عملية تعدين البوكسيت والألومينا

الدكتور دونوهيو والسيد فريش موظفان بدوام كامل في شركة ألكوا الأسترالية.

البوكسيت هو المادة الخام الأساسية لإنتاج الألمنيوم ويمكن العثور عليه في رواسب كبيرة في جميع أنحاء العالم. يتم سحق البوكسيت وطهيه في محلول الصودا الكاوية قبل أن يتم بذرها ببذور هيدروكسيد الألمنيوم التي تسمى الجيبوتيت للحث على ترسيبها في نفايات طينية حمراء، تاركةً بقايا طينية حمراء ضارة بالبيئة والتي كان لها تداعيات خطيرة في العديد من البلدان.

عملية باير

يحتوي خام البوكسيت المستخرج لإنتاج الألومنيوم على هيدروكسيدات وأوكسي هيدروكسيدات الألومنيوم2 (الجيبسيت والبايريت والنوردسترانديت) وأكاسيد الحديد2 (الفريسيت والجويثيت) وثاني أكسيد التيتانيوم2 (الروتيل والدايسبور). تقوم عملية باير بتحويل خام البوكسيت هذا كيميائياً إلى ألومينا - وهي الخطوة الأولى نحو إنتاج معدن الألومنيوم النقي من خلال عملية التحليل الكهربائي Hall-Heroult.

تعتبر كل من خطوات الهضم والتصفية في عملية باير مهمة للغاية. تُعرف أي بقايا غير قابلة للذوبان تنتج أثناء الهضم باسم الطين الأحمر، ويجب تنظيفها لأسباب بيئية. وعلاوة على ذلك، يجب تنقية محلول الألومينات المتبقي بعد التصفية - قد يساعد استخدام محلول كاوي خالٍ من كلوريد الصوديوم أو تنقية التبادل الأيوني أو التلبيد بدرجة حرارة عالية في التحكم في مستويات الشوائب في هذين التدفقين.

تتم عملية تنقية محلول الألومينات عن طريق الترسيب بالجاذبية والشطف بالماء في مكثفات (يشار إليها أيضًا باسم مكثفات الجرف)، مما ينتج عنه محلول ألومينات الصوديوم المركز المناسب للترسيب إلى ثلاثي هيدرات الألومينا. يتم استخلاص الجسيمات الخشنة باستخدام الأعاصير الحلزونية الخام بينما يتم الاحتفاظ بالمواد الصلبة الدقيقة عن طريق الترشيح؛ ثم يتم تبريد المحلول أكثر لزيادة التشبع الفائق قبل ضخه إلى مرسبات طويلة تشبه السيلوليت؛ وينتج عن ذلك هيدرات الألومينا المترسبة التي يجب غسلها وترشيحها وتجفيفها قبل أن تتحلل إلى ألومينا نقية تجاريًا2.

في إطار عملية التحليل الكهربي Hall-Heroult، يتم فصل الألمنيوم المعدني مع كميات صغيرة من شوائب الفريت (شوائب ثانوية) من الملح المنصهر (خليط من كلوريد الصوديوم وكلوريد الكالسيوم) عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر محلول ألومينات يحتوي على الكربون من قطب كهربائي أنود، حيث يتفاعل الكربون مع الشوائب الأخرى مكوناً مركباً بلورياً أبيض اللون يسمى الألومينات الذي يتم نقله إلى أفران احتجاز كبيرة حيث تتم إزالة الشوائب مع إضافة عناصر السبائك لإنتاج ألمنيوم نقي.

يمثل الحفاظ على مستويات الشوائب في مجرى مجرى النفخ في عملية باير عند مستويات أقل من المستويات المحددة مسبقًا تحديًا كبيرًا، مع إنتاج نفايات سائلة يمكن تصريفها مباشرةً إلى المسطحات الطبيعية المستقبلة دون معالجة إضافية. ولتحقيق هذا العمل الفذ، يجب أن تتضافر عوامل مثل إدارة التغييرات في علم معادن البوكسيت، وتحسين معدلات الإنتاج، والتحكم في التفاعلات المتنافسة، وتقليل الفاقد من رواسب الطين الأحمر في تناغم لكي ينجح هذا العمل.

