تعدين البوكسيت وتكرير الألومينا

يبلغ إنتاج البوكسيت في جميع أنحاء العالم حوالي 851 تيرابايت 3 تيرابايت، وهو بمثابة مادة وسيطة لإنتاج الألومينا. تقوم أستراليا بتعدين وتكرير الألومينا في كوينزلاند وغرب أستراليا والإقليم الشمالي وتسمانيا باستخدام أفضل الممارسات في عمليات التعدين والتكرير التي لا تشكل مخاطر صحية مهنية خطيرة.

ابتكر تشارلز هول في أمريكا وبول هيرولت في فرنسا بشكل مستقل عملية اقتصادية لإنتاج الألومنيوم عن طريق التحليل الكهربائي للكريوليت المصهور في عام 1886؛ وأصبحت هذه العملية تعرف باسم عملية باير.

التعدين

الألمنيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة في الطبيعة، ومع ذلك لا يمكن استخراجه في حالته النقية. وبدلاً من ذلك، يوجد الألمنيوم في صورة مركبات مختلفة في الصخور والرواسب، والمصدر الرئيسي في العالم هو صخور البوكسيت التي تحتاج إلى استخلاصها وتكريرها إلى ألومينا قبل إنتاج الألمنيوم في مواقع التعدين في جميع أنحاء العالم.

وتنتج عمليات تعدين الألمنيوم وتكرير الألمنيوم نفايات كبيرة، حيث ترتبط الكميات الكبيرة من النفايات السامة مثل التنورم (TENORM) بالعديد من الحالات الصحية بما في ذلك التليف وورم الظهارة المتوسطة وأمراض الرئة. وعلاوة على ذلك، فإن المعادن الثقيلة تتسرب إلى مصادر المياه من أكوام النفايات مما يؤدي إلى تلويثها بمستويات خطرة محتملة تهدد سلامة البيئة.

للحد من الآثار البيئية المرتبطة بإنتاج الألومينا، يتم استثمار موارد كبيرة في إعادة تأهيل المناجم واستعادة الموائل الطبيعية. ولسوء الحظ، ينطوي هذا النشاط على مخاطر معينة للعاملين في قطاعي التعدين والتكرير، الذين يمكن أن يتعرضوا لأمراض تنفسية وجلدية بما في ذلك ورم الظهارة المتوسطة وسرطانات الجلد والكلى وأمراض الرئة التنكسية أو الأمراض المعدية المكتسبة في المجتمع مثل الملاريا أو حمى الضنك في حالة وجود البعوض.

وعادةً ما يستخدم تعدين البوكسيت تقنيات الحفر المكشوفة، وتعد أستراليا وغينيا والصين مسؤولة عن إنتاج غالبية البوكسيت العالمي. ونظراً لأن معظم البوكسيت يوجد في المناطق الاستوائية، يجب أن يتم تعدينه هنا أيضاً، حيث تقوم شركات التعدين الكبرى عموماً بتشغيل المناجم بالقرب من مرافق الموانئ مع وجود قوى عاملة مدربة في مكان قريب.

في إطار عملية باير، يتم سحق البوكسيت وغسله وطحنه قبل إذابته في الصودا الكاوية تحت ضغط ودرجة حرارة مرتفعين لتكوين محلول فائق التشبع بألومينات الصوديوم، المعروف باسم سائل الحامض، والذي يتم ضخه بعد ذلك في خزانات طويلة تسمى المرسبات حيث تتم إضافة بذور هيدروكسيد الألومنيوم من أجل ترسيب بلورات هيدروكسيد الألومنيوم الصلبة أثناء تبريد سائل الحامض - ثم يتم ترشيح هذه الألومينا المترسبة وإرسالها مباشرة إلى مناطق تخزين بقايا البوكسيت.

التحضير

الألومنيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض، وهو معروف بخفة وزنه وقابليته للطرق وقابليته للسحب وعدم تآكله. لكن لسوء الحظ، لا يوجد الألومنيوم بشكل طبيعي في شكله المعدني وبالتالي يجب تعدينه لإنتاجه. يجب معالجة البوكسيت أولاً إلى ألومينا (أكسيد الألومنيوم). وبمجرد إنتاجه، يمكن بعد ذلك تشكيل هذه المادة إلى أشكال مختلفة مثل الرخويات والقضبان والسبائك والكتل حتى يتم في النهاية إنتاج معدن الألومنيوم.

