КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЗОЛЫ АНГРЕНСКОЙ ТЭС С ПОЛУЧЕНИЕМ ГЛИНОЗЁМНОГО КОНЦЕНТРАТА И ИЗВЛЕЧЕНИЕМ КРЕМНЕЗЁМА

АННОТАЦИЯ

В работе исследована возможность комплексной переработки золы Ангренской тепловой электростанции с целью получения глинозёмного концентрата и извлечения кремнезёма. Актуальность исследования обусловлена необходимостью рационального использования техногенных отходов и расширения сырьевой базы для производства алюминия и строительных материалов. В качестве исходного сырья использовалась зольная масса, подвергнутая предварительной магнитной сепарации для удаления железосодержащих примесей. Основным этапом переработки являлось щелочное выщелачивание с использованием раствора NaOH, в результате которого обеспечивалось селективное растворение SiO₂. Установлено, что повышение температуры процесса до 90–100 °C способствует увеличению степени извлечения кремнезёма до 25–26 %, при этом переход Al₂O₃ и Fe₂O₃ в раствор остаётся ограниченным. Проведена термическая активация золы в интервале 1000–1200 °C, что привело к увеличению реакционной способности алюмосиликатной матрицы и повышению эффективности последующих стадий переработки. В результате получен глинозёмный концентрат с содержанием Al₂O₃ более 81 %. Показано, что предложенная технология обеспечивает высокую селективность извлечения компонентов, снижение экологической нагрузки и может быть рекомендована для промышленного внедрения.

ABSTRACT

This study investigates the feasibility of комплекс processing of ash from the Angren thermal power plant for the production of alumina concentrate and the extraction of silica. The relevance of the research is обусловлена the need for рациональное utilization of technogenic waste and the expansion of the raw material base for aluminum and construction materials production. The initial raw material was ash subjected to preliminary magnetic separation to remove iron-containing impurities. The main processing stage involved alkaline leaching using a NaOH solution, which обеспечило selective dissolution of SiO₂. It was established that increasing the temperature to 90–100 °C enhances the degree of silica extraction up to 25–26 %, while the dissolution of Al₂O₃ and Fe₂O₃ remains limited. Thermal activation of ash in the temperature range of 1000–1200 °C was carried out, resulting in increased reactivity of the aluminosilicate matrix and improved efficiency of subsequent processing stages. As a result, an alumina concentrate with an Al₂O₃ content exceeding 81 % was obtained. The proposed technology demonstrates high selectivity of component extraction, reduces environmental impact, and can be recommended for industrial application.

Ключевые слова: зола ТЭС; глинозём; щелочное выщелачивание; извлечение SiO₂; термическая активация; алюмосиликаты; переработка отходов

Keywords: thermal power plant ash; alumina; alkaline leaching; SiO₂ extraction; thermal activation; aluminosilicates; waste processing

ВВЕДЕНИЕ. В современных условиях одной из актуальных задач является рациональное использование техногенных отходов, образующихся на тепловых электростанциях. Зольные отходы угольных ТЭС представляют собой значительный по объёму вторичный ресурс, утилизация которого позволяет не только снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, но и получить ценные компоненты для различных отраслей промышленности.

Особый интерес представляет переработка золы с целью извлечения глинозёма (Al₂O₃) и кремнезёма (SiO₂), которые широко используются в металлургии, строительстве и химической промышленности. Однако сложный фазовый и химический состав золы, а также наличие примесей, таких как железосодержащие и углеродсодержащие компоненты, существенно усложняют процессы её переработки и требуют разработки эффективных технологических решений.

В данной работе исследуется возможность получения глинозёмного концентрата из золы Ангренской ТЭС с применением магнитной сепарации, щелочного выщелачивания и последующей термической обработки. Особое внимание уделено изучению влияния технологических параметров на растворимость кремнезёма и извлечение алюминия, а также формированию фазового состава продуктов переработки.

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения экспериментальных исследований использовалась зольная масса, полученная из отходов Ангренская тепловая электростанция, работающей на двух видах угля (серый и черный). На начальном этапе золу подвергали магнитной сепарации с целью удаления железосодержащих компонентов.

В процессе дальнейшей переработки применялись реагенты NaOH, Na₂CO₃, CaCO₃ и CO₂. Предварительно очищенная от углерода и магнетита зола массой 300 г подвергалась щелочному выщелачиванию: часть содержащегося в ней SiO₂ растворяли в 750 мл 20 %-ного раствора NaOH при непрерывном перемешивании (лабораторный смеситель Стеглер МБ-6, скорость 500 об/мин). Продолжительность процесса составляла 180–300 минут, температурный диапазон — от 20 до 100 °C.

