Процесът на добив на боксит и алуминий

Д-р Донохю и г-н Фриш са служители на пълен работен ден в Alcoa в Австралия.

Бокситът е основната суровина за производство на алуминий и се намира в големи находища по целия свят. Бокситът се раздробява и се вари в разтвор на сода каустик, след което се посява със семена от алуминиев хидроксид, наречен гибсит, за да се предизвика утаяването му в червена кал, оставяща вредни за околната среда остатъци от червена кал, които имат сериозни последици в много страни.

Процес на Байер

Бокситната руда, добивана за производството на алуминий, съдържа хидроксиди и оксихидроксиди на алуминия2 (гибсит, байерит и нордстрандит), оксиди на желязото2 (феризит и гьотит) и титанов диоксид2 (рутил и диаспор). Процесът на Байер превръща химически тази бокситна руда в алуминий - първата стъпка към производството на чист алуминиев метал чрез електролитен процес на Хол-Херулт.

Стъпките на разграждане и избистряне в процеса на Байер са изключително важни. Неразтворимият остатък, получен по време на разграждането, се нарича червена кал и трябва да бъде почистен от екологични съображения. Освен това алуминатният разтвор, останал след избистрянето, трябва да бъде пречистен - използването на каустичен разтвор без NaCl, пречистване чрез йонен обмен или високотемпературно синтероване могат да помогнат за контролиране на нивата на примеси в тези два потока.

Избистрянето на разтвора на алуминат се извършва чрез гравитационно утаяване и изплакване с вода в сгъстители (наричани също сгъстители с грапавини), като се получава концентриран разтвор на натриев алуминат, подходящ за утаяване в алуминиев трихидрат. Грубите частици се извличат с помощта на сурови циклони, докато по-фините твърди частици се задържат чрез филтриране; след това разтворът се охлажда допълнително, за да се увеличи пренасищането, преди да се изпомпва към високи силоподобни утаители; по този начин се получава утаен алуминиев хидрат, който след това трябва да се промие, филтрира и изсуши, преди да се разгради до търговски чист алуминий2.

При електролитния процес на Хол-Херулт метален алуминий с малки количества феритни примеси (второстепенни примеси) се отделя от разтопена сол (смес от натриев хлорид и калциев хлорид) чрез протичане на електрически ток през разтвор на алуминат, съдържащ въглерод от аноден електрод, където въглеродът реагира с други примеси, образувайки бяло кристално съединение, наречено алуминат, което се прехвърля в големи пещи за съхранение, където примесите се отстраняват, а легиращите елементи се добавят, за да се получи чист алуминий.

Поддържането на нивата на примеси в потока на процеса на Bayer под предварително определените нива е сериозно предизвикателство, като същевременно се произвеждат отпадъчни води, които могат да се изхвърлят директно в естествените водоприемници без допълнително третиране. За да се постигне този успех, фактори като управление на промените в минералогията на боксита, оптимизиране на производствените скорости, контрол на конкурентните реакции, минимизиране на загубите от отлаганията на червена кал трябва да се съчетаят в хармония.

Топене

Бокситът, скала от алуминиев оксид, може да се добива и рафинира за производство на алуминий. Процесите на добив и рафиниране водят до образуването на значителни отпадъци, съдържащи токсични елементи като TENORM (Trace Elements of Natural Origin). След това алуминият отива в алуминиева пещ за електролизно превръщане в метал; за да се сведат до минимум отпадъците, генерирани по време на този процес, би било полезно да се намерят методи за повторно използване на възможно най-голямо количество алуминий.

Алуминият се използва широко като суровина в промишлени продукти като стъкло, порцелан и метални бои за автомобили. Алуминият може да се похвали и с много други приложения благодарение на ниската си електропроводимост, устойчивостта на химически атаки, изключителната си здравина и твърдост (9 по скалата на Моос).

Като част от процесите на добив и рафиниране на алуминий е необходимо земята да бъде почистена от растителност и дървета, които биха могли да попречат на работата. Бокситът се раздробява с помощта на взривяване, пробиване, разкъсване и много големи булдозери, преди да бъде натоварен на камиони, железопътни вагони или конвейерни ленти за транспортиране до рафинерии, разположени наблизо.

В началото на процеса на рафиниране на алуминий алуминият се раздробява и потапя в разтвор на сода каустик, за да се образува пренаситен разтвор на натриев алуминат. След това той се прехвърля в реактор за суспензия, където се нагрява при високи температури, за да се отстрани химически комбинираната вода чрез процес, известен като калциниране, като се получава втвърден алуминиев хидрат, който след това се съхранява в облицовани с тухли съдове, преди да се въведат въглеродни аноди и през тях да премине електрически ток, за да се електролизира алуминият в чист алуминий, който след това се прехвърля обратно в съдове, преди да се прехвърли обратно в леярни, където се оформят заготовки с различни форми чрез ръчно влагане.

