Aluminiumsudvindingens kompleksitet

Udvinding af aluminium fra bauxit er en af verdens mest komplekse industrielle processer, der involverer et enormt arbejde med videnskabelig og teknisk ekspertise, som sikrer en uafbrudt forsyning af dette vigtige metal.

Syreprocessen bruger svovlsyre, saltsyre eller salpetersyre som opløsningsmidler til at udlude urenheder som jern- og titaniumoxider fra bauxit. XRD-mønstre viste, at når alkalikoncentrationen steg, steg også aluminiumoxid-ekstraktionsforholdet.

Fordøjelse

Aluminium er et af de hyppigst forekommende metaller på jorden, men det findes ikke i ren form i naturen. I stedet kræver udvindingen mange trin, der involverer fordøjelse, rensning, udfældning og kalcinering for at nå frem til det endelige produkt - det gør aluminