Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью первого этапа проекта являлось изучение физико-химических закономерностей и механизмов щелочного вскрытия минералов золы уноса, содержащей большее количество кремнезема, термодинамических особенностей в системе Na2O-Al2O3-SiO2-H2O, поиска способов интенсификации извлечения кремния при предварительном обескремнивании. Исследования были проведены с испльзованием двух видов исходного сырья, отличающихся как химическим, так и фазовым составом: высокоглиноземистая зола уноса, полученнаия в печах с псевдоожиженным слоем (Внутренняя Монголия, Китай) и зола уноса, полученная в котлах утилизаторах на Рефтинской ГРЭС (Свердловская область, Россия). В результате исследований выявлено: 1) Высокое содержание алюминия (до 50%) и низкое содержание железа в золе из Китая обусловлено геологическими особенностями сырья. Высокоглиноземистая зола, из-за незавершенного превращения алюмосиликатов в печах с псевдоожиженным слоем в муллит при температурах ниже 800 °С, является рентгеноаморфной, а следовательно она практически полностью состоит из аморфной стекловидной массы и углерода. Зола уноса Рэфтинской ГРЭС отличается повышенным содержанием муллита и низким содержанием глинозема (до 30 %). При магнитной сепарации исходной золы извлечение железа не превышает 60 %, в магнитной фракции наблюдается высокая доля связанных внутри магнитных сфер алюмосиликатов. Большая часть РЗЭ была распределена в немагнитных фракциях с небольшим обогащением, чем в необработанном образце. Содержание РЗЭ в высокоглиноземистой золе и золе Рэфтинской ГРЭС составляло 520 мкг/кг и 240 мкг/кг, соответственно. РЗЭ в основном были связаны с алюмосиликатной фазой. Согласно электронной сканирующей микроскопии с приставкой для энергодисперсионного анализа РЗЭ имели сродство с фосфором, железом и титаном. 2) Выявлены термодинамические и кинетические закономерности, а также механизмы процессов, протекающих при предварительном обескремнивании различных типов золы с целью удаления аморфной стекловидной массы. Показано, что помимо ингибирующего действия аморфной стекловидной массы на выщелачивание алюминия и РЗЭ, возможно покрытие непрореагировавших частиц продуктом обескремнивания раствора – гидроалюмосиликатом натрия (Na6(Al6Si6O24)*2NaOH*yH2O). При этом, чем выше содержание алюминия в аморфной стекловидной массе, тем заметнее оказывался ингибирующий эффект, что связано с внутридиффузионными ограничениями, возникающими при доступе выщелачивающего агента внутрь частицы. 3) С использованием рентгенофазового анализа, электронной сканирующей микроскопии с приставкой для энергодисперсионного анализа, масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой определены фазовый состав осадков и распределение элементов по поверхности реагирующих частиц, морфология и размер частиц исходных компонентов и продуктов изучаемых взаимодействий, что позволило выявить условия, при которых обнажаются агломераты, состоящие из игольчатых частиц муллита, а следовательно происходит полное удаление аморфной стекловидной массы без образования гидроалюмосиликата натрия. 4) При дальнейшем изучении состояний в системе Na2O-Al2O3-SiO2-H2O, были определены лабильная и метастабильная зона в щелочно-алюминатном растворе с повышенным содержанием кремния в зависимости от концентрационного состава раствора. С использованием полученных данных определены условия, способствующие удержанию кремнезема в растворе в течение продолжительного времени, что и позволяет достигать полного удалению аморфной стекловидной массы с поверхности агломератов муллита.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На втором этапе проекта проводились исследования по селективному извлечению ценных компонентов из обескремненной золы уноса. В результате исследований данного этапа выявлено: 1) Показана возможность полного растворения муллита, являющегося основной фазой в твердом остатке обескремнивания золы, в растворе каустической щелочи при атмосферном давлении при температуре 100–120 °С. Изучены термодинамические и кинетические закономерности данного процесса выщелачивания. Путем исследования твердой фазы, которое остается в твердом остатке в ходе выщелачивания, установлено, что на поверхности частиц муллита образуется пленка из соединений титана, которые создают диффузионные ограничения в поздний период выщелачивания. Протекание процесса в диффузионном режиме было также подтверждено кинетическими исследованиями с использованием модели сжимающегося ядра. Для интенсификации процесса выщелачивания рекомендуется на поздних стадиях добавлять известь, что позволяет переводить соединения титана в пористый титанат кальция. Данный способ хорошо зарекомендовал себя при переработке диаспоровых бокситов. 2) При исследовании процесса обескремнивания при добавлении свежеосажденных соединений железа (II) и железа (III), было обнаружено, что процесс может протекать при температурах ниже 120 оС при атмосферном давлении с использованием высококонцентрированного каустического раствора при одновременном переводе всего железа в золе уноса в магнетит. Это достигалось при добавлении свежеосажденного гидроксида железа (II), обладающего высокой реакционной способностью, и за счет возможности растворения гематита в высокощелочном растворе с концентрацией Na2O > 330 г/дм3. Проведены исследования возможности получения гидроксида железа (II) из магнитного концентрата выделенного из золы уноса непосредственно в процессе предварительного обескремнивания. Извлечение железа после двухстадийной магнитной сепарации и обескремнивния достигало 73 %. После растворения продукта магнитной сепарации в растворе серной кислоты и последующего электролитического восстановления был получен раствор железа (II), который может быть использован для проведения обескремнивания щелочно-алюминатного раствора, получаемого из обескремненной золы уноса. 3) Изучено влияние условий процесса декомпозиции (температурный профиль, продолжительность, количество и качество затравочного гидроксида алюминия), а также наличие примесей в щелочно-алюминатном растворе, полученном при выщелачивании обескремненной золы уноса, на осаждение гидроксида алюминия требуемого качества для получения металлургического глинозема. Выявлено, что при проведении процесса без добавления извести в растворе наблюдается повышенное содержание кремния и железа, что значительно (на 3–5 %) снижает эффективность процесса декомпозиции по сравнению с синтетическими алюминатными растворами аналогичного состава. Повышенное содержание примесей в растворе также приводит к получению глинозема с повышенным содержанием кремнезема и оксида натрия относительно ГОСТ 30558-2017, поэтому перед процессом декомпозиции рекомендовано использование фильтрации на слое трехкальциевого алюмината, что используется на действующих глиноземных заводах. 4) Изучены кинетические и термодинамические закономерности осаждения из силикатного раствора продуктов с высокой добавленной стоимостью: аморфного кремнезема с удельной площадью поверхности более 800 м2/г (Аэросил) и волластонита. Выявлено, что для осаждения продукта с повышенной удельной площадью поверхности необходимо вести процесс в условиях интенсивного зародышеобрзования, препятствующих росту и агломерации. Изучено влияние различных параметров на данный процесс, определены оптимальные параметры, способствующие осаждению продукта с заданными свойствами.