонентах и не загрязняет землю и воду. Гуминовые кислоты восстанавливают структуру и плодородие истощенных земель, бактерии сенной палочки оказывают защитный эффект, а ионы кобальта стимулируют рост растений – все вместе это повышает качество почв и их урожайность.

В промышленности для охлаждения различных газов и жидкостей (воды, масел и растворов) до оптимальных температур применяют специальный аппарат, работающий за счет обдува воздухом. Особенно это востребовано при переработке сырой нефти, где такая система помогает поддерживать необходимые температуры и обеспечивать стабильную работу всего оборудования. Однако с каждым годом требования к выходу готовой нефтяной продукции растут, из-за чего нагрузка на аппарат воздушного охлаждения увеличивается. Ученые Пермского Политеха предложили способ модернизации конструкции, который улучшает процесс теплообмена на 17%. Идея позволяет снизить энергозатраты и адаптировать оборудование к возросшим производственным нагрузкам.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 3, 2025. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Основной элемент аппарата воздушного охлаждения – это оребренные трубки, через которые проходит горячая жидкость. Вентиляторы создают поток воздуха и прогоняют его через ребра, тем самым забирая основное тепло. После чего охлажденное вещество возвращается обратно. Такая система позволяет снизить температуру нефтяного сырья до 5-50 градусов.

В стандартной конструкции аппарата трубы оснащены гладкими ребрами, которые расположены по всей длине и выполняют главную теплообменную функцию. Однако даже самое сильное оребрение труб не отличается достаточным коэффициентом теплоотдачи, обычно не превышающим 90 Вт/м2.

Ученые Пермского Политеха выяснили, что повысить теплоотдачу и скорость охлаждающего воздуха возможно за счет модернизации формы ребер. Политехники предложили использовать лепестковые охлаждающие элементы, выполненные в виде пространственной спирали с углом наклона 10 градусов.

Технологию исследовали на теоретически смоделированном аппарате воздушного охлаждения ЕС-101, установленном на оборудовании гидрокрекинга (процесса интенсивной очистки нефти). Сначала ученые рассчитали теплоотдачу на действующей конструкции с гладкими ребрами, она составила всего 64,6 Вт/м2, что недостаточно для текущих технологических требований. После их заменили на трубы с лепестковым оребрением и провели перерасчет.

– Наше решение выполнить ребра в виде спиралей позволяет сохранить рифление поверхности трубок, увеличивая площадь контакта теплоносителя с окружающей средой, а также создает турбулентный режим течения воздуха вдоль оси труб, тем самым повышая интенсивность теплообмена. Моделирование такого исполнения показало увеличение значений параметров теплоотдачи 17%, по сравнению с первоначальными. Это говорит об эффективности нашей идеи, – поделился Евгений Шестаков, старший преподаватель кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» ПНИПУ.

Улучшения, предложенные учеными Пермского Политеха, позволяют увеличить эффективность охлаждения продукта и приблизить работу аппарата к требуемым технологическим параметрам. Так внедрение особой лепестковой формы оребрения представляет собой перспективное решение для повышения производительности работы оборудования на нефтеперерабатывающих предприятиях.