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

Для технологически значимой области систем Na₂O – Al₂O₃ – H₂O и К₂O – Al₂O₃ – H₂O большинство исследователей отмечают наличие двух форм комплексных анионов алюминия, существующих в виде гидратированных мономеров и димеров метаалюминат-иона. На основе анализа фазовых равновесий в системе Na₂O – Al₂O₃ – H₂O установлено, что степень нелинейности изотерм растворимости является показателем усложнения состава алюминатных растворов при участии димеров тетрагидроксокомплексов метаалюминат-ионов и делает возможным расчет ионного состава для изотермической модели с двумя ионными формами алюминия. Показано, что при участии димеров область существования соответствующих равновесий определяется построением изотерм растворимости в виде функции [Al₂O₃] = f([Na₂O] – [Al₂O₃]), что позволяет сузить диапазон модельного представления о совместном существовании мономеров, димеров и дегидратированных метаалюминат-ионов в системе Na₂O – Al₂O₃ – H₂O. На основании результатов расчетов показано существенное расширение области фазовых равновесий при участии димеров тетрагидроксокомплексов метаалюминат-ионов с ростом температуры, а также смещение максимума равновесия при участии димеров в область растворов с пониженной концентрацией щелочного компонента. Таким образом, изотермы равновесия в системе Na₂O – Al₂O₃ – H₂O при температурах 30, 60 и 95 ^oC включают фазовые равновесия с участием одной, двух или трех ионных форм алюминия, доля и область существования которых определяется концентрацией щелочного компонента и температурой.

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. Кузнецов С. И., Деревянкин В. А. Физическая химия процес са производства глинозема по способу Байера. — М. : Металлургиздат, 1964. — 353 с.
2. Аграновский А. А., Берх В. И., Кавина В. А. и др. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема. — М. : Металлургия, 1970. — 320 с.
3. Лайнер А. И., Еремин Н. И., Лайнер Ю. А., Певзнер И. З. Производство глинозема. — М. : Металлургия, 1978. — 344 с.
4. Абрамов В. Я., Николаев И. В., Стельмакова Г. Д. Физико-химические основы переработки алюминиевого сырья. — М. : Металлургия, 1985. — 288 с.
5. Сизяков В. М., Корнеев В. И., Андреев В. В. Повышение качества глинозема и попутной продукции при комплексной переработке нефелинов. — М. : Металлургия, 1986. — 118 с.
6. LeRoy D., Esther L. Alumina chemicals: science and technology handbook. — New York : Wiley, 1990. — 671 p.
7. Alumina 3 Bayer Species Model. — URL: http://help.syscad.net/index.php/Alumina_3_Bayer_Species_Model#Density_Calculations (accessed: May 30, 2019).
8. Golubev V. O., Balde M.-B., Chistyakov D. G. Development and utilization of detailed process and technology models at RUSAL alumina refineries // The 35th International ICSOBA Conference : proceedings. — Hamburg, 2017. P. 281–288.
9. 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. P. 40–47. DOI: 10.17580/nfm.2019.01.07.
10. Сизяков В. М., Литвинова Т. Е., Бричкин В. Н., Федоров А. Т. Современное физико-химическое описание равновесий в системе Na₂O–Al₂O₃–H₂O и ее аналогах // Записки Горного института. 2019. Т. 237. С. 298–306.
11. Beloglazov I. I., Petrov P. A., Bazhin V. Yu. The concept of digital twins for tech operator training simulator design for mining and processing industry // Eurasian Mining. 2020. No. 2. P. 50–54. DOI: 10.17580/em.2020.02.12.
12. Голубев В. О., Литвинова Т. Е. Динамическое моделирование промышленного цикла кристаллизации гиббсита // Записки Горного института. 2021. Т. 247. С. 88–101.
13. Лайнер Ю. А. Киселев А. Н., Добра Дж., Алистарх В. В. Научные и технологические основы комплексной переработки алюминийсодержащих отходов // Цветные металлы – 2011. Сб. докл. III Междунар. конгресса. — Красноярск : ООО «Версо», 2011. С. 116–122.
14. Сизяков В. М. Химико-технологические закономерности процессов спекания щелочных алюмосиликатов и гидрохимической переработки спеков // Записки Горного института. 2016. Т. 217. С. 102–112.
15. Алексеев А. И. Комплексная переработка апатит-нефелиновых руд на основе создания замкнутых техно логических схем // Записки Горного института. 2015. Т. 215. С. 75–83.
16. Трушко В. Л., Утков В. А., Бажин В. Ю. Актуальность и возможности полной переработки красных шламов глиноземного производства // Записки Горного института. 2017. Т. 227. С. 547–553.
17. Дубовиков О. А., Яскеляйнен Э. Э. Переработка низкокачественного бокситового сырья способом термохимияБайер // Записки Горного института. 2016. Т. 221. С. 668–674.
18. Сборник трудов по вопросу природы алюминатных растворов. НТО Цветной металлургии. — Л., 1959. — 82 с.
19. Миронов В. Е., Павлов Л. Н., Ерёмин Н. И., Конёнкова Т. Я. О структуре алюминатных ионов // Цветные металлы. 1969. № 7. С. 56–57.
20. Романов Л. Г. Разложение алюминатных растворов. — Алма-Ата : «Наука» Казахской ССР, 1981. — 205 с.
21. Пучков Л. В., Чахальян О. Х. Модели алюминатного иона и константы равновесия реакций с участием Al(OH)3 // Журнал прикладной химии. 1978. Т. 51, № 5. С. 1010–1015.
22. Райзман В. Л., Ни Л. П., Власенко Ю. К., Певзнер В. И. Исследование границ устойчивости различных алюминатионов в системе Na₂O–Al₂O₃–H₂O // Комплексное использование минерального сырья. 1986. № 3. С. 61–65.
23. Мюнд Л. А., Сизяков В. М., Бурков К. А., Захаржевская В. О. и др. Алюминатные растворы при различной температуре // Журнал прикладной химии. 1995. Т. 68, № 12. С. 1964–1968.
24. Сизяков В. М., Мюнд Л. А., Захаржевская В. О., Попов И. А. и др. Изучение состояния ионов алюминия и цинка в щелочных растворах // Журнал прикладной химии. 1992. Т. 65, № 1. С. 23–28.
25. Gerson A. R., Ralston J., Smart R. An investigation of the mechanism of gibbsite nucleation using molecular modeling // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1996. Vol. 110. P. 105–109.
26. Johnston C., Agnev S., Shoonover J., Kenney J. W. et al. Raman study of aluminum speciation in simulated alkaline nuclear waste // Environmental Science and Technology. 2002. Vol. 36, Iss. 11. P. 2451–2458.

