Bauxit-aluminiumoxid-udvindingsprocessen

Dr. Donoghue og Frisch er fuldtidsansatte hos Alcoa i Australien.

Bauxit er det primære råmateriale til fremstilling af aluminium og findes i store forekomster over hele verden. Bauxit knuses og koges i kaustisk sodaopløsning, før det tilsættes frø af aluminiumhydroxid kaldet gibbsit for at få det til at udfælde til rødt mudderaffald, hvilket efterlader en miljøskadelig rød slimrest, som har haft alvorlige konsekvenser i mange lande.

Bayer-processen

Bauxitmalm, der udvindes til produktion af aluminium, indeholder hydroxider og oxyhydroxider af aluminium2 (gibbsit, bayerit og nordstrandit), oxider af jern2 (ferrisit og goethit) og titandioxid2 (rutil og diaspore). Bayer-processen omdanner kemisk denne bauxitmalm til aluminiumoxid - det første skridt mod produktion af rent aluminiummetal gennem Hall-Heroults elektrolytiske proces.

Fordøjelses- og klaringstrinnene i Bayer-processen er begge meget vigtige. Alle uopløselige rester, der produceres under oplukningen, kaldes rødt mudder og skal renses af miljømæssige årsager. Desuden skal en aluminatopløsning, der er tilbage efter klaring, renses - brug af NaCl-fri kaustisk opløsning, ionbytterrensning eller sintring ved høj temperatur kan alle hjælpe med at kontrollere urenhedsniveauerne i disse to strømme.

Klaring af en aluminatopløsning sker ved hjælp af tyngdekraftsafsætning og skylning med vand i fortykkere (også kaldet rivefortykkere), hvilket skaber en koncentreret natriumaluminatopløsning, der er egnet til udfældning til aluminiumoxidtrihydrat. Grove partikler ekstraheres ved hjælp af råcykloner, mens finere faste stoffer tilbageholdes ved filtrering; derefter køles opløsningen yderligere for at øge overmætningen, før den pumpes til høje silolignende udfældningsanlæg; dette producerer udfældet aluminiumoxidhydrat, som derefter skal vaskes, filtreres og tørres, før det nedbrydes til kommercielt rent aluminiumoxid2.

Under den elektrolytiske Hall-Heroult-proces adskilles metallisk aluminium med små mængder ferrit-urenheder (mindre urenheder) fra smeltet salt (en blanding af natriumklorid og calciumklorid) ved at føre en elektrisk strøm gennem en aluminatopløsning, der indeholder kulstof fra en anode-elektrode, hvor kulstof reagerer med andre urenheder og danner en hvidkrystallinsk forbindelse kaldet aluminat, som overføres til store opbevaringsovne, hvor urenheder fjernes, mens legeringselementer tilsættes for at producere rent aluminium.

Det er en stor udfordring at holde urenhedsniveauet i Bayer-processens udblæsningsstrøm under de forudbestemte niveauer og samtidig producere spildevand, der kan udledes direkte til naturlige recipienter uden yderligere behandling. For at opnå denne bedrift skal faktorer som styring af ændringer i bauxitmineralogien, optimering af produktionshastigheder, kontrol af konkurrerende reaktioner og minimering af tab fra aflejringer af rødt mudder alle gå op i en højere enhed, hvis det skal lykkes.

Smeltning

Bauxit, en aluminiumoxid-bjergart, kan udvindes og raffineres til aluminium. Mine- og raffineringsprocesserne producerer en del affald, der indeholder giftige elementer som TENORM (Trace Elements of Natural Origin). Aluminiumoxid sendes derefter til en aluminiumssmelter, hvor det omdannes til metal ved elektrolyse; for at minimere det affald, der genereres under denne proces, ville det være en fordel, hvis man kunne finde metoder til at genbruge så meget aluminiumoxid som muligt.

Aluminiumoxid bruges i vid udstrækning som råmateriale i industriprodukter som glas, porcelæn og metallak til biler. Aluminiumoxid har også mange andre anvendelsesmuligheder på grund af sin lave elektriske ledningsevne, modstandsdygtighed over for kemiske angreb, ekstreme styrke og hårdhed (9 på Mohs' hårdhedsskala).

Som en del af udvindingen og raffineringen af aluminiumoxid er det nødvendigt at rydde jorden for vegetation og træer, der kan hindre arbejdet. Bauxit brydes fra hinanden ved hjælp af sprængning, boring, oprivning og meget store bulldozere, før det læsses på lastbiler, jernbanevogne eller transportbånd for at blive transporteret til raffinaderier i nærheden.

I starten af aluminaraffineringsprocessen brydes aluminiumoxid op og nedsænkes i en kaustisk sodaopløsning for at danne en overmættet natriumaluminatopløsning. Det overføres derefter til en opslæmningsreaktor, hvor det opvarmes ved høje temperaturer for at fjerne kemisk bundet vand gennem en proces kendt som kalcinering, hvilket producerer størknet aluminiumoxidhydrat, som derefter opbevares i murstensforede gryder, før kulstofanoder indføres, og en elektrisk strøm ledes gennem dem for at elektrolysere aluminiumoxid til rent aluminium, som derefter overføres tilbage til gryder, før det til sidst overføres tilbage til støbehuse, hvor billets med forskellige former formes ved indlevering.

