Experimental analysis, modelling, and optimisation of alkaline leaching in coal fly ash treatment

Abstract

The present study introduces a novel integration of Gaussian Process Regression (GPR) modelling and Particle Swarm Optimisation (PSO) to improve the efficiency of alkaline leaching of coal fly ash (CFA). The selected operating variables for the alkali leaching process include temperature, leaching time, concentration of the alkalis (NaOH and KOH), and the liquid-to-solid ratio. A GPR model was employed for data fitting of the leaching process, yielding high predictive accuracy with R2 values of 0.9978 for SiO2 dissolution, 0.9742 for Al2O3 dissolution, and 0.9945 for Al/Si ratio in the NaOH-treated CFA process. In the KOH-treated CFA process, the GPR model achieved R2 values of 0.9645 for SiO2 dissolution, 0.9873 for Al2O3 dissolution, and 0.9960 for Al/Si ratio. Under optimised conditions, both NaOH- and KOH-treated leaching processes demonstrated an effective desilication of CFA, with NaOH showing higher silica dissolution and KOH yielding greater alumina recovery. The resulting Al/Si ratios further confirmed the efficiency of treatment, with the higher ratio in the NaOH process reflecting more effective silica removal. These findings demonstrate the efficacy of using PSO in conjunction with GPR models to optimise leaching processes, offering a significant advancement in the efficient processing of CFA through precise control of operational parameters. La pr & eacute;sente & eacute;tude introduit une nouvelle int & eacute;gration de la mod & eacute;lisation par r & eacute;gression de processus gaussien (GPR) et de l'optimisation par essaim de particules (PSO) pour am & eacute;liorer l'efficacit & eacute; de la lixiviation alcaline des cendres volantes de charbon (CFA). Les variables d'op & eacute;ration s & eacute;lectionn & eacute;es pour le proc & eacute;d & eacute; de lixiviation alcaline comprennent la temp & eacute;rature, le temps de lixiviation, la concentration des alcalis (NaOH et KOH en % de poids) et le rapport liquide/solide (L/S). On a utilis & eacute; le mod & egrave;le de GPR pour l'ajustement des donn & eacute;es du proc & eacute;d & eacute; de lixiviation, produisant une pr & eacute;cision pr & eacute;dictive & eacute;lev & eacute;e avec des valeurs de R2 de 0.9978 pour la dissolution de SiO2, de 0.9742 pour la dissolution d'Al2O3 et de 0.9945 pour le rapport Al/Si dans le proc & eacute;d & eacute; de CFA trait & eacute; au NaOH. Dans le proc & eacute;d & eacute; de CFA trait & eacute; au KOH, le mod & egrave;le de GPR a atteint des valeurs de R2 de 0.9645 pour la dissolution de SiO2, de 0.9873 pour la dissolution d'Al2O3 et de 0.9960 pour le rapport Al/Si. Dans les conditions optimis & eacute;es, les proc & eacute;d & eacute;s de lixiviation trait & eacute;s au NaOH et au KOH ont tous deux d & eacute;montr & eacute;s une dessilicatation efficace des CFA, le NaOH pr & eacute;sentant une dissolution de la silice plus & eacute;lev & eacute;e et le KOH produisant une meilleure r & eacute;cup & eacute;ration de l'alumine. Les rapports Al/Si obtenus ont en outre confirm & eacute; l'efficacit & eacute; de chaque traitement, le rapport plus & eacute;lev & eacute; dans le proc & eacute;d & eacute; de NaOH refl & eacute;tant une & eacute;limination plus efficace de la silice. Ces r & eacute;sultats d & eacute;montrent l'efficacit & eacute; de l'utilisation de PSO en collaboration avec les mod & egrave;les de GPR pour optimiser les proc & eacute;d & eacute;s de lixiviation, offrant une avanc & eacute;e significative dans le traitement efficace des CFA gr & acirc;ce & agrave; un contr & ocirc;le pr & eacute;cis des param & egrave;tres op & eacute;rationnels.