НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ИЗ УГЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЛОТАЦИОННОГО МЕТОДА ПЕРЕРАБОТКИ

АННОТАЦИЯ

Данное исследование направлено на изучение возможностей извлечения ценных металлов из угля с помощью метода флотации. Уголь является важным глобальным источником энергии и содержит такие элементы, как железо, медь, алюминий, никель и редкоземельные элементы. Для анализа угольных образцов использовались методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). В ходе исследования применялся флотореагент FB-71, эффективность которого была установлена на уровне 81-90%. Процесс флотации позволил достичь высоких результатов при извлечении алюминия и других металлов из угля, благодаря использованию новых реагентов. Полученные результаты имеют важное экологическое и экономическое значение, способствуя сокращению промышленных отходов.

ABSTRACT

This study is aimed at studying the possibilities of extracting valuable metals from coal using the flotation method. Coal is an important global source of energy and contains elements such as iron, copper, aluminum, nickel and rare earth elements. Scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were used to analyze coal samples. The flotation reagent FB-71 was used in the study, the efficiency of which was established at 81-90%. The flotation process has allowed high results to be achieved in the extraction of aluminum and other metals from coal, thanks to the use of new reagents. The results obtained are of great ecological and economic importance, contributing to the reduction of industrial waste.

Ключевые слова: Уголь, флотация, алюминий, реагенты, СЭМ (сканирующий электронный микроскоп), разделение минералов.

Keywords: Coal, flotation, aluminum, reagents, SEM (scanning electron microscope), mineral separation.

ВВЕДЕНИЕ

Уголь является одним из ключевых источников энергии, обеспечивая около 30% мирового энергопотребления. В условиях роста цен на нефть и природный газ его значение возрастает, особенно для стран с ограниченными запасами традиционных углеводородных ресурсов. Однако в составе угля присутствуют минеральные примеси, в том числе оксид алюминия (Al₂O₃) и кремнезём (SiO₂), которые снижают эффективность сгорания и усложняют последующую переработку [1]. В связи с этим разработка методов очистки угля и переработки его отходов является актуальной задачей. Особую важность представляет выделение оксида алюминия, который может быть использован в металлургии и других отраслях промышленности [2].

Современные методы обогащения угля включают гравитационное разделение, электростатическую сепарацию и флотацию. Среди них флотация является наиболее эффективной технологией, позволяющей селективно удалять минеральные примеси за счёт различий в их поверхностных свойствах. Данный процесс основан на различии в гидрофобно-гидрофильных характеристиках частиц, что позволяет эффективно разделять углеродсодержащие и минеральные компоненты [3]. Кроме того, угольные отходы могут содержать ценные металлы, включая железо, медь, никель и редкоземельные элементы, что делает их переработку не только экологически значимой, но и экономически выгодной. В связи с этим разработка и оптимизация флотационного метода выделения оксида алюминия является актуальной научной задачей [4].

Целью исследования является оценка эффективности флотационного выделения оксида алюминия (Al₂O₃) из угольных отходов с использованием нового флотореагента. Для этого проведён анализ фазового и химического состава отходов, определены оптимальные параметры флотации и исследовано влияние реагента на процесс разделения [5]. Разработан режим флотации для получения концентрата с повышенным содержанием Al₂O₃, а также оценены технико-экономические и экологические преимущества данной технологии [6].

Данная тема исследования приобретает особую актуальность в настоящее время, поскольку эффективная переработка отходов угольной промышленности имеет важное значение для повышения экономической эффективности и обеспечения экологической безопасности. Применение флотационного метода, с одной стороны, способствует сокращению объёма отходов и повышению качества угольного концентрата, а с другой — позволяет извлекать ценные компоненты, такие как оксид алюминия. Подобный подход служит важной научной и практической основой для производства новых материалов, которые могут быть востребованы в различных отраслях промышленности [7].

Существует несколько методов извлечения алюминия, каждый из которых имеет свою значимость, производительность, удобство и недостатки (таблица 1) [8].

Таблица 1.

Сравнительная таблица разделения оксида алюминия различными методами

Хотя флотация не является широко используемой первичной технологией в процессе производства алюминия, некоторые компании применяют ее для разделения каолина и другого сырья, богатого глиноземом [9]. Этот метод особенно эффективен при обогащении таких минералов, как каолин и боксит, оптимизируя процессы извлечения алюминия [10].