Når emnerne er blevet skåret til barrer, bruges de til at rulle lange stænger, der kaldes armeringsjern, som derefter kan skæres i forskellige længder og bruges i overensstemmelse hermed. Til sidst smeltes disse lange stænger for at producere barrer til videre forarbejdning.

Støbning

Aluminium er et centralt element i nutidens moderne verden og bruges overalt fra bygninger og biler til emballage og sportsudstyr. Men aluminium forekommer ikke naturligt som rent metal; det gennemgår snarere en indviklet omdannelsesproces fra sin oprindelse som bauxitmalm til det letvægtsmetal, vi alle kender og nyder godt af i dag.

Først udvindes bauxit fra jorden ved hjælp af teknikker som boring, sprængning og oprivning med store bulldozere. Derefter knuses og vaskes det, før det transporteres til et aluminaraffinaderi i nærheden, som bruger Bayers raffineringsproces til at producere alumina.

Varm kaustisk sodaopløsning bruges til at opløse de aluminiumholdige mineraler, der findes i bauxit (gibbsit, bohmit og diaspore), så der dannes en overmættet natriumaluminatopløsning, der kaldes gravid liquor, og som derefter sendes til kalcinering i en aluminiumoxid (Al2O3)-ovn, før den vaskes, tørres og opvarmes igen for at fjerne det resterende krystalliseringsvand, så der produceres aluminiumoxid med høj renhed, som derefter danner et tørt, hvidt sandmateriale, der kaldes aluminiumoxidhydrat.

Aluminiumoxid bruges i forskellige produkter, herunder ildfaste materialer, kemiske produkter og råmaterialer som gips og silica; noget bliver endda genbrugt i selve raffineringsprocessen.

Raffinering af aluminiumoxid genererer to til tre tons affald for hvert ton, der produceres; disse materialer, kendt som rødt mudder, skal håndteres omhyggeligt for at minimere miljøpåvirkningerne.

Når aluminiumoxid er raffineret, støbes det i barrer til forskellige anvendelser. De kan valses til plader, folie og stænger; trækkes til tråd, som trækkes til kabler til elektriske transmissionsledninger; støbes til komplekse former eller ekstruderede profiler som f.eks. vinduesrammer; de kan endda genbruges til barrer igen - hvilket gør aluminium til et uendeligt genanvendeligt metal! Desuden findes der forskellige legeringer med specifikke egenskaber, der opfylder forskellige kundekrav.

Genbrug

Aluminium er et af de mest udbredte metaller, der bruges i mange produkter lige fra sodavandsdåser til bilkomponenter, men det forekommer ikke naturligt i sin rene form. I stedet skal det udvindes fra bauxitbjergarter, der indeholder forskellige former for aluminiumoxider, og raffineres til aluminiumoxid, før det til sidst bliver til aluminium i denne tretrinsproces, der kræver både energi- og vandressourcer.

Som en del af minedriftsprocessen er det nødvendigt først at fjerne overjord - lag af sten og ler, der dækker bauxit - ved hjælp af sprængnings- eller boremetoder. Når materialet er løsnet, kan det læsses på lastbiler og transporteres til et aluminaforarbejdningsanlæg, hvor det forarbejdes.

På et bauxitforarbejdningsanlæg knuses malmen for at reducere dens størrelse, før den nedsænkes i varm kaustisk soda for at opløse aluminiumsbærende mineraler som gibbsit og bohmit, før den adskilles fra silica og bliver til en overmættet opløsning af natriumaluminat, kendt som gravid liquor.

Noget af den gravide væske forarbejdes til aluminiumhydroxid, mere almindeligt kendt som læsket kalk, mens resten sendes direkte til et aluminiumoxidraffinaderi, hvor dets komponenter gennemgår kemiske reaktioner, der omdanner det til aluminiummetal.

Aluminiumoxid er et uundværligt industrielt materiale, der bruges til mange forskellige formål i industrier fra plastproduktion til slibemidler. Aluminiumoxid spiller også en vigtig rolle i mange typer brandhæmmere.

Selv om udvinding og raffinering af aluminiumoxid er meget genanvendeligt, er der stadig nogle miljøproblemer forbundet med udvinding og raffinering. De omfatter støjforurening, ergonomiske problemer, risiko for traumer og stænk af kaustisk soda på huden eller i øjnene. Desuden er både bauxitstøv og aluminiumoxidpulver blevet forbundet med luftvejskomplikationer, herunder irritation eller betændelse i lungerne.

Nogle arbejdere har rapporteret om helbredsproblemer som kræft, nyresygdomme og leverskader, der tilskrives udsættelse for bauxitstøv og aluminiumoxidstøv samt forskellige forurenende stoffer; men undersøgelser har vist, at den nuværende bedste praksis inden for minedrift og raffinering ikke ser ud til at øge risikoen for disse problemer.