Глинозем, или оксид алюминия, является основным исходным материалом для производства алюминия. Но кроме этого он используется и в других сферах народного хозяйства: для производства специальных видов спеченной керамики и электрокорунда, высокоглиноземистой плотной и легковесной огнеупорной керамики. Также глинозем применяется для нанесения покрытий для защиты металлов от окисления, действия агрессивных сред и эрозионного износа. Еще глинозем добавляется в стекольную шихту при варке различных сортов стекол: для производства электронно-лучевых телевизионных прямоугольных трубок и для стекол, устойчивых к радиоактивным излучениям и нейтронам, для оптических стекол, для производства жаропрочной посуды и стеклянных волокон и т.д. Основным источником глинозема являются бокситы, алуниты, нефелины, запасы которых в мире в целом ограничены. Украина не располагает промышленными месторождениями этих материалов. Поэтому проблема получения глинозема из нетрадиционных сырьевых источников (таких, как глины, каолины, сланцы, аргиллиты, золы, шлаки ТЭЦ и другие) является весьма актуальной.
В настоящее время наиболее распространенными способами получения глинозема являются: способ Байера (для его осуществления требуются высококачественные бокситы, содержащие небольшое количество сульфидов, карбонатов, органических веществ, имеющих высокий кремнистый модуль). Способ спекания, сырьем для которого используются бокситы более низкого качества, нефелины, алуниты, глинистое сырье, каолиниты, каменноугольные золы, серициты и другие алюмосиликатные породы, запасы которых практически неисчерпаемы. Поэтому переработка этого сырья способом спекания на глинозем, несмотря даже на пониженное содержание оксида алюминия, вполне целесообразна и выгодна, так как побочными продуктами при способе спекания являются: сода, поташ, цемент. Также имеется комбинированный способ Байер - спекание (сочетание способов Байера и спекания в параллельном или последовательном вариантах).
В данной работе исследована возможность получения способом спекания глинозема из отходов угледобычи и углеобогащения, общее количество которых в Донецкой области составляет к настоящему времени около 500 млн. т и используется не более 10% ежегодного прироста.
Отходы углеобогащения довольно стабильны по минеральному составу. Они представлены литологическими разновидностями: аргиллиты - 40-55%, углистые аргиллиты - 7-25%, алевролиты - 4-10%, песчаник - 4-10%. Процентное соотношение составляющих оксидов изменяется только в зависимости от содержания угля в отходах. Количество кремнезема составляет 35-50%, глинозема 10-30%, оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов 2-8%, оксидов железа 2-10%. Зольность отходов - 67-86%. Гранулометрический состав характеризуется следующим содержанием фракций (мм): 0,01-0,04 ~ 25%, 0,04-0,12 ~ 15%, 0,12-0,25 ~ 12%, 0,25-0,50 ~ 15%, 0,50-1,0 ~ 10%, 1-3 ~ 20%. Содержащийся в отходах углерод (3-30%) частично компенсирует расход топлива, связанный с затратами тепла на спекание шихты. Отходы угледобычи по химико-минералогическому составу близки к отходам углеобогащения, отличаясь от них более высокой зольностью и меньшим содержанием угля.
В качестве объекта изучения взят отход углеобогащения Чумаковской ЦОФ, которые имеют следующий химический состав (%): SiO2 - 53,0; Al2O3 - 23,8; Fe2O3 - 12,1; CaO - 2,2; MgO - 2,2; SO3 - 3,5; K2O - 1,9; Na2O - 2,2. К отходам углеобогащения добавляли мел для связывания кремнезема и соду для получения растворимого алюмината натрия.
Исследования проводились по такой технологической схеме. Спеканию всегда предшествует передел подготовки исходной шихты. Подготовка сводится к выполнению следующих основных операций: измельчение исходного материала, дозировка компонентов шихты, смешение и корректировка шихты. Для спекания применяли муфельную печь. Спекали шихту при температуре 11000С. Основная цель спекания бокситовой шихты состоит в возможно более полном превращении оксида алюминия шихты в алюминат натрия, а кремнезема - в малорастворимый двухкальциевый силикат. В процессе спекания происходят твердофазные реакции. Наиболее важными из них являются: взаимодействие соды с оксидом алюминия с образованием растворимого алюмината натрия
После спекания спек охлаждается. Далее охлажденный спек, направляется в выщелачиватель. Назначение этого передела - перевести как можно больше оксида алюминия и оксидов натрия и калия из спека в алюминатный раствор и возможно более полно отмыть оставшийся красный шлам от алюминатного раствора. Выщелачивание производилось горячим насыщенным содовым раствором. После выщелачивания необходимо обескремнить раствор, т.е. удалить кремнезем, находящийся в растворе, для повышения качества глинозема. Обескремнивание производили в две стадии. На первой стадии создаются условия для наиболее полной кристаллизации гидроалюмосиликата натрия. Вторая стадия - это стадия глубокого обескремнивания. Для более полного осаждения кремнезема из растворов используют очень малую растворимость кремнийсодержащего соединения - гидрограната, в присутствии Са(ОН)2.Обескремнивание производили долгим кипячением раствора на электрической плитке. Далее алюминатный раствор направляли в узел карбонизации, который служит для разложения алюминатных растворов. При карбонизации через раствор пропускается СО2. В процессе карбонизации щелочь нейтрализуется, а оксид алюминия выпадает в осадок, в виде гидроксида алюминия. Карбонизацию проводили при температуре 800С при постоянном перемешивании. Выпавший в осадок гидроксид алюминия отфильтровывали. Отфильтрованный осадок отправляли в муфельную печь на кальцинацию. После кальцинации получали уже продукционный глинозем. Проведены предварительные лабораторные исследования, которые показали возможность извлечения 80-85% оксида алюминия от содержащегося в материале.
Необходимо проведение дополнительных исследований для отработки технологии с целью повышения эффективности извлечения глинозема и улучшения качества получаемого продукта.