Složitost těžby hliníku

Těžba hliníku z bauxitu je jedním z nejsložitějších průmyslových procesů na světě, který zahrnuje obrovské množství vědeckých a technických úkolů, jež zajišťují nepřetržité dodávky tohoto nezbytného kovu.

Kyselý proces využívá kyseliny sírové, chlorovodíkové nebo dusičné jako rozpouštědla k vyluhování nečistot, jako jsou oxidy železa a titanu, z bauxitu. Vzorky XRD ukázaly, že se zvyšující se koncentrací alkálií se zvyšoval i poměr extrakce oxidu hlinitého.

Trávení

Hliník je jedním z nejrozšířenějších kovů na Zemi, ale jeho čistá forma se v přírodě nevyskytuje. Jeho získávání vyžaduje mnoho fází zahrnujících rozklad, čiření, srážení a kalcinaci, aby se dosáhlo konečného stavu výrobku - to činí z hliníku jeden z energeticky nejnáročnějších průmyslových výrobků na světě.

Digesce je klíčovým krokem Bayerova procesu získávání hliníku z bauxitové rudy. Její výkonnost ovlivňuje mnoho faktorů, včetně teploty suspenze, koncentrace kaustické sody a poměru kaustických látek; pro optimalizaci rychlosti digesce by bylo možné snížit teplotu, zvýšit poměr kaustických látek nebo použít vyšší koncentrace kaustických látek, ale tato opatření by se pravděpodobně ukázala jako nákladnější a pro rafinerie nepohodlnější, než je nutné.

V rámci procesu rozkladu se většina železa v bauxitu přemění na nezávislou fázi ilmenitu, zatímco nemagnetický materiál zůstává ve formě diaoyudaoitu a hlinitokřemičitanu sodného. Oddělení nemagnetických materiálů zlepšuje rozklad oxidu hlinitého, avšak vzhledem k uzavřeným minerálům přítomným v jeho struktuře se diaoyudaoit nemusí snadno rozkládat při nižších teplotách rozkladu.

Průměrné energetické náklady spojené s výrobou oxidu hlinitého se v jednotlivých zemích značně liší, a to v důsledku faktorů, jako je typ použité technologie, použitý bauxit a procesy rozkladu, které se od sebe značně liší. Existují však určité společné faktory, které přispívají ke zvýšené spotřebě energie, jako např:

Nejvíce energie se při výrobě oxidu hlinitého spotřebuje na proces digesce, který vyžaduje elektřinu a vodu na ohřev a míchání kalu a na vymývání hlinitých nečistot. Pro optimální průběh fermentace a snížení energetických ztrát musí vědci prozkoumat současné podmínky jejího využití. Toho mohou vědci dosáhnout shromážděním údajů a informací z dokumentačního střediska a rozhovory s odborníky z výrobní linky, poté porovnáním současného stavu procesu vyhnívání s jeho původním návrhem, aby bylo možné určit hlavní odchylky.

Objasnění

Získávání hliníku může být složitý a energeticky náročný proces, který je však nezbytný pro mnoho komerčních a průmyslových aplikací. Pochopení tohoto složitého postupu pro zajištění jeho úspěchu je proto nesmírně důležité - diagramy mohou pomoci osvětlit chemické reakce probíhající během výroby, které tvoří tento komplexní postup, a jejich význam pro jeho realizaci.

Jedním z klíčových kroků je rafinace bauxitu na oxid hlinitý a nakonec na kovový hliník, a to buď elektrolýzou, nebo Bayerovým procesem. Oba postupy zajišťují spolehlivé dodávky kovového hliníku prostřednictvím těchto procesů. Oba jsou závislé na elektrolýze jako výrobním zdroji.

Bauxitová ruda je hojným zdrojem hliníku a vyžaduje značné zpracování, aby se přeměnila na roztok bohatý na oxid hlinitý, který je připraven pro další fázi. Digesce zahrnuje drcení bauxitové rudy před jejím smícháním s horkými koncentrovanými roztoky hydroxidu sodného za účelem rozpuštění obsahu oxidu hlinitého, což vede k získání čirého roztoku. Poté následuje čiření, při němž se oddělí nečistoty (souhrnně označované jako červené bahno) a teprve poté může dojít ke srážení a kalcinaci vyčištěné kapaliny.

K přeměně oxidu hlinitého na čistý hliník je zapotřebí tavení elektrolýzou. Směs oxidu hlinitého a hydroxidu sodného se poté umístí do kryolitového roztoku (fluorid hlinito-hlinitý), přičemž na udržení tohoto stavu je třeba vynaložit mimořádné množství energie; k výrobě jedné tuny oxidu hlinitého je zapotřebí 14 000-16 000 kilowatthodin.

Teplo vznikající při tomto procesu pohání elektrochemickou reakci. Při průchodu elektrického proudu systémem vzniká na anodě kyslík, který se spojuje s uhlíkem za vzniku plynného oxidu uhličitého; zbývající roztavený hliník se shromažďuje na katodě, která je vyložena grafitem nebo uhlíkem; pravidelně se odčerpává a dopravuje do udržovacích pecí; po další rafinaci a přidání legujících prvků podle potřeby se odlévá do ingotů pro budoucí použití.