Данные о годовых мощностях по производству алюминия в основном предоставляются World Aluminum, Международным институтом алюминия (IAI), Геологической службой США (USGS) и другими отраслевыми сборщиками данных (рисунок 1).

Рисунок 1. Годовая мощность производства алюминия (тонн)

Флотация является эффективным и экономически выгодным методом извлечения ценных металлов из угольных отходов, способствуя повышению энергоэффективности и сокращению промышленных выбросов. В условиях растущего спроса на редкие и цветные металлы проводятся исследования по их выделению из угольных руд и отходов. В данном исследовании анализируются элементы F-Si, P-Cl, K-U, Cr-Co, Ni-Mo, Nc-Sb, Au, Al, Cu, Ti, Ag, а также используется флотационный реагент FB-71 с подобранными добавками для повышения эффективности процесса[11].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данном исследовании изучалась флотационная переработка угля марки СССШ, добываемого в Узбекистане, с целью выделения оксида алюминия (Al₂O₃). Проведена подготовка образцов, включающая физико-механическую и химическую обработку, а также использование нового флотореагента FB-71. Исследование проводилось в диапазоне pH 6–12, а морфологические изменения угольных частиц анализировались с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергетической дисперсионной спектроскопии (EDS) [12].

Флотационные испытания показали, что FB-71 обеспечивает эффективность извлечения Al₂O₃ на уровне 81–90%, что выше по сравнению с традиционным реагентом СОБ-3 (72–77%). Оптимальные параметры процесса включали концентрацию FB-71 0,01–0,1%, скорость перемешивания 1000–2000 об/мин и продолжительность флотации 20–30 минут. Результаты подтверждают, что разработанный реагент улучшает селективность выделения оксида алюминия и повышает эффективность переработки угольных отходов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе исследования был проведен обработка угля марки СССШ Узбекистана с использованием различных физических, механических и химических методов, а также образцы угля были исследованы с помощью электронного микроскопа. Согласно полученным результатам, была улучшена морфология поверхности угля. Основной причиной этого является эффективное очищение угля от различных минералов.

Для определения состава угля и угольных отходов были проведены испытания образцов. Для отбора образцов были выбраны различные части угля, и их элементарный состав был определен с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (Рисунок 2-3). Результаты анализа показали следующие элементы и их массовые процентные содержания:

Рисунок 2. СЭМ-изображение угля до обработки

До переработки образец считался имеющим высокое содержание углерода. После процесса флотации из угля было извлечено 5% алюминия. Содержание алюминия в полученной пробе, составившее 75%, было подтверждено научным выводом на основе изображений, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).

Рисунок 3. СЭМ-изображение угля после обработки

При исследовании мелких структур, текстур, отверстий и наноструктур на поверхности материала с помощью СЭМ было установлено, что пористость уменьшилась. Химический состав образцов определялся с использованием системы EDS (энергетической дисперсионной рентгеновской спектроскопии) совместно с СЭМ.

Установлено, что недавно синтезированный флотореагент FB-71 обладает высокой эффективностью при флотационном разделении металлов из угля. В состав флотореагента входят такие компоненты, как амилксантогенат калия, этилксантогенат натрия, гепан и уротропин. Изучена эффективность отделения Al₂O₃ в процессе флотации. Разработанные флотореагенты и другие образцы были проанализированы при различных уровнях pH (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Зависимость выхода разделения Al₂O₃ от уровня pH

Поскольку в присутствии соединений алюминия присутствуют соединения железа в виде пирита или других соединений, были выявлены оптимальные условия разделения алюминия от железа (рисунок 5). Научно доказано, что наиболее оптимальным является pH-среда в диапазоне от 10 до 12.

Рисунок 5. Научный анализ разделения Al₂O₃ от пиритных соединений с использованием разработанной марки фторреагента FB-71

Соединения пирита оказывают отрицательное влияние на процесс разделения Al₂O₃, поскольку их присутствие снижает эффективность удаления и переработки накопленного оксида. Установлено, что эффективность процесса разделения пирита с использованием разработанного флотореагента ФБ-71 составляет более 80% при использовании в диапазоне рН 7,5-8,5.

Таблица 2.