الصهر

يمكن تعدين البوكسيت، وهو صخر أكسيد الألومنيوم، وتكريره لإنتاج الألومنيوم. وتنتج عن عمليات التعدين والتكرير نفايات كبيرة تحتوي على عناصر سامة مثل العناصر النزرة ذات المنشأ الطبيعي (TENORM). ثم تذهب الألومينا بعد ذلك إلى مصهر الألومنيوم لتحويلها بالتحليل الكهربائي إلى معدن؛ ولتقليل النفايات الناتجة أثناء هذه العملية إلى أدنى حد ممكن، سيكون من المفيد إيجاد طرق لإعادة استخدام أكبر قدر ممكن من الألومينا.

تُستخدم الألومينا على نطاق واسع كمادة خام في المنتجات الصناعية مثل الزجاج والبورسلين والدهانات المعدنية للسيارات. وتتميز الألومينا أيضًا بالعديد من التطبيقات الأخرى نظرًا لانخفاض توصيلها للكهرباء ومقاومتها للهجوم الكيميائي وقوتها وصلابتها الشديدة (9 على مقياس صلابة موس).

كجزء من عمليات التعدين والتكرير للألومينا، من الضروري إزالة الغطاء النباتي والأشجار التي يمكن أن تعيق العمليات. ويتم تكسير البوكسيت باستخدام التفجير والحفر والتمزيق والجرافات الكبيرة جداً قبل تحميله على الشاحنات أو عربات السكك الحديدية أو سيور النقل لنقله إلى المصافي الواقعة في مكان قريب.

في بداية عملية تكرير الألومينا، يتم تفتيت الألومينا وغمرها في محلول الصودا الكاوية لتكوين محلول ألومينات الصوديوم الفائق التشبع. ثم تُنقل بعد ذلك إلى مفاعل ملاط حيث يتم تسخينها في درجات حرارة عالية من أجل إزالة الماء المركب كيميائياً من خلال عملية تعرف باسم التكليس، مما ينتج عنه هيدرات الألومينا المتصلبة التي يتم تخزينها بعد ذلك في أوعية مبطنة بالطوب قبل إدخال أنودات الكربون وتمرير تيار كهربائي من خلالها من أجل تحليل الألومينا كهربائياً إلى ألومنيوم نقي ثم نقلها مرة أخرى إلى أوعية قبل نقلها أخيراً إلى بيوت الصب حيث يتم تشكيل قضبان بأشكال مختلفة يدوياً.

بعد أن يتم تقطيع القضبان إلى سبائك، يتم استخدامها بعد ذلك في لف قضبان طويلة تسمى قضبان حديد التسليح، والتي يمكن بعد ذلك تقطيعها إلى أطوال مختلفة واستخدامها وفقًا لذلك. وأخيراً، يتم صهر هذه القضبان الطويلة لإنتاج سبائك لمزيد من المعالجة.

الصب

يُعد الألومنيوم عنصرًا أساسيًا في عالمنا المعاصر، حيث يُستخدم في كل مكان بدءًا من المباني والسيارات وحتى التعبئة والتغليف والمعدات الرياضية. لكن الألومنيوم لا يظهر بشكل طبيعي كمعدن نقي؛ بل يخضع لعملية تحويل معقدة من أصوله كخام البوكسيت ليصبح المعدن خفيف الوزن الذي نعرفه جميعاً ونستمتع به اليوم.

في البداية، يتم استخراج البوكسيت من الأرض باستخدام تقنيات تشمل الحفر والتفجير والجرّ بالجرافات الكبيرة. ثم يتم التكسير والغسيل قبل النقل إلى مصفاة الألومينا القريبة التي تستخدم عملية تكرير باير لإنتاج الألومينا.

يُستخدم محلول الصودا الكاوية الساخن لإذابة المعادن الحاملة للألومنيوم الموجودة في البوكسيت (الجيبوميت والبوهميت والدياسبور) لتكوين محلول ألومينات الصوديوم فائق التشبع المعروف باسم سائل الحامل، ثم يتم إرساله للتكلس في فرن أكسيد الألومنيوم (Al2O3) للتكلس قبل غسله وتجفيفه وتسخينه مرة أخرى لطرد أي ماء متبقي من التبلور لإنتاج ألومينا عالية النقاء والتي تشكل بعد ذلك مادة رملية بيضاء جافة تعرف باسم هيدرات الألومينا.