27. Sipos P. The structure of Al(III) in strongly alkaline aluminate solutions — A review // Journal of Molecular Liquids. 2009. Vol. 146. P. 1–14.
28. Арлюк Б. И., Веприкова Т. Б. Зависимость растворимости гидраргилита от концентрации содощелочного раствора и температуры // Цветные металлы. 1981. № 6. С. 59–60.
29. Rosenberg S. P., Healy S. J. A thermodynamic model for gibbsite solubility in Bayer liquors // 4-th Int. Alumina Quality Workshop, Darwin, 1996. P. 301–310.
30. Li X., Lu W., Feng G., Liu G. et al. The applicability of Debye-Huckel model in NaAl(OH)4–NaOH–H2O system // The Chinese Journal of Process Engineering. 2005. Vol. 5, Iss. 5. P. 525–528.
31. Bennett F. R., Crew P., Muller K. K. A GMDH approach to modelling gibbsite solubility in Bayer process liquors // International Journal of Molecular Science. 2004. Vol. 5. P. 101–109.
32. Königsberger E., Eriksson G., May P. M., Hefter G. Comprehensive model of synthetic Bayer liquors. Part 1. Overview // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2005. Vol. 44. P. 5805–5814.
33. Königsberger E., Bevis S., Hefter G., May P. M. Comprehensive model of synthetic Bayer liquors. Part 2. Densities of alkaline aluminate solutions to 90 ^oC // Jornal of Chemical Engineering Data. 2005. Vol. 50. P. 1270–1276.
34. Königsberger E., May P. M., Hefter G. Comprehensive model of synthetic bayer liquors. Part 3. Sodium a luminate solutions and the solubility of gibbsite and boehmite // Monatshefte fur Chemie. 2006. Vol. 137. P. 1139–1149.
35. Li X.-B., Yan L., Zhou Q.-S., Liu G.-H. et al. Thermodynamic model for equilibrium solubility of gibbsite in concentrated NaOH solutions // Transactions of Nonferrous Metals Society China. 2012. Vоl. 22. P. 447–455.
36. Зеликман А. И., Вольдман Г. М., Беляевская Л. В. Теория гидрометаллургических процессов. — М. : Металлургия, 1983. — 424 с.