В настоящее время во всем мире, особенно в Европе, США, Канаде и Китае, становится крайне актуальной проблема истощения запасов высококачественных бокситов, которые используются для получения металлургического глинозема. Например, собственных запасов бокситов с низким содержанием кремнезема в Китае, при сохранении прежних темпов увеличения производительности, осталось не более, чем на 10 лет.
В результате глиноземные заводы вынуждены вовлекать в переработку низкокачественное сырье с высоким содержанием кремнезема. Также глинозем может быть получен из отходов промышленности, одним из наиболее перспективных в этом плане источников является зола уноса, так как содержание оксида алюминия в ней может достигать 35-40%. Использование золы уноса в качестве основного источника для получения алюминия позволит решить одновременно как ресурсную (истощение запасов сырья), так и экологическую (загрязнение окружающей среды и отчуждение плодородных земель под шламохранилища) проблемы устойчивого развития общества.
Переработка подобного сырья с использованием процесса Байера, который используется для получения глинозема во всем мире более 100 лет, приводит к существенному увеличению потребления каустической щелочи и выхода нерастворимого остатка – красного и белитового шлама, по причине взаимодействия кремнезема и гидроксида натрия с алюминатными ионами в растворе с образованием продукта обескремнивания (гидроалюмосиликата натрия - ГАСН), одновременно с этим теряется и глинозем. Высокие потери щелочи приводят к нерентабельности данного способа производства при содержании кремния более 7-8%. Однако щелочной метод является наиболее пригодным в настоящий момент для получения глинозема требуемого качества для электролитического получения алюминия, поскольку с использованием других методов получается продукт с другой морфологией и высоким содержанием определенных примесей.
Для уменьшения потерь глинозема и каустической щелочи из-за высокого содержания кремния в золе уноса в данном проекте предполагается разработать новые методы гидрощелочного вскрытия, позволяющие исключить образование продукта обескремнивания путем выявления новых концентрационных зависимостей и образования нерастворимых соединений с низким содержанием каустической щелочи.
Научная новизна проекта будет заключаться в изучении физико-химических основ процессов выщелачивания золы уноса в щелочных средах с целью селективного извлечения кремнезема, влияния на данный процесс различных параметров и наличия стекловидной аморфной массы, последующего селективного извлечения из твердого остатка алюминия с исключением образования гидроалюмосиликата натрия за счет удержания кремнезема в растворе и/или за счет образования продуктов обескремнивания, не содержащих натрий и алюминий, установления наиболее значимых факторов, влияющих на данный процесс (содержание в растворе основных компонентов и примесей, температурные режимы и др.), поиска способов устранения вероятных диффузионных затруднений, вызванных образованием пленок кремнийсодержащих соединений на поверхности реагирующих частиц.
Ожидаемые результаты
При реализации проекта будут получены основы технологии щелочного метода получения из золы уноса глинозема металлургического качества в соответствии с ГОСТ 30558-2017 «Глинозем металлургический», пригодного по своим морфологическим, физическим и химическим свойствам для получения алюминия на действующих электролизных предприятиях. В качестве побочной продукции по технологии будут выступать нанодисперсный кремнезем (белая сажа), который находит широкое применение в качестве наполнителя для резины, загустителя текучих составов вплоть до сыпучего состояния, сорбента и т.д., а также другие продукты на основе оксида кремния. Использование новых подходов гидрощелочного вскрытия позволит значительно сократить выход твердого остатка (до 10-15 %) и содержания в нем каустической щелочи. Такой остаток от выщелачивания может быть использован в качестве компонента для получения строительных материалов.
Таким образом, будет разработан новый комплексный подход для утилизации золы уноса от сжигания угля на электростанциях с получением многотоннажной импортозамещающей продукции, что позволит значительно увеличить степень использования углеводородов, а значит и сократить затраты на хранение отходов и вред, наносимый ими окружающей среде.
Полученные результаты можно будет использованы при разработке новых способов переработки другого низкокачественного алюминийсодержащего сырья с высоким содержанием кремния (как минерального, так и техногенного) гидрометаллургическими методами, позволяющими: 1) проводить селективное извлечение глинозема при пониженных температурах; 2) исключить образование продукта обескремнивания и диффузионные ограничения связанные с кремнеземсодержащими соединениями; 3) переводить кремнезем в самостоятельные продукты без потери глинозема и дорогостоящих реагентов, что может быть использовано в будущем в промышленности для создания рентабельных процессы получения глинозема из низкокачественного сырья.