Srážky

Jedním z klíčových kroků při získávání oxidu hlinitého je srážení. Srážecí reakce probíhají v různých formách; pro účely extrakce krystalů hydroxidu hlinitého z odpadních toků. Karl Bayer použil při své původní vývojové práci jemnozrnné krystaly jako osivo; tento přístup zvyšuje výtěžnost, ale může vést k vyšší koncentraci uhličitanů a zvyšuje produkci nečistot, jako je oxid křemičitý, který snižuje míru výtěžnosti hliníku.

K řešení těchto problémů se v současné době v rámci několika výzkumných projektů posuzuje účinnost různých iontoměničových pryskyřic při zvyšování účinnosti srážení. Pryskyřice pro výměnu iontů jsou vysokomolekulární polymerní materiály obsahující v každé molekule četné iontové funkční skupiny, které obvykle zahrnují buď skupiny kyseliny sulfonové, nebo skupiny kyseliny karboxylové pro výměnu. Oba typy pryskyřic lze využít k extrakci sody z žíravých roztoků, což vede ke snížení celkového množství žíraviny (TC) i celkového množství alkálií (TA). Kromě toho mohou kationtové výměnné pryskyřice neutralizovat sodné ionty přítomné v použitém bayerovém louhu, což vede ke zvýšení přesycení vzhledem k rozpustnosti oxidu hlinitého.

Při různých podmínkách saturace bylo zjištěno, že přítomnost kyslíku má příznivý vliv na rychlost srážení. Přesněji řečeno, teplota, při níž se srážení iniciovalo, se výrazně zvýšila, zatímco XRD analýza sraženiny ukázala, že obsahuje dawsonit, jak bylo předpovězeno termodynamickými výpočty.

Srážení oxidu hlinitého je jednou z nejkritičtějších a nejobtížnějších fází výroby hliníku z bauxitu. Ke srážení musí dojít, aby se vyrobil hydroxid hlinitý pro spotřebu v kalcinačních pecích hliníkáren; proto musí filtrační a separační zařízení používaná ve zpracovatelských závodech pracovat za mimořádně přísných podmínek.

Filtrační a odlučovací zařízení v závodech na výrobu oxidu hlinitého musí být robustní, odolná, spolehlivá a s dlouhou životností, aby mohla správně fungovat v náročných podmínkách, včetně vysokých teplot a tlaků, a zároveň odstraňovat vysoce abrazivní zbytky bauxitu, které mohou poškodit další zařízení, jako jsou čerpadla, míchačky a míchadla. V těchto zařízeních se proto nacházejí některá z nejlepších filtračních a odlučovacích zařízení na světě.

Kalcinace

Kalcinace je posledním syntetickým krokem procesu a má mnohostranný vliv na morfologii, fázové složení a chemické složení oxidu hlinitého. Největší vliv má obvykle teplota a doba trvání reakce; teplota by měla být nastavena v závislosti na požadovaných morfologických cílech/složení a také na výrobních nebo jiných způsobech použití tohoto materiálu oxidu hlinitého; doba potřebná k dosažení tohoto výsledku určuje její délku.

Nejpoužívanější metoda kalcinace zahrnuje loužení kaolinových jílů kyselinou chlorovodíkovou před vysrážením krystalů hexahydrátu chloridu hlinitého kyselinou chlorovodíkovou a následným kalcinováním při vysoké teplotě na vzduchu za vzniku oxidu hlinitého. Tento přístup má mnoho výhod oproti procesům, které využívají kyselinu sírovou nebo dusičnou, protože je snazší regenerovat kyselinu chlorovodíkovou než její alternativy.

Předchozí kalcinační procesy spotřebovávaly značné množství energie na zvýšení krystalů hexahydrátu nad 500-1 100 °C pro výrobu oxidu hlinitého, ale velká část této energie se spotřebovávala během nízkoteplotních fází na extrakci kombinované vody a zvyšování přechodných krystalických forem krystalické formy hexahydrátu. Kromě toho se v každé fázi spotřebovala pouze část celkové dostupné energie.

Byl vyvinut inovativní kalcinační proces, který výrazně snižuje spotřebu energie ve vysokoteplotních i chladicích fázích kalcinace, čímž výrazně snižuje celkové energetické nároky na výrobu oxidu hlinitého. Základem je systém tepelné výměny, který využívá postupný ohřev hexahydrátu přes několik stupňů tepelné výměny na postupně vyšší teploty blížící se kalcinační teplotě před jeho dodáním do kalcinátoru ke konečné přeměně na oxid hlinitý. Hexahydrát se dále chladí v různých stupních tepelné výměny, přičemž citelné teplo se z chladicích stupňů předává do ohřívacích stupňů při teplotách jen o málo vyšších, než při kterých se v daném stupni spotřebovává.