Полученную пульпу отделяли от твердой фазы методом вакуумной фильтрации с использованием одноступенчатого вакуумного насоса марки ВЕ-160.

Глинозёмный концентрат промывали дистиллированной водой при температуре 50–70 °C до достижения нейтрального значения pH, после чего сушили при 105 °C до постоянной массы. Высушенный алюмосодержащий продукт смешивали с Na₂CO₃ и CaCO₃ и подвергали спеканию при температуре 1200–1250 °C. Полученный спек выщелачивали водой при 75 °C с переводом целевых компонентов в раствор.

В результате формировался раствор натрия алюмината, из которого глинозём осаждали воздействием CO₂ при температуре 70–80 °C по следующей реакции:

             (1)

Осаждённый гидроксид алюминия отделяли методом вакуумной фильтрации, затем промывали водой и сушили в сушильном шкафу марки SNOL–3.5/3.5–И5М при температуре 105 °C. Полученный продукт подвергали термической обработке в муфельной печи «NAKAL» (модель PL-514) при температуре 600–1300 °C в течение 60 минут в воздушной среде с использованием корундовых тиглей.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Зависимость растворимости SiO₂ в щелочном растворе от температуры представлена на рисунке 2. Установлено, что повышение температуры приводит к увеличению количества растворяющегося кремнезёма. Однако при температурах выше 90 °C растворимость SiO₂ практически стабилизируется. Это объясняется интенсификацией процесса образования содалита, что ограничивает дальнейшее увеличение концентрации кремнезёма в растворе.

В процессе выщелачивания значительная часть SiO₂ переходит в состав щелочного раствора. При этом Al₂O₃ и Fe₂O₃ переходят в раствор в сравнительно небольших количествах – примерно 3,6 % и 2,2 % соответственно.

В результате протекания взаимодействий между компонентами системы часть ионов Na⁺ связывается с образованием труднорастворимых алюмосиликатных соединений, переходящих в состав глинозёмного концентрата.

Одним из эффективных способов повышения реакционной способности золы является её термическая активация. Основная часть SiO₂ в золе сосредоточена в стеклообразной фазе, которая под воздействием высоких температур подвергается перекристаллизации с образованием различных кристаллических модификаций кварца: α-кварца, β-кварца, β-кристобалита, β-тридимита и γ-тридимита.

Рисунок 1. Зависимость растворимости SiO₂ от концентрации NaOH

Согласно данным кристаллографических исследований, перестройка кристаллической решётки кварца происходит в интервале температур 550–580 °C при переходе из низкотемпературной β-формы в высокотемпературную α-форму. Данный процесс сопровождается изменением параметров кристаллической решётки SiO₂.

Установлено, что влияние термической активации золы на её растворимость в щелочной среде при температурах до 600 °C практически не проявляется. Однако повышение температуры активации до 1000–1200 °C приводит к заметному увеличению растворимости SiO₂ в щелочном растворе.

Таблица 1.

Влияние температуры термической обработки золы на растворимость SiO₂ и состав глинозёмного концентрата (температура выщелачивания — 98–100 °C)

Состав и свойства нерастворимого остатка существенно отличаются от исходной золы. Полученный глинозёмный концентрат представляет собой готовое сырьё для производства Al₂O₃.

Рисунок 2. Влияние температуры на растворимость SiO₂

Глинозёмный концентрат является порошкообразным материалом, состоящим из мелкодисперсных частиц. Средний диаметр частиц в концентрате в 1,5–2 раза меньше по сравнению со средним размером стекловидных частиц исходной золы. Исходная зола характеризуется наличием стекловидных частиц и утолщённых участков стеклофазы с гладкой, оплавленной внутренней поверхностью.

Рисунок 3. SEM-изображения: a – зола до обработки щелочным раствором; b – глинозёмный концентрат

Для получения глинозёма из глинозёмного концентрата был реализован процесс спекания. В результате проведённых экспериментов установлено, что оптимальная температура спекания шихты, состоящей из глинозёмного концентрата, Na₂CO₃ и CaCO₃, находится в интервале 1200–1250 °C.

В процессе спекания образуются водорастворимый алюминат натрия и практически нерастворимый двухкальциевый силикат, что протекает согласно следующим реакциям:

                               (2)

                              (3)

Алюминатный раствор разлагали в соответствии с методом Лайнера (1961) путём барботирования CO₂. Установлено, что остаточное содержание Na₂O·Al₂O₃ в растворе составляет менее 5–6 г/л. В результате кристаллы гидроксида алюминия выделяются из раствора и осаждаются на дне реактора.