Реагенты и условия испытаний, используемые в процессе флотации

Разработанный флотореагент FB-71 также показал положительные результаты по сравнению с другими аналогами. В частности, научно доказано, что выход составляет 81-90 процентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном исследовании представлены факты, свидетельствующие о том, что флотационный процесс является наиболее эффективной технологией разделения угля и металлов. Этот процесс основан на физико-химических различиях, возникающих при разделении минералов, и позволяет эффективно разделять драгоценные металлы. Процесс выделения драгоценных и цветных металлов из угля становится более эффективным с помощью новых флотореагентов, таких как FB-71. Исследования показали, что эффективность реагента FB-71 достигает 81-90%. Морфологические изменения и улучшения химического состава на поверхности угля были обнаружены с помощью анализов cканирующая электронная микроскопия и энергии дисперсионного спектра энергодисперсионный спектральный анализ. После процесса флотации содержание алюминия в угле увеличилось. Разделение драгоценных металлов методом флотации не только экологически безопасно, но и способствует повышению экономической эффективности, что приводит к сокращению промышленных отходов.

Список литературы:

1. Значения флотационного процесса, исследование флотационных реагентов и механизмов их действия на поверхности раздела фаз // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. Бухоров Ш.Б. [и др.]. 2020. № 9(75)
2. G Temirov et al. Study of phosphogypsum conversion from Kyzylkum phosphorites with soda ash solution. 2023 IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 1142 012066, DOI: 10.1088/1755-1315/1142/1/012066
3. Yusupov, F., Kucharov, A., Baymatova, G., Shukurullayev, B., & Yuldashev, R. (2023, August). Development and study of adsorption properties of a new sulfur polyvinyl chloride cation exchanger for water treatment. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1231, No. 1, p. 012027). IOP Publishing.
4. Niyozaliev, M., Matyakubov, J., Abduvokhidov, D., Attri, P., Chen, Z., Razzokov, J. (2024). Unraveling the influence of nitration on pore formation time in electroporation of cell membranes: a molecular dynamics simulation approach. Journal ofPhysics D: Applied Physics, 57 (28), 285202. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad3bc8
5. Власова, В. В., Артемова, О. С., & Фомина, Е. Ю. (2017). Определение направлений эффективного использования отходов ТЭС. Экология и промышленность России, 21(11), 36-41
6. Kucharov, Azizbek, et al. "Development of technology for water concentration of brown coal without use and use of red waste in this process as a raw material for colored glass in the glass industry." E3S Web of Conferences. Vol. 264. EDP Sciences, 2021.
7. Sun, X., Zhang, Y., Zhang, Y., Wang, L., & Wang, K. (2023). Summary of health-state estimation of lithium-ion batteries based on electrochemical impedance spectroscopy. Energies, 16(15), 5682.
8. Kuldasheva, S., Aziza, A., Kulmatov, R., Karimova, G., Dauletbayeva, R., Nortojiyeva, G., & Reymov, A. (2024). Study and assessment of mineralogical, chemical and granulometric composition of volatile soil-sand aerosols from the dried-out part of the Aral Sea. In E3S Web of Conferences (Vol. 575, p. 04007). EDP Sciences.
9. Kucharov A., Xalilov S., Alikulova M., Mamarasulov T., Turayeva K., Imanova G., Saidova M., Farmonov, N. (2025). Scientific analysis of the development of new types of flotation reagents used in coal enrichment. EUREKA: Physics and Engineering, 2, 32–39. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2025.003742
10. G Temirov et al. Study of phosphogypsum conversion from Kyzylkum phosphorites with soda ash solution. 2023 IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 1142 012066, DOI: 10.1088/1755-1315/1142/1/012066
11. Yusupov, F., Kucharov, A., Baymatova, G., Shukurullayev, B., & Yuldashev, R. (2023, August). Development and study of adsorption properties of a new sulfur polyvinyl chloride cation exchanger for water treatment. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1231, No. 1, p. 012027). IOP Publishing.
12. Niyozaliev, M., Matyakubov, J., Abduvokhidov, D., Attri, P., Chen, Z., Razzokov, J. (2024). Unraveling the influence of nitration on pore formation time in electroporation of cell membranes: a molecular dynamics simulation approach. Journal of Physics D: Applied Physics, 57 (28), 285202. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad3bc8