Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия:

В. Н. Бричкин, заведующий кафедрой металлургии, докт. техн. наук, эл. почта: Brichkin_VN@pers.spmi.ru
А. Т. Фёдоров, аспирант кафедры металлургии, эл. почта: s185005@stud.spmi.ru

В настоящее время можно уверенно говорить о возрастающем интересе к калийсодержащим рудам алюминия в связи с постепенным исчерпанием запасов, обеднением и усложнением состава традиционного сырья на фоне высоких востребованности и стоимости содо-поташной продукции, калийных удобрений, гидроксида алюминия, глинозема и материалов на их основе. При этом на первый план выходят новые месторождения уртитовых пород и нефелиновых руд, а также ультракалиевых рисчорритовых и сынныритовых пород. В связи с этим особое значение приобретают фундаментальные представления о природе и свойствах технически значимой системы Na₂O – К₂O – Al₂O₃ – H₂O, определяющей показатели ключевых технологических процессов при переработке такого сырья, выход и качество конечной продукции. Это позволяет выделить в качестве одного из актуальных научных приоритетов изучение фазовых равновесий в указанной системе, данные о которой практически отсутствуют или носят разрозненный и несистемный характер. Для уменьшения длительности установления равновесия в системе Na₂O – K₂O – Al₂O₃ – H₂O были опробованы методы гидролитического разложения алюминатных растворов на затравке гидроксида алюминия, а также математического описания кинетических кривых растворения гиббсита в щелочных растворах с заданной мольной долей K₂O. Независимо от способа достижения и определения состояния равновесия, при выполнении экспериментальных исследований использовали одинаковые лабораторные установки, химические реактивы и материалы. Экспериментально установлено, что в преимущественно калиевых алюминатнощелочных растворах подход к состоянию равновесия имеет сложную кинетику и механизм, затрудняющие использование методики ускоренного определения равновесного состава растворов. Применительно к методике, основанной на растворении гиббсита в ненасыщенных натриево-калиевых щелочных растворах, показана возможность результативного использования функций с асимптотическим приближением для установления предельной величины растворимости оксида алюминия. Результаты экспериментального определения равновесных составов растворов при температуре 60 ^oC в частных разрезах системы Na₂O – К₂O – Al₂O₃ – H₂O имеют хорошее и удовлетворительное совпадение с расчетными данными на основе принципа аддитивности. Это позволяет считать возможным использование расчетного метода применительно к иным температурам и частным разрезам исследуемой четырехкомпонентной системы.

Работа проведена при финансовой поддержке Российского научного фонда по Соглашению № 18-19-00577-П от 28.04.2021 о предоставлении гранта на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований.

