Ученые разработали метод получения полезных элементов из угольной золы

Ученые УрФУ совместно с коллегами из Института геохимии и аналитической химии им. Вернадского разработали новый метод обработки золы, который позволит извлекать из нее полезные металлы и редкоземельные элементы (РЗЭ). Данная технология имеет высокую эффективность — после двухстадийной обработки можно извлечь до 85% алюминия, скандия и других РЗЭ. Разработка ученых поможет предприятиям сократить образование промышленных отходов и сделать производство более экологичным. Описание метода и результаты исследования ученые опубликовали в журнале Metals. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда и правительства Свердловской области (грант № 22-23-20150).

«Угольная зола состоит из многочисленных компонентов, извлечение которых может решить экологические и ресурсные проблемы, связанные с устойчивым развитием. Мы разработали технологию на основе кислотного выщелачивания после предварительного обогащения, которая позволяет после 90-минутной обработки извлечь из золы до 85% алюминия и скандия. Что важно — рабочая температура не превышает 170–175 C° против 210 C° для исходной золы. Это позволит снизить эксплуатационные расходы, а также даст возможность использовать более простое оборудование для обработки», — поясняет доцент кафедры металлургии цветных металлов УрФУ Андрей Шопперт.

Угольная зола — это отходы, которые образуются после сжигания угля на тепловых электростанциях (ТЭС). Большая часть полезных компонентов — алюминия и редкоземельных металлов — содержится в упорной муллитовой фазе золы. Данная фаза представляет собой алюмосиликат, стойкий для вскрытия кислотами и щелочью. Чтобы вскрыть этот упорный материал и извлечь из него максимальное количество полезных элементов, ученые предварительно обработали золу при помощи высококонцентрированного раствора гидроксида натрия при одновременном удалении магнитных элементов.

«Перед кислотным выщелачиванием мы провели обескремнивание золы при помощи раствора гидроксида натрия. В результате мы удалили более 60% кремнезема, 70% железа в виде отдельного концентрата и до 10–20% глинозема (оксида алюминия). За счет предварительного обескремнивания нам удалось повысить реакционную способность муллита и тем самым снизить рабочую температуру при кислотном выщелачивании до 170 C°», — комментирует Андрей Шопперт.

Образцы золы были взяты с Рефтинской ГРЭС, которая находится в Свердловской области. Здесь уголь сжигается в котлах-утилизаторах при температуре 1300 C°. По своему составу угольная зола состояла на 62 % из диоксида кремния, на 24,6% из оксида алюминия и на 3% из оксида железа. Ученые отмечают, что химический состав золы может варьироваться в зависимости от месторождения угля и метода его сжигания.

«Например, в Китае разработки по использованию золы для получения глинозема ведутся уже давно и есть опытно-промышленные установки, но в их золе глинозема изначально больше — до 50%. Кроме того, наша зола является более упорной для извлечения элементов из-за высокой температуры образования. Тем не менее, независимо от метода сжигания угля, в золе остается большое количество алюминия и редкоземельных металлов. Поэтому данный техногенный отход является перспективным сырьем для добычи этих металлов», — заключает Андрей Шопперт.

По словам ученых, извлечение полезных элементов из золы в будущем может стать одним из основных источников для получения глинозема и других элементов.

Несмотря на стремление многих стран сократить углеродный след, уголь все еще остается одним из самых востребованных типов топлива. По данным Международного энергетического агентства, потребление угля в 2022 году достигло 8 млрд тонн — это на 1,2% больше, чем в 2021 году. А три четверти мирового потребления угля в 2022 году приходилось на азиатский регион. При этом стоит отметить, что после сжигания каждой тонны угля образуется до 200–300 кг золы.

Enerdata утверждает, что в 2022 году Китай оказался главным потребителем угля — он произвел 4554 мегатонны энергии из этого вида топлива. На втором месте Индия — вследствие интенсивного роста экономики и увеличения населения это государство выработало 1157 мегатонн энергии при помощи угля. США, обладая развитой угольной промышленностью, реализовали 469 мегатонн энергии при помощи угольного топлива. На четвертом месте Россия — здесь сосредоточено большое количество промышленных сооружений, работающих на угле (в том числе ТЭС), что обусловило высокое потребление угля, при помощи которого в 2022 году было произведено 249 мегатонн энергии. Стоит отметить, что из-за высокого экономического роста в Индонезии сохраняется растущая тенденция к использованию угля — эта страна заняла пятое место, получив 216 мегатонн энергии из угольного топлива.