البوكسيت هو المصدر الرئيسي للألومنيوم ويوجد عادةً على شكل طبقة متجمدة تعرف باسم لاتيريت أو قشرة متجمدة على صخور نارية مختلفة، وتتكون من أكسيد الألومنيوم وأكسيد الحديد وثاني أكسيد السيليكون. ولا يمكن استغلال الرواسب التي تحتوي على الجيبايت والبوهيميت التي تحتوي على 65 و85 في المائة من الألمنيوم على التوالي من الناحية الاقتصادية لإنتاج الألومينا؛ وتوجد هذه الرواسب بشكل رئيسي على جانبي خط الاستواء.

تُستخدم محاليل الصودا الكاوية الساخنة لإذابة المعادن الحاملة للألومنيوم داخل البوكسيت (الغيبوبت والبوهميت والدياسبور). وتُعرف هذه العملية باسم الهضم أو النض ويُعرف محلول ألومينات الصوديوم الناتج عن ذلك بالسائل الحامل. وبمجرد فصله عن الألومينا الأم، يجب بعد ذلك فصل السيليكا غير القابلة للذوبان في البوكسيت عن طريق الترشيح عن أي طين أحمر متبقٍ بعد إجراء الترشيح - والذي سيتم التخلص منه في النهاية بعد التصفية.

يتطلب الهضم كميات كبيرة من المياه. كما أن المياه مطلوبة أيضًا في تصنيع الصودا الكاوية المائية والمواد الكيميائية الأخرى؛ ولغسل الخام والمخلفات ونفايات الصودا الكاوية المعاد تدويرها والنفايات؛ وكذلك لأغراض تخفيف الغبار. ويختلف استخدام المياه بين المصانع باختلاف نوعية البوكسيت وتصميم المصنع ومدى توافر المياه في المنطقة.

تطلبت الممارسات التقليدية في المصانع إضافة فلوريد الكالسيوم أثناء التكليس من أجل تقليل مستويات الصوديوم في المادة الأولية للألومينا؛ ولكن بسبب المخاوف المتعلقة بانبعاثات الفلورايد في الغلاف الجوي، تم التخلي عن هذه الممارسة منذ ذلك الحين. وبسبب هذه المتطلبات، كان لا بد من استحداث تقنيات جديدة لمعالجة الألومينا منخفضة الصوديوم. يتم طحن الألومينا المنتجة بهذه الطريقة في مطحنة استنزاف باستخدام حمض الأسيتيك من أجل إزالة الصودا وإنتاج منتجات منخفضة الصوديوم. وتتطلب عملية ترسيب الألومينا رش غاز الهيدروكلوريك لتكوين بلورات سداسي هيدرات كلوريد الألومينا التي يتم ترشيحها بعد ذلك وطردها مركزيًا وغسلها بحمض الهيدروكلوريك ثم ترشيحها مرة أخرى قبل إذابتها في الماء الساخن لإنتاج ملاط أكسيد الألومنيوم (ALO) المناسب لمزيد من المعالجة.

التكرير

يتم إنتاج الألومنيوم الذي نستخدمه كل يوم من خلال سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية التي تبدأ بتكرير البوكسيت. وتُستخدم الألومينا (Al2O3) كمادة خام لإنتاج الألومنيوم الأولي من خلال وسائل التحليل الكهربائي، إلا أن استخداماته الأخرى تتجاوز الإنتاج الأولي؛ حيث يلزم إنتاج ما يقرب من طنين لإنتاج طن واحد من الألومنيوم الأولي؛ وفي الواقع فإنه يلعب أيضًا دورًا حيويًا في العديد من المواد الكيميائية الأخرى مثل المواد الحرارية المستخدمة في تبطين الأفران والأفران الدوارة ذات درجة الحرارة العالية، كمادة كاشطة، كمادة كاشطة، وحتى عمليات تنقية المياه.

تتم معظم عمليات تعدين البوكسيت عبر طرق التعدين المكشوف، حيث تستأثر ثلاثة بلدان - أستراليا والصين وغينيا - ب 721 تيرابايت 3 طن من الإنتاج العالمي. يتم تجريد البوكسيت من الأرض باستخدام طرق مثل التفجير والحفر والحفر بالبلدوزرات الكبيرة قبل نقله مباشرة إلى مصافي الألومينا القريبة لمزيد من المعالجة.