1. Litvinenko V. S. Digital Economy as a Factor in the Technological Development of the Mineral Sector. Natural Resources Research. 2020. Vol. 29. pp. 1521–1541. DOI: 10.1007/s11053-019-09568-4.
2. Litvinenko V., Bowbriсk I., Naumov I., Zaitseva Z. Global guidelines and requirements for professional competencies of natural resource extraction engineers: Implications for ESG principles and sustainable development goals. Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 338. 130530.
3. Nurgaliev D. F., Sizyakov V. M., Utkov V. A. Reduction of Alkali Content in Nepheline Sludge for the Production of Heat-Resistant Insulating Materials From it. Refractories and Industrial Ceramics. 2019. No. 60. pp. 174–176.
4. Alekseev A. I. Building closed process circuits for comprehensive processing of apatite-nepheline ores. Journal of Mining Institute 2015. Vol. 215. pp. 75–83.
5. Sizyakov V. M. Sintering of alkali aluminosilicates and hydrochemical processing of cakes: Process regularities. Journal of Mining Institute. 2016. Vol. 217. pp. 102–112.
6. Siziakova E., Ivanov P. On the mechanism of silica transition into alumina solutions in the leaching of nepheline sinters. Materials Science Forum. 2021. Vol. 1031. pp. 190–195.
7. Dubovikov О. A., Sundurov A. V. Leaching kinetics for thermally activated bauxite. Obogashchenie Rud. 2021. No. 4. pp. 34–39. DOI: 10.17580/or.2021.04.06.
8. Layner A. I. Alumina production. Moscow : Gosudarstvennoe nauchno-tekhnicheskoe izdatelstvo literatury po chernoy i tsvetnoy metallurgii, 1961. 619 p.
9. Xie Yanli, Zhao Qun, Lu Zhenan, Bi Shiwen. Study on the effect of K₂O on seed precipitation in sodium aluminate liquors. Light Metals. 2006. pp. 159–163.
10. Xie Yanli, Zhao Qun, Lu Zhenan, Bi Shiwen. Study on negative effect of K₂O on precipitation of gibbsite. Light Metals. 2005. pp. 219–222.
11. Teslya V. G., Volokhov Yu. A., Sizyakov V. M. Effect of ions in sodium and potassium aluminate liquors on aluminium hydroxide precipitation kinetics. Zhurnal prikladnoy khimii. 1984. No. 591. pp. 534–539.
12. Anikeev V. I., Ananieva N. N., Kotlyagin E. G., Eremeev D. N. Crystallization of aluminium hydroxide during decomposition of the aluminate liquor resultant from nepheline processing. Tsvetnaya metallurgiya. 2003. No. 3. pp. 27–31.
13. Lebedev A. B., Utkov V. A., Khalifa A. A. Sintered sorbent utilization for H₂S removal from industrial flue gas in the process of smelter slag granulation. Journal of Mining Institute. 2019. Vol. 237. pp. 292–297.
14. Kozyrev B. A., Sizyakov V. M. Heap leaching of red mud by the formiate method. Obogashchenie Rud. 2021. No. 4. pp. 40–45. DOI: 10.17580/or.2021.04.07.
15. Alekseev A. I., Kononchuk O. O., Goncharova M. V., Hippmann S. et al. Recovery of CaCO3 from the Nepheline Sludge of Alumina Production. Chemie-Ingenieur-Technik. 2019. No. 4. pp. 1–9.
16. Pyagay I. N., Kremcheev E. A., Pasechnik L. A., Yatsenko S. P. Carbonization processing of bauxite residue as an alternative rare metal recovery process. Tsvetnye Metally. 2020. No. 10. pp. 56–63. DOI: 10.17580/tsm.2020.10.08.
17. Suss A. G., Damaskin A. A., Senyuta A. S., Panov A. V. et al. The influence of the mineral composition of low grade aluminum ores on aluminium extraction by acid leaching. Light Metals. 2014. pp. 105–109.
18. Siziakova E. V., Ivanov P. V., Boikov A. V. Application of calcium hydrocarboaluminate for the production of coarse-graded alumina. Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2019. Vol. 54. pp. 200–203.
19. Bazhin V. Yu., Glazev M. V. Refractory materials of metallurgical furnaces with the addition of silicon production waste. Non-ferrous Metals. 2022. No 1. pp. 32–39. DOI: 10.17580/nfm.2022.01.05.
20. Rimkevich V. S., Pushkin A. A., Girenko I. V. Complex processing of alkaline aluminosilicates by the fluorideammonium method. Obogashchenie Rud. 2020. No. 4. pp. 27–34. DOI: 10.17580/or.2020.04.05.
21. Gorbunova Ye. S., Zakharov V. I., Alishkin А. R. All-round chemicaldressing technology for processing of rischorrites. Obogashchenie Rud. 2011. No. 4. pp. 12–16.
22. Kozyreva L. V., Korobeynikov A. N., Menshikov Yu. P. A new kind of ultrapotassium rock in the Khibiny Mountains. Recent mineralogical discoveries in the Karelian-Kola Region. Petrozavodsk : Izdatelstvo KarNTs AN SSSR, 1990. pp. 116–129.
23. Antropova I. G., Alekseeva E. N., Budaeva A. D., Dorzhieva O. U. Thermochemical concentration of ultra-potassium aluminosilicate raw materials (synnyrite) using magnesium-containing additives of natural origin. Obogashchenie Rud. 2018. No. 6. pp. 14–19. DOI: 10.17580/or.2018.06.03.
24. Xi Ma, Jing Yang, Hongwen Ma, Changjiang Liu. Hydrothermal extraction of potassium from potassic quartz syenite and preparation of aluminum hydroxide. International Journal of Mineral Processing. 2016. Vol. 147. pp. 10–17.
25. Shuangqing Su, Hongwen Ma, Xiuyun Chuan, Biya Cai. Preparation of potassium sulfate and zeolite NaA from K-feldspar by a novel hydrothermal process. International Journal of Mineral Processing. 2016. Vol. 155. pp. 130–135.
26. Chizhikov D. M., Kitler I. N., Layner Yu. A. Solubility isotherms of the К₂O – Аl₂O₃ – Н₂O system. Proceedings of the Third All-Union Meeting on Alumina Chemistry and Technology. Erevan : NTI SNKh, 1964. pp. 333–342.
27. Agranovskiy A. A., Berkh V. I., Kavina V. A. et al. A metallurgist’s handbook on non-ferrous metals. Alumina production. Moscow : Metallurgiya, 1970. 320 p.
28. Sipos P., Schibeci M., Peintler G., Maya P. M. et al. Chemical speciation in concentrated alkaline aluminate solutions in sodium, potassium and caesium media. Interpretation of the unusual variations of the observed hydroxide activity. The Royal Society of Chemistry. 2006. pp. 1858–1866.
29. Brichkin V. N., Fedorov A. T. Thermodynamic Modelling of Ion Equilibria in the Na₂O – Al₂O₃ – H₂O System with Gibbsite. Tsvetnye Metally. 2022. No. 3. pp. 74–81. DOI: 10.17580/tsm.2022.03.08.
30. Fricke R., Jucaitis P. Untersuchungen uber die Gleichgewichte in den Systemen Al₂O₃ – Na₂O – H₂O und Al₂O₃ – K₂O – H₂O. Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie. 1930. Vol. 191. pp. 129–149.
31. Mengjie Luo, Junxiang Ye, Jin Xue, Chenglin Liu et al. Phase equilibrium in the ternary system K₂O – Al₂O₃ – H₂O at 323.15, 333.15, 343.15, and 353.15 K. Journal of Chemical & Engineering Data. 2020. DOI: 10.1021/acs.jced.0c00017.
32. Rosenberg S. P., Healy S. J. A thermodynamic model for gibbsite solubility in Bayer liquors. 4^th International Alumina Quality Workshop, Darwin. 1996. pp. 301–310.
33. Golubev V. O., Chistiakov D. G., Brichkin V. N., Litvinova T. E. Systems and aids mathematical modeling of the alumina refinery methods: problems and solutions. Non-ferrous Metals. 2019. No. 1. pp. 40–47. DOI: 10.17580/nfm.2019.01.07.
34. Golubev V. O., Litvinova T. E. Dynamic simulation of industrial-scale gibbsite crystallization circuit. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 247. pp. 88–101.
35. Abramowitz M., Stegun I. A. et al. Handbook of mathematical functions with formulas, graphs, and mathematical tables, 9th printing. New York : Dover, 1972. 881 p.
36. Morgunov A. P., Derkach V. V. Fitting of experimental efficiency and reliability curves. Omsk : Omskiy gosudarstvennyi tekhnicheskiy universitet, 2017. 52 p.