Proces těžby bauxitu a oxidu hlinitého

Dr. Donoghue a pan Frisch jsou zaměstnanci společnosti Alcoa of Australia na plný úvazek.

Bauxit je primární surovinou pro výrobu hliníku a nachází se ve velkých ložiscích po celém světě. Bauxit se drtí a vaří v roztoku žíravé sody, poté se do něj nasypou semena hydroxidu hlinitého zvaného gibbsit, aby se vyvolalo jeho vysrážení na odpadní červené bahno, po němž zůstává ekologicky škodlivý červený kal, který má v mnoha zemích vážné následky.

Proces Bayer

Bauxitová ruda těžená pro výrobu hliníku obsahuje hydroxidy a oxyhydroxidy hliníku2 (gibbsit, bayerit a nordstrandit), oxidy železa2 (ferrisit a goethit) a oxid titaničitý2 (rutil a diaspor). Bayerův proces chemicky přeměňuje tuto bauxitovou rudu na oxid hlinitý - první krok k výrobě čistého kovového hliníku pomocí Hall-Heroultova elektrolytického procesu.

Fermentace a čiření jsou v procesu Bayer životně důležité. Nerozpustný zbytek, který vzniká při vyhnívání, se nazývá červené bahno a musí se z ekologických důvodů vyčistit. Kromě toho musí být hlinitý roztok, který zůstane po čiření, vyčištěn - použití žíravého roztoku bez NaCl, čištění iontovou výměnou nebo vysokoteplotní slinování může pomoci kontrolovat úroveň nečistot v těchto dvou proudech.

Čištění roztoku hlinitanu se provádí gravitačním usazováním a proplachováním vodou v zahušťovačích (označovaných také jako hrabací zahušťovače), čímž vzniká koncentrovaný roztok hlinitanu sodného vhodný pro srážení na trihydrát oxidu hlinitého. Hrubé částice se extrahují pomocí hrubých cyklonů, zatímco jemnější pevné částice se zachycují filtrací; roztok se pak dále chladí, aby se zvýšilo přesycení, a poté se přečerpává do vysokých srážedel podobných silofiltrům; tím vzniká vysrážený hydrát oxidu hlinitého, který se pak musí před rozkladem na komerčně čistý oxid hlinitý propláchnout, filtrovat a vysušit2 .

Při Hallově-Heroultově elektrolytickém procesu se kovový hliník s malým množstvím feritových příměsí (drobných nečistot) odděluje od roztavené soli (směsi chloridu sodného a chloridu vápenatého) průchodem elektrického proudu roztokem hlinitanu obsahujícího uhlík z anodové elektrody, kde uhlík reaguje s dalšími nečistotami za vzniku bíle krystalické sloučeniny zvané hlinitan, která se přenáší do velkých udržovacích pecí, kde se odstraňují nečistoty a přidávají se legující prvky, aby se získal čistý hliník.

Udržení úrovně nečistot v procesu Bayer blow down stream pod předem stanovenými úrovněmi je významným úkolem, přičemž se zároveň produkuje odpadní voda, kterou lze vypouštět přímo do přírodních recipientů bez dalšího čištění. Aby se tento úkol podařil, musí se harmonicky spojit faktory, jako je řízení změn mineralogie bauxitu, optimalizace výrobních rychlostí, řízení konkurenčních reakcí, minimalizace ztrát z usazenin červeného bahna, aby se to podařilo.

Tavení

Bauxit, horninu z oxidu hlinitého, lze těžit a rafinovat na hliník. Při těžbě a rafinaci vzniká značné množství odpadního materiálu obsahujícího toxické prvky, jako je TENORM (Trace Elements of Natural Origin). Hliník pak putuje do hliníkárny, kde se elektrolýzou přemění na kov; aby se minimalizoval odpad vznikající při tomto procesu, bylo by prospěšné, kdyby se našly metody, jak co nejvíce oxidu hlinitého znovu využít.

Hliník je široce využíván jako surovina v průmyslových výrobcích, jako je sklo, porcelán a kovové barvy pro automobily. Hliník se může pochlubit i mnoha dalšími aplikacemi díky své nízké elektrické vodivosti, odolnosti vůči chemickým vlivům, extrémní pevnosti a tvrdosti (9 na Mohsově stupnici tvrdosti).

V rámci těžby a rafinace oxidu hlinitého je nutné vyčistit půdu od vegetace a stromů, které by mohly bránit provozu. Bauxit se rozbíjí pomocí trhacích prací, vrtání, trhání a velmi velkých buldozerů, než se naloží na nákladní automobily, železniční vagony nebo dopravníkové pásy a přepraví do rafinerií umístěných v blízkosti.

Na začátku procesu rafinace oxidu hlinitého se oxid hlinitý rozbije a ponoří do roztoku žíravé sody, čímž vznikne přesycený roztok hlinitanu sodného. Poté se přenese do kalového reaktoru, kde se zahřívá při vysokých teplotách, aby se odstranila chemicky sloučená voda procesem známým jako kalcinace, čímž vzniká ztuhlý hydrát oxidu hlinitého, který se pak skladuje v cihlami obložených nádobách, než se do nich zavedou uhlíkové anody a projde jimi elektrický proud, aby se oxid hlinitý elektrolyzoval na čistý hliník, který se pak přenese zpět do nádob a nakonec se přenese zpět do odléváren, kde se ručním odléváním formují sochory různých tvarů.