Образовавшийся осадок отделяли на вакуум-фильтре, промывали водой, сушили и направляли на подготовку шихты для получения глинозёма.

После прокаливания гидроксида алюминия при температуре 700–800 °C получали дегидратированный глинозём с содержанием Al₂O₃ более 87 %.

Таблица 3.

Химический состав глинозёма после прокаливания, мас. % (t = 700 °C)

Таким образом, глинозём с содержанием Al₂O₃ более 87 % может быть получен из золы угольных тепловых электростанций, обогащённой алюминием. В соответствии с государственными стандартами содержание SiO₂ в металлургическом глинозёме должно быть менее 0,07 %. Достижение данного показателя обеспечивается путём введения кальцийсодержащих соединений в алюминатный раствор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований подтверждена высокая эффективность комплексной переработки золы Ангренской ТЭС с получением глинозёмного концентрата: установлено, что магнитная сепарация снижает содержание железосодержащих примесей и повышает технологическую пригодность сырья, а в процессе щелочного выщелачивания степень извлечения SiO₂ возрастает с увеличением температуры, достигая максимума при 90–100 °C с последующей стабилизацией; при этом извлечение кремнезёма составляет до 25–26 %, тогда как переход Al₂O₃ и Fe₂O₃ в раствор ограничен низкими значениями (около 3,6 % и 2,2 % соответственно), что обеспечивает высокую селективность процесса; показано, что термическая активация золы в интервале 1000–1200 °C повышает реакционную способность алюмосиликатной матрицы и эффективность извлечения целевых компонентов, в результате чего получен глинозёмный концентрат с содержанием Al₂O₃ более 87 %, соответствующий требованиям к сырью для получения металлургического глинозёма, что подтверждает технологическую, экономическую и экологическую целесообразность предложенного подхода.

Список литературы:

1. R.S. Fediuk, A.M. Yushin. «The use of fly ash of thermal power plants in the construction» // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015, Vol. 93, 012070.
2. I.I. Aizenberg, T.V. Koval. «Use of bottom ash materials in the construction industry» // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, Vol. 751, 012001.
3. A. Mehta, P.J.M. Monteiro. «Concrete: Microstructure, Properties, and Materials» // McGraw-Hill Education, 2014.
4. V.M. Malhotra, P.K. Mehta. «High-Performance, High-Volume Fly Ash Concrete» // Ottawa: Supplementary Cementing Materials for Sustainable Development Inc., 2005.
5. H. Koshliak. «Use of Burshtyn TPP ash for the production of expanded gas concrete» // Journal of New Technologies in Environmental Science, 2021, Vol. 5, No. 2.
6. J. Davidovits. «Geopolymer Chemistry and Applications» // Saint-Quentin: Institut Géopolymère, 2015.
7. B. Fernández-Jiménez, A. Palomo. «Composition and microstructure of alkali activated fly ash binder» // Cement and Concrete Research, 2005, Vol. 35, pp. 1984–1992.
8. Qayumov, O., Ro‘ziyev, U. B., & Abdullayev, F. (2026). METALLURGIK TEXNOGEN CHIQINDILARDAN KAMYOB METALLARNI AJRATIB OLISH TEXNOLOGIYASI. MUHANDISLIK VA IQTISODIYOT, 4(1).
9. Y. Zhang, W. Sun, Z. Li. «Preparation of fly ash-based geopolymer materials» // Journal of Materials Science, 2006, Vol. 41, pp. 5169–5173.
10. X. Querol, N. Moreno, J.C. Umaña. «Synthesis of zeolites from coal fly ash» // International Journal of Coal Geology, 2002, Vol. 50, pp. 413–423.
11. J. Temuujin, A. van Riessen. «Thermal activation of fly ash for geopolymer synthesis» // Journal of Hazardous Materials, 2009, Vol. 164, pp. 634–639.
12. GOST 10538-87. «Топливо твёрдое минеральное. Методы определения химического состава золы».
13. Abdisamievich, S. A., Mamarasulovich, R. U., & Azamatugli, K. O. (2025). DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR OBTAINING ALUMINA FROM LOCAL RAW MATERIALS. Sanoatda raqamli texnologiyalar/Цифровые технологии в промышленности, 3(2), 105-111.
14. GOST 30108-94. «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов».
15. GOST 25592-91. «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов».
16. Н.Н. Лебедев. «Химическая технология алюминия» // Москва: Металлургия, 1988.
17. В.А. Кудрявцев, А.И. Шарапов. «Переработка алюмосодержащего сырья» // Москва: Недра, 2002.