إن تكرير الألومينا عملية معقدة من أربع خطوات. أولاً، يجب غسل البوكسيت وتصفيته لإزالة الشوائب مثل السيليكا. بعد ذلك، يتم تسخين الخمور الخضراء إلى درجات حرارة عالية في فرن مع الصودا الكاوية للخلط حتى يحدث التبلور في أوعية مرسبات مع جزيئات بذور محلول هيدروكسيد الألومينا التي يتم زرعها عليها بواسطة البذور؛ ثم يحفز الترسيب مزيدًا من النمو لمحلول هيدروكسيد الألومينا قبل الانتقال إلى الخطوات اللاحقة من التكرير.

تتم عمليات اللحام بشكل متكرر في مصافي الألومينا وورش المناجم، مما يؤدي إلى التعرض للأبخرة والغبار الذي يمكن أن يؤدي إلى أمراض الجهاز التنفسي والإصابات. ولذلك، ينبغي وضع ضوابط للحد من هذه المخاطر والتعرض للاهتزازات والتعرض للمواد الخطرة حيث تنشأ مشاكل أخرى تتعلق بالصحة المهنية في المناطق الاستوائية حيث يكون العمل في الهواء الطلق هو القاعدة، مما قد يزيد من تعرض العمال للإجهاد الحراري بينما يرتبط إجهاد الاهتزازات في الجسم كله بآلات مثل الكاشطات وأجهزة الحفر والشاحنات والحفارات التي تشغل هذه الآلات.

الصهر

الألومينا هي المادة الخام الأساسية اللازمة لتصنيع الألومنيوم. ويتم إنتاجه من خلال عملية من أربع مراحل تُعرف باسم عملية باير - نسبة إلى مطورها كارل جوزيف باير -. يتم طحن خام البوكسيت طحنًا ناعمًا وتغذيته في جهاز هضم ساخن بالبخار حيث يتم خلطه تحت الضغط مع محلول الصودا الكاوية لتكوين محلول ألومينات الصوديوم (السائل الأخضر) بينما يتم إعادة تدوير مخلفات الصودا الكاوية مرة أخرى في عملية الهضم كمادة وسيطة؛ ويمكن بعد ذلك استخلاص الألومينا عن طريق التبخير والبلورة لإنتاج مسحوق أبيض يعرف باسم الجيبسيب.

اختزال الألومينا إلى سبائك >>خلال مرحلة الاختزال من الإنتاج، يتم إذابة الألومينا في ما يسمى بأواني الاختزال - وهي عبارة عن أغلفة فولاذية عميقة مستطيلة الشكل مبطنة بالكربون أو الجرافيت الذي يحمل إلكتروليت الكريوليت. ويمر تيار كهربائي عبر هذا الخليط بينما تعمل أنودات الكربون ككاثودات؛ ويتفاعل الألومنيوم والأكسجين من الألومينا مع أنود الكربون لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتفاعل بعد ذلك مع أنودات الألومنيوم المعدني ككاثود لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون مع بقاء أنودات الألومنيوم المعدني تاركاً الألومنيوم المعدني فقط عند الكاثود؛ ثم يدخل بعد ذلك إلى أفران الحفظ حيث تتم إزالة الشوائب وإضافة عناصر السبائك وصبها في سبائك.

تُستخدم سبائك الألومينا لإنتاج مجموعة من المنتجات. يمكن دحرجتها في شكل صفائح ورقائق وقضبان؛ أو بثقها في قضبان طويلة تستخدم في إنتاج الأسلاك؛ أو كبسها أو صبها لإنتاج قضبان طويلة تستخدم في صناعة الأسلاك. كما يمكن تشكيل سبائك الألومنيوم في أشكال مختلفة عن طريق الدرفلة على الساخن أو البارد؛ أو الصب الانزلاقي؛ أو تقنيات القولبة بالحقن أو الحقن بالتشكيل.

وتسعى عمليات التعدين والتكرير والصهر إلى تقليل أثرها البيئي باستخدام معدات موفرة للطاقة وتطوير عمليات إعادة التدوير. وبمجرد انتهاء عمليات التعدين، تُبذل الجهود لإعادة الأرض إلى حالتها الأصلية بمجرد توقف عمليات التعدين. ويمكن التحكم في تلوث الهواء من خلال أنظمة التهوية الملائمة وكذلك أجهزة التحكم في تلوث الهواء مثل أجهزة تنقية الهواء. ويمكن التخفيف من تلوث المياه من خلال إعادة تدوير الخبث وسوائل النفايات والغازات لإعادة استخدامها.