تُستخدم الألومينا في العديد من المنتجات بما في ذلك المواد المقاومة للحرارة والمنتجات الكيميائية والمواد الخام مثل الجبس والسيليكا؛ بل إن بعضها يعاد تدويره مرة أخرى في عملية التكرير نفسها.

يولد تكرير الألومينا طنين إلى ثلاثة أطنان من النفايات مقابل كل طن يتم إنتاجه؛ ويجب التعامل مع هذه المواد، المعروفة باسم الطين الأحمر، بعناية لتقليل الآثار البيئية.

وبمجرد تكرير الألومينا يتم صبها في سبائك لاستخدامها في تطبيقات مختلفة. وقد يتم لفها في صفائح ورقائق معدنية وقضبان؛ أو سحبها في أسلاك يتم تحويلها إلى كابلات لخطوط نقل الكهرباء؛ أو تشكيلها في أشكال معقدة أو مقاطع جانبية مبثوقة مثل إطارات النوافذ؛ بل ويمكن إعادة تدويرها مرة أخرى إلى سبائك - مما يجعل الألومنيوم معدن قابل لإعادة التدوير بلا حدود! علاوة على ذلك، توجد سبائك مختلفة توفر خصائص محددة لتلبية متطلبات العملاء المختلفة.

إعادة التدوير

يعد الألومنيوم أحد أكثر المعادن انتشاراً والمستخدمة في العديد من المنتجات بدءاً من علب الصودا إلى مكونات السيارات، ومع ذلك لا يوجد الألومنيوم بشكله النقي بشكله الطبيعي. وبدلاً من ذلك، يجب استخراجه من صخور البوكسيت التي تحتوي على أشكال مختلفة من أكاسيد الألومنيوم وتكريره إلى ألومينا قبل أن يصبح في النهاية ألومنيوم في هذه العملية المكونة من ثلاث خطوات والتي تستهلك موارد الطاقة والمياه.

كجزء من عملية التعدين، يستلزم تعدين الألومينا أولاً إزالة الطبقات الصخرية والطينية التي تغطي البوكسيت باستخدام طرق التفجير أو الحفر. وبمجرد إزالتها يمكن تحميل هذه المواد على شاحنات لنقلها إلى مصنع معالجة الألومينا للمعالجة.

وفي مصنع معالجة البوكسيت، يتم سحق الخام لتقليل حجمه قبل غمره في الصودا الكاوية الساخنة لإذابة المعادن الحاملة للألومنيوم مثل الجيبوميت والبوهميت قبل فصله عن السيليكا ليصبح محلولاً مشبعاً بألومينات الصوديوم يعرف باسم سائل الحامل.

تتم معالجة جزء من السائل الحامل لتكوين هيدروكسيد الألومنيوم، الذي يشار إليه عادةً باسم الجير المطفأ، بينما يتم إرسال ما تبقى منه مباشرةً إلى مصفاة الألومينا حيث تخضع مكوناته لتفاعلات كيميائية تحوله إلى معدن الألومنيوم.

تُعد الألومينا مادة صناعية لا غنى عنها، وتستخدم في العديد من التطبيقات المتنوعة في الصناعات بدءًا من تصنيع البلاستيك وحتى المواد الكاشطة. تلعب الألومينا أيضًا دورًا رئيسيًا في العديد من أنواع مثبطات الحريق.

على الرغم من أن تعدين الألومينا وتكريرها قد يكون قابلاً لإعادة التدوير بدرجة كبيرة، إلا أنه لا تزال هناك بعض المخاوف البيئية المرتبطة بتعدينها وتكريرها. وتشمل هذه المخاوف التلوث الضوضائي والمشاكل المتعلقة براحة العمال ومخاطر الصدمات وتناثر الصودا الكاوية على الجلد أو العينين. وعلاوة على ذلك، فقد ارتبط كل من غبار البوكسيت ومسحوق الألومينا بمضاعفات الجهاز التنفسي بما في ذلك تهيج أو التهاب الرئتين.

وقد أبلغ بعض العمال عن مخاوف صحية مثل السرطان وأمراض الكلى وتلف الكبد التي تعزى إلى التعرض لغبار البوكسيت وغبار الألومينا بالإضافة إلى ملوثات مختلفة؛ ومع ذلك، فقد حددت الدراسات التي أجريت أن أفضل الممارسات الحالية في التعدين والتكرير لا يبدو أنها تزيد من مخاطر هذه المشاكل.