Po rozřezání polotovarů na ingoty se z nich válcují dlouhé tyče zvané armovací pruty, které se pak mohou řezat na různé délky a podle toho používat. Nakonec se tyto dlouhé tyče roztaví a vyrobí se z nich ingoty pro další zpracování.

Casting

Hliník je ústředním prvkem dnešního moderního světa, který se používá všude, od budov a automobilů až po obaly a sportovní vybavení. Hliník se však nevyskytuje přirozeně jako čistý kov, ale prochází složitým procesem přeměny ze svého původu jako bauxitová ruda na lehký kov, který dnes všichni známe a užíváme.

Bauxit se nejprve těží ze země pomocí vrtů, trhacích prací a trhacích prací s velkými buldozery. Poté se drtí a pere a následně se převáží do nedaleké rafinerie oxidu hlinitého, která k výrobě oxidu hlinitého používá Bayerův rafinační proces.

Horký roztok žíravé sody se používá k rozpouštění minerálů obsahujících hliník, které se nacházejí v bauxitu (gibsitu, bohmitu a diasporu), za vzniku přesyceného roztoku hlinitanu sodného, známého jako pregnantní louh, který se pak posílá ke kalcinaci v peci na oxid hlinitý (Al2O3), kde se kalcinuje, a poté se promyje, vysuší a znovu zahřeje, aby se odvedla veškerá zbývající krystalizační voda a vznikl vysoce čistý oxid hlinitý, který pak tvoří suchý bílý písčitý materiál známý jako hydrát oxidu hlinitého.

Hliník se používá v různých výrobcích, včetně žáruvzdorných materiálů, chemických výrobků a surovin, jako je sádra a oxid křemičitý; část se dokonce recykluje zpět do samotného procesu rafinace.

Při rafinaci oxidu hlinitého vznikají dvě až tři tuny odpadu na každou vyrobenou tunu; s těmito materiály, známými jako červené bahno, je třeba zacházet opatrně, aby se minimalizovaly dopady na životní prostředí.

Po rafinaci se oxid hlinitý odlévá do ingotů, které se používají v různých aplikacích. Mohou být válcovány do plechů, fólií a tyčí, taženy do drátů, které jsou splétány do kabelů pro elektrické přenosové vedení, tvarovány do složitých tvarů nebo lisovány do profilů, jako jsou okenní rámy, a dokonce mohou být znovu recyklovány do ingotů - hliník je tedy nekonečně recyklovatelný kov! Kromě toho existují různé slitiny, které nabízejí specifické vlastnosti pro splnění různých požadavků zákazníků.

Recyklace

Hliník je jedním z nejrozšířenějších kovů, který se používá v mnoha výrobcích od plechovek na sodovku až po součásti automobilů, ale v přírodě se nevyskytuje v čisté formě. Místo toho se musí získávat z bauxitových hornin obsahujících různé formy oxidů hliníku a rafinovat na oxid hlinitý, než se z něj nakonec stane hliník v tomto třístupňovém procesu, který vyžaduje zdroje energie i vody.

Těžba oxidu hlinitého vyžaduje v rámci těžebního procesu nejprve odstranění nadloží - vrstev horniny a jílu pokrývajících bauxit - pomocí trhacích nebo vrtacích metod. Po uvolnění může být tento materiál naložen na nákladní automobily a převezen do závodu na zpracování oxidu hlinitého.

V závodě na zpracování bauxitu se ruda drtí, aby se zmenšila její velikost, a poté se ponoří do horké žíravé sody, kde se rozpustí minerály obsahující hliník, jako je gibbsit a bohmit, a poté se oddělí od oxidu křemičitého a vznikne roztok přesycený hlinitanem sodným, známý jako těhotný louh.

Část kalu se zpracovává na hydroxid hlinitý, běžněji označovaný jako hašené vápno, zatímco zbytek se posílá přímo do rafinerie oxidu hlinitého, kde jeho složky podléhají chemickým reakcím, při nichž se z něj stane kovový hliník.

Hliník je nepostradatelný průmyslový materiál, který se používá pro mnoho různých aplikací v průmyslových odvětvích od výroby plastů až po brusiva. Hliník hraje také klíčovou roli v mnoha typech zpomalovačů hoření.

Přestože je těžba a rafinace oxidu hlinitého vysoce recyklovatelná, zůstávají s jeho těžbou a rafinaci spojeny určité environmentální problémy. Patří mezi ně hluk, ergonomické problémy, riziko úrazu a potřísnění kůže nebo očí žíravou sodou. Bauxitový prach i prášek oxidu hlinitého jsou navíc spojovány s respiračními komplikacemi včetně podráždění nebo zánětu plic.

Někteří pracovníci hlásili zdravotní problémy, jako je rakovina, onemocnění ledvin a poškození jater, které jsou přisuzovány expozici bauxitovému prachu a prachu z oxidu hlinitého a různým kontaminujícím látkám; provedené studie však ukázaly, že současné osvědčené postupy při těžbě a rafinaci zřejmě nezvyšují riziko těchto problémů.