Равновесные и неравновесные состояния систем Na 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O и K 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O имеют определяющее значение для установления ключевых технологических показателей глиноземного производства и их оптимизации. Обоснована необходимость систематизации и статистической обработки данных о равновесии в указанных системах для создания достоверной базы их физико-химического состояния, анализа и математического моделирования фазовых равновесий вследствие заметного расхождения экспериментальных результатов и термодинамических расчетов по материалам отдельных исследователей. Выявлена тенденция к уменьшению степени гидратации твердых алюминатов натрия с ростом температуры и переходом систем из области устойчивого состояния гиббсита к равновесию с бемитом. Приведены аппроксимирующие функции, позволяющие с высокими показателями достоверности описать изотермы равновесия в технологически значимой области концентраций систем Na 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O и K 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O. Упрощение аппроксимирующей функции возможно путем деления изотерм равновесия на два участка с интервалами содержания щелочного реагента 0-0,25 и 0,25-0,4 моль/100 г раствора. Выявлены закономерности в ходе изотерм растворимости для систем Na 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O и K 2 O–Al 2 O 3 –H 2 O, которые имеют удовлетворительное объяснение с позиций изменения ионного состава алюминатных растворов в зависимости от их концентрации и температуры, а также вследствие различий, связанных с гидратацией катиона щелочного металла, что имеет принципиальное значение для термодинамического моделирования рассмотренных равновесий.
Научное обоснование и разработка способа промышленного синтеза сложных алюминатов щелочно-земельных металлов представляет собой инновационное решение, определившее целый ряд направлений в развитии технологии комплексной переработки нефелинового сырья. Это обеспечивает получение высококачественного металлургического глинозема, эффективную утилизацию нефелинового шлама и выпуск новых видов попутной продукции широкого назначения. Современное развитие этих технических решений связано с обеспечением энергоэффективности синтеза гидрокарбоалюминатов кальция (ГКАК) и увеличением глубины очистки алюминатных растворов. Экспериментально определены условия синтеза ГКАК с использованием известковых материалов природного и техногенного происхождения, что позволяет выделить средний диаметр частиц в качестве одного из определяющих факторов этого процесса. Теоретически обосновано влияние оборота гидрогранатового шлама на снятие кинетических ограничений в процессе глубокого обескремнивания алюминатных растворов. Экспериментально определены условия двухстадийной дозировки ГКАК. Показано, что оптимальное соотношение количества реагента, подаваемого на первой и второй стадии, составляет около 3:2. При этом максимальная степень осаждения кремнезема обеспечивает получение алюминатных растворов с кремниевым модулем на уровне 95000, что достигается при использовании ГКАК, синтезированного на основе химически осажденного карбоната кальция при переработке отходов производства минеральных удобрений.
Потребление энергии во всем мире по ряду причин: рост численности населения, индустриализация и быстрый экономический рост развивающихся стран – постоянно увеличивается. Наиболее распространенное газовое топливо – природный газ – имеет низкую себестоимость добычи. Она меньше аналогично-го показателя для жидкого топлива в 2-3 раза, а для каменного угля в 6-12 раз. При передаче природного газа по трубопроводу на расстояние 1,5-2,5 тыс. км его себестоимость с учетом транспортных издержек в 1,5-2 раза ниже себестоимости каменного угля, при этом не нужны топливные склады. Установки, работающие на газовом топливе, обладают более высоким КПД по сравнению с установками, использующими другие виды топлива, они проще и дешевле в эксплуатации, сравнительно легко автоматизируются, что повышает безопасность и улучшает ведение технологического процесса, не требуют сложных устройств топливоподачи и золоудаления. Сгорает газ с минимальным количеством вредных выбросов, что улучшает санитарные условия и экологию. Однако в связи с истощением запасов основных источников энергии многие специалисты связывают будущее мировой энергетики с возможностями применения твердых энерго-носителей. С экологической точки зрения наиболее предпочтительной является технология газификации твердого топлива. Внедрил и популяризовал применение искусственного газа английский механик Вильям Мёрдок. Он получил светильный газ, произведя сухую перегонку каменного угля. После изобретения немецким химиком Робертом Бунзеном газовой горелки светильный газ начал применяться в качестве бытового топлива. С изобретением в 1861 г. братьями Сименс промышленного газогенератора появилась возможность получать более дешевый генераторный газ, на который стали переводить промышленные печи. Так как теплота сгорания получаемого в результате газификации генераторного газа относительно мала по сравнению с природным газом, то в Горном университете были проведены исследования возможности использования различных видов низкосортного технологического топлива на глиноземных заводах России в качестве альтернативы природному газу, доступ к которому имеется не во всех регионах.