След като заготовките бъдат нарязани на слитъци, те се използват за навиване на дълги пръти, наречени арматурни заготовки, които след това могат да бъдат нарязани на различни дължини и съответно използвани. Накрая тези дълги пръти се разтопяват, за да се получат слитъци за по-нататъшна обработка.

Кастинг

Алуминият е основен елемент в съвременния свят, използван навсякъде - от сгради и автомобили до опаковки и спортно оборудване. Но алуминият не се среща в природата като чист метал, а преминава през сложен процес на преобразуване от произхода си като бокситна руда, за да се превърне в лекия метал, който всички познаваме и ползваме днес.

Първо, бокситът се добива от земята с помощта на техники, включващи сондиране, взривяване и разриване с големи булдозери. След това се извършва трошене и промиване, преди да се транспортира до близката рафинерия за алуминий, която използва процеса на рафиниране на Байер за производство на алуминий.

Горещ разтвор на сода каустик се използва за разтваряне на алуминиевите минерали, които се съдържат в боксита (гибсит, бохмит и диаспор), за да се образува пренаситен разтвор на натриев алуминат, известен като бременна течност, след което се изпраща за калциниране в пещ за алуминиев оксид (Al2O3), преди да се измие, изсуши и нагрее отново, за да се отстрани останалата кристализационна вода, за да се получи високочист алуминий, който след това образува сух бял пясъчен материал, известен като алуминиев хидрат.

Алуминият се използва в различни продукти, включително огнеупорни материали, химически продукти и суровини като гипс и силициев диоксид; някои от тях дори се рециклират обратно в самия процес на рафиниране.

При рафинирането на алуминий се генерират два до три тона отпадъци за всеки произведен тон; тези материали, известни като червена кал, трябва да се обработват внимателно, за да се сведе до минимум въздействието върху околната среда.

След като бъде рафиниран, алуминият се отлива в слитъци, които се използват в различни приложения. Те могат да се валцуват на листове, фолио и пръти; да се изтеглят на тел, която се нанизва на кабели за електропреносни линии; да се формоват в сложни форми или да се екструдират профили, като например рамки за прозорци; те дори могат да се рециклират отново в слитъци - което прави алуминия безкрайно рециклируем метал! Освен това съществуват различни сплави, които предлагат специфични свойства, за да отговорят на различните изисквания на клиентите.

Рециклиране

Алуминият е един от най-разпространените метали, използван в многобройни продукти - от кутии за сода до автомобилни компоненти, но не се среща в природата в чист вид. Вместо това той трябва да бъде извлечен от бокситни скали, съдържащи различни форми на алуминиеви оксиди, и да бъде рафиниран до алуминиев оксид, преди да се превърне в алуминий в този тристепенен процес, който изисква както енергийни, така и водни ресурси.

Като част от процеса на добив, добивът на алуминий изисква първо да се премахне горното натоварване - слоеве от скали и глина, покриващи боксита - като се използват взривни или сондажни методи. След като бъде освободен, този материал може да бъде натоварен на камиони за транспортиране до завод за преработка на алуминий за преработка.

В завода за преработка на боксит рудата се раздробява, за да се намали размерът ѝ, след което се потапя в гореща сода каустик, за да се разтворят алуминиевите минерали, като гибсит и бохмит, преди да се отделят от силициевия диоксид и да се превърнат в пренаситен разтвор на натриев алуминат, известен като бременна течност.

Част от бременната течност се преработва, за да се създаде алуминиев хидроксид, по-често наричан гасена вар, а останалата част се изпраща директно в рафинерия за алуминий, където компонентите ѝ се подлагат на химични реакции, които я превръщат в алуминиев метал.

Алуминият е незаменим промишлен материал, който се използва за много разнообразни приложения в различни отрасли - от производството на пластмаси до абразивите. Алуминият играе ключова роля и в много видове забавители на горенето.

Макар че добивът и рафинирането на алуминий може да се рециклира в голяма степен, някои екологични проблеми остават свързани с добива и рафинирането му. Те включват шумово замърсяване, ергономични проблеми, рискове от травми и попадане на сода каустик върху кожата или очите. Освен това както бокситният прах, така и алуминиевият прах се свързват с респираторни усложнения, включително дразнене или възпаление на белите дробове.

Някои работници съобщават за здравословни проблеми, като рак, бъбречни заболявания и увреждане на черния дроб, свързани с експозицията на бокситов и алуминиев прах, както и на различни замърсители; въпреки това проведените проучвания показват, че настоящите най-добри практики в минното дело и рафинирането не увеличават риска от тези проблеми.