На золе времен: отходы угольных электростанций удешевят получение алюминия

Ученые разработали новую технологию получения глинозема из золы — побочного продукта работы угольных электростанций. Поскольку он нужен при производстве алюминия, предложенный подход удешевит получение этого металла, а также позволит утилизировать образующиеся в огромных количествах отходы. Полученный авторами глинозем соответствует стандартам качества, установленным в России, Китае и Индии, поэтому потенциально может использоваться как на отечественных, так и на зарубежных производствах.

Как добывают алюминий

Глиноземом называют оксид алюминия, который находит широкое применение в различных отраслях промышленности, однако в основном используется при получении алюминия. Исследования показывают, что сырьем для его получения могут служить различные промышленные отходы, в том числе золошлаковые (угольная зола) — побочный продукт сгорания угля на теплоэлектростанциях. Ежегодно во всём мире электростанции производят более 1 млрд т угольной золы, которая складируется на шламополях и может попадать в почвы и водоемы, тем самым загрязняя их. Поэтому использование золошлаков для получения глинозема поможет сохранить окружающую среду вокруг электростанций.

Ученые из Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) им. В.И. Вернадского РАН (Москва), Уральского федерального университета (Екатеринбург) и Университета Тунцзи (Китай) разработали усовершенствованную технологию получения высококачественного глинозема из золошлаков, в рамках которой исходное сырье последовательно обрабатывают несколькими химическими реактивами.

Фото: Дмитрий Валеев Технологическая схема получения металлургического глинозема

Авторы использовали золу, полученную в результате работы Рефтинской ГРЭС — одной из крупнейших угольных электростанций в России, расположенной в Свердловской области.

Сначала золу в течение трех часов растворяли в смеси серной кислоты и бисульфата аммония при температуре 200°С. Полученный раствор охладили, в результате чего получили алюмоаммонийные квасцы — комплексную соль аммония, алюминия и серной кислоты. Затем их дополнительно очистили от примеси железа, растворили в воде и осадили в виде минерала алунита на поверхности затравки, которой служил минерал бемит. При этом ученые меняли объемы используемых реактивов, температуру и длительность осаждения, чтобы определить, какие условия позволяют получить наибольшее количество алунита (солевого минерала горно-вулканического происхождения, состоящего в основном из сульфата калия и алюминия). На заключительных этапах синтеза алунит промыли аммиаком для удаления серы и обожгли в печи при 950°С.

Оказалось, что максимальное количество алунита — промежуточного продукта синтеза — удается получить в течение восьми часов при нагреве раствора до 90°С. В этом случае эффективность осаждения составляет 88%.

— Главной инновацией предлагаемого способа стала возможность осаждения алюминия в виде алунита без использования дополнительных реагентов, например, газообразного аммиака. Использование бемита (минерала), а не традиционного гиббсита в качестве затравки позволило снизить температуру кальцинации глинозема на 300°С. Таким образом, энергозатраты сокращаются на 30%, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории сорбционных методов ГЕОХИ РАН Дмитрий Валеев.

Где используют глинозем

Химический анализ показал, что размер частиц и чистота глинозема, произведенного предложенным способом, соответствуют требованиям государственных стандартов России, Китая и Индии. Поэтому полученный продукт может использоваться отечественными и зарубежными заводами.

— В дальнейшем мы планируем оптимизировать продолжительность процесса осаждения и получать чистый порошок бемита без примеси серы, чтобы исключить стадию дополнительной очистки, — рассказал Дмитрий Валеев.

Любые методы вовлечения отходов в производство глинозема могут только приветствоваться, рассказал «Известиям» доцент Института экологии РУДН имени Патриса Лумумбы, член Общественного совета при Минприроды Владимир Пинаев.

— Глинозем широко используется не только для производства алюминия, но и для других целей. Следует отметить, что получение глинозема — довольно сложный и энергозатратный процесс. Его производство в лабораторных условиях — это одно, так сказать, доказательство эффективности реакций, а вот производство промышленных партий на постоянной основе — это другой процесс. В силу этого необходима промышленная апробация метода, — подчеркнул эксперт.

Замдиректора Института экологии РУДН Ирина Головачева также отметила важность уменьшения отходов сжигания угля.

— Это не только благоприятно для окружающей среды, но и стимулируется законодательством России. Уменьшение отходов и получение из них нового продукта — шаг к экономике замкнутого цикла, — отметила специалист.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Cleaner Production.