В статье теоретически обоснованы требования к активации синтетического гиббсита для обеспечения максимальной растворимости активированного продукта. Представлены методические основы термоактивации гиббсита и оценки ее эффективности по показателям разложения алюминатных растворов. Показано, что для получения высокопересыщенных алюминатных растворов активация должна обеспечивать получение реагента с высокоразвитой поверхностью и неидентичного структуре осаждаемого гиббсита. В результате высокоградиентной термоактивации синтетического гиббсита установлено образование продукта преимущественно аморфной структуры с удельной поверхностью до 256 м 2 /г и сохраняющего начальную крупность частиц. Продукты активации были исследованы с использованием современных методов физико-химического анализа. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность растворения активированного продукта в алюминатных растворах метастабильного состава и их самопроизвольное разложение с образованием гидроксида алюминия высокой дисперсности. Показано, что существенное отличие в кинетике и показателях декомпозиции растворов связано с использованием затравочного материала различного гранулометрического состава, что обеспечивает развитие конкурирующих механизмов перекристаллизации затравки, гомогенного и гетерогенного зародышеобразования.
Одной из задач, решаемых в ходе выделения из раствора кристаллических осадков, является получение продуктов с заданными технологическими свойствами. В зависимо-сти от способа создания пересыщения и требований, предъявляемых к качеству кристал-лического осадка, можно использовать два принципиально отличающиеся подхода для ее решения. При высоких пересыщениях центры роста возникают самопроизвольно и их ко-личество в заметной степени определяет свойства конечного продукта. Кристаллизация в метастабильной области растворов не допускает самопроизвольного зародышеобразования и в этом случае становится неизбежным введение затравочной фазы, природа которой в известной степени определяет свойства конечного продукта. В реальном процессе проявляются механизмы, нарушающие нормальный рост кристаллов, вызывая их искажение, приводящее к гетерогенному зародышеобразованию и даже перекристаллизации с измельчением затравочного материала. Границей проявления этих тенденций служит величина предельного пересыщения, отнесенного к единице поверхности раздела фаз. При этом развитие соответствующих ростовых механизмов про-порционально отклонению удельного пересыщения раствора от его предельного значения. Традиционным источником гетерогенного зародышеобразования является механическое взаимодействие частиц, вероятность которого пропорциональна их концентрации. Для частиц затравки одинаковой природы и морфологии в условиях воспроизводимой турбулентности потока наиболее существенным фактором гетерогенного зародышеобразования становится масса частиц и, следовательно, их размер. Математическое описание этих тенденций позволило установить зависимость конечного размера частиц от концентрации затравки в исходной пульпе и показать существование минимума для количества частиц конечного продукта. Экспериментальное исследование свойств химических осадков в зависимости от количества затравки выполнялось применительно к разложению алюминатных растворов глиноземного производства. Процесс выделения гидроксида алюминия позволил установить количество затравочного гидроксида алюминия, приводящего к получению продукта максимальной крупности и тем самым подтвердить справедливость теоретических выводов.
Изложены результаты синтеза гидрокарбоалюминатов кальция (ГКАК) при использовании карбонатных реагентов различной природы и гранулометрического состава. Показана высокая активность известкового шлама от каустификации соды и продуктов конверсионной переработки фосфогипса, что позволяет рекомендовать их для использования в процессе получения ГКАК. Установлена лимитирующая стадия взаимодействия, связанная с внутренней диффузией реагентов.
Представлены материалы физико-химического анализа причин нестабильности гранулометрического состава продукционного гидроксида алюминия при переработке бокситов способом Байера. Показано, что периодичность изменения свойств осадка Al(OH)3, образующегося в процессе декомпозиции алюминатных растворов, определяется зависимостью ростовых процессов от величины относительного пересыщения системы на единицу затравочной поверхности. Установлено определяющее влияние на показатели периодического изменения свойств осадка концентрации вводимой затравки гидроксида алюминия и ее активной поверхности, которая изменяется под воздействием примесей, содержащихся в алюминатном растворе.
