Ученые из Университета металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова исследовали методы извлечения магнитных материалов и углерода из золы, вырабатываемой тепловыми электростанциями. Оказалось возможным извлекать до 99% несгоревшего углерода для его вторичного использования. Работа опубликована в журнале Minerals. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Ежегодно на тепловой электростанции (ТЭС) № 4 в Омске после сжигания угля из Экибастузского месторождения Республики Казахстан остается около 230 тысяч тонн угольной золы — это около 45% массы сжигаемого угля. Она не используется, а хранится на свалках вблизи реки Иртыш, вода в которой может быть загрязнена, если ежегодный весенний паводок разрушит плотину. Это, в свою очередь, может привести к значительному загрязнению Иртыша и прилегающих рек. Комплексная переработка золы позволит улучшить экологическую обстановку в городах и на прилегающих территориях источника и сохранит плодородные земли и чистоту рек.

Зола в основном содержит 20–35% глинозема (оксида алюминия), 50–65% кремнезема (применяемого в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий), 5–15% магнетита, до 6% несгоревшего углерода. Раньше ученые исследовали методы получения глинозема и керамики. При необходимости повторного использования всей золы нужно детальное изучение таких методов, как разделение магнитных и немагнитных частиц, а также разделение веществ по энергии взаимодействия с чем-либо, в данном случае — с дизельным топливом.

Картинка: концентрат магнетита, снятый на скани...

Картинка: концентрат магнетита, снятый на сканирующем электронном микроскопе: (а) сфера с дендритными структурами магнетита, (б) сфера с гексагональными объемными агломератами магнетита, (в) сфера со структурами звезд из магнетита, (г) отдельные субмикронные пирамидальные кристаллы магнетита, связанные в структуру звезды. Источник: Dmitry Valeev et al. / Minerals, 2019

В этой работе авторы исследовали эффективность магнитной сортировки и разделения на дизельном топливе, которое отличается высокой эффективностью и низкой ценой. Оказалось, что сухая магнитная сепарация золы повышает долю магнетита примерно до четверти. В то же время после мокрой магнитной сепарации с вдвое более слабым магнитным полем концентрация увеличивается с 5,3% до 34,4%. Анализ показывает, что магнетитовый концентрат состоит в основном из магнетита, муллита и кварца. Содержание углерода в концентрате, полученном после флотации с использованием дизельного топлива, достигает примерно 20%. Из частиц размером 40–71 микрометров было восстановлено около 99% несгоревшего углерода за 4 минуты. Анализ показал, что несгоревшие частицы углерода размером 71–100 микрометров содержат большое количество алюминия и кремния на поверхности. Это ухудшает взаимодействие дизельного топлива с углеродом и снижает его концентрацию после очистки до 83%.

«Исследование направлено на изучение процессов обогащения золы за счет выделения в концентрат магнитной составляющей, содержащей железо и несгоревший до конца углерод. Сами по себе эти концентраты могут представлять интерес для предприятий цветной металлургии и химической промышленности. Однако основной упор сделан на получение концентрата с минимальным количеством оксида железа и углерода. Магнетит является главной примесью в нашей технологии. Это связано с тем, что в процессе выделения алюминия из алюмосиликатного концентрата соляной кислотой он также переходит в раствор, загрязняя его. Углерод останется в нерастворимом кислотой остатке, который планируется использовать в строительной отрасли. Но даже небольшое количество углерода снижает механические свойства строительных материалов. В дальнейшем из растворов, содержащих хлорид алюминия, предполагается выделять соль алюминия, из которой можно получать глинозем, а из него — чистый металл. Таким образом, главный акцент в исследовании сделан на комплексность переработки золы с получением в конечном итоге глинозема для металлургической отрасли», — рассказывает старший научный сотрудник Лаборатории проблем металлургии комплексных руд имени академика И.П. Бардина, кандидат технических наук Дмитрий Валеев.

В работе также приняли участие ученые из Университета науки и технологий Джангсу (Китай), Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и Института проблем комплексного освоения недр (Москва, Россия).