В статье представлены результаты технико-минералогических исследований обогатимости низкокачественных бокситов Северо-Онежского месторождения. В ходе работы были проведены эксперименты по определению измельчаемости сырья (в том числе бесшаровое измельчение) и по оценке обогатимости бокситов методом магнитной сепарации и флотации. Данные руды являются весьма сложным объектом для обогащения, так как характеризуются исключительно тонкой вкрапленностью алюминийсодержащих минералов, а также близостью их свойств. В ходе дальнейших работ планируется проведение опытов с использованием химического обогащения (как только химическое обогащение, так и в сочетании с физическими методами обогащения).
Представлены материалы расчета растворимости гидроксида алюминия в системе Na2O – K2O – Al2O3 – H2O (по данным о растворимости в частных разрезах этой системы) для широкого диапазона составов алюминатных растворов по содержанию щелочных компонентов. Показано, что растворимость гидроксида алюминия в интервале концентраций щелочных компонентов от 1,29 до 1,94 моль/л является линейной функцией мольной доли одного из них. Приведены результаты экспериментальных исследований по декомпозиции алюминатных растворов, устанавливающие существенное увеличение степени их разложения в процентах от теоретически возможной величины с ростом мольной доли K2O в смеси щелочных компонентов.
Представлены материалы кинетического анализа массопереноса, осложненного установлением адсорбционных равновесий, при декомпозиции алюминатных растворов глиноземного производства. Показано, что присутствие сильно адсорбирующейся примеси является одним из определяющих факторов интенсивности химического осаждения гидроксида алюминия. Приведены результаты экспериментальных исследований по декомпозиции алюминатных растворов при участии адсорбционно активных компонентов.
Показана роль термодинамических и кинетических факторов в процессе формирования реальной структуры химических осадков. На примере осаждения гиббсита из алюминатных щелочных растворов установлено значение параллельно протекающих процессов кристаллизации в формировании продукционных (реологических) свойств твердой фазы, образующейся при химическом взаимодействии.
Представлены материалы экспериментального исследования, устанавливающего зависимость кинетики массовой кристаллизации гидроксида алюминия от степени метастабильности щелочных алюминатных растворов. Показано, что изменение уровня метастабильности среды кристаллизации имеет отставание во времени от изменения параметров состояния физико-химической системы. Предложено теоретическое обоснование перехода системы от одного уровня метастабильного состояния к другому в связи с временными ограничениями изменения структуры лабильных растворов.
Изложены экспериментальные результаты термического осаждения кристаллогидратов сульфата магния из растворов, содержащих сульфаты щелочных металлов. Установлены показатели процесса как функции кинетически значимых факторов. Показана возможность описания кристаллизации сульфата магния уравнением кинетики топохимических процессов и определены его характеристики.
Представлены материалы кинетического анализа многостадийного процесса массо- переноса при декомпозиции алюминатных растворов глиноземного производства. Пока- зано, что роль эффективной концентрации в уравнении массопереноса могут играть кон- центрационные показатели, учитывающие распределение реагентов и продуктов в диффу- зионном слое. Приведены результаты экспериментальных исследований потоков кристаллизации на затравке различного фракционного состава.
Изложены вопросы теории и практики низкотемпературного обескремнивания алюминатных растворов. Дано научное обоснование использования активированного нефелинового концентрата в качестве затравки для кристаллизации гидроалюмосиликата натрия. Представлены материалы экспериментальных исследований по равновесию и кинетике обескремнивания в системе активированный нефелиновый концентрат – алюминатный раствор. Показана возможность достижения технологических показателей низкотемпературного процесса, достаточных для последующего глубокого осаждения кремнезема.
Изложены материалы, поясняющие механизм пространственной дифференциации состава раствора при участии газовой фазы и его роль в создании неравновесных условий, обеспечивающих перекристаллизацию твердых продуктов. Представлены расчеты равновесия в ряде систем глиноземного производства. Установлены показатели неравновесности растворов и их зависимость от ведущих технологических параметров процесса.
Предложен механизм массовой кристаллизации синтетического гиббсита при разложении алюминатных растворов. Показана ведущая роль зародышеобразования и пересыщения в формировании гранулометрии осадка гидроксида алюминия. Представлена методика и результаты экспериментального определения индукционного периода при осаждении гиббсита из алюминатного раствора. Определена поверхностная энергия образования твердой фазы при карбонизации алюминатного раствора как функция размера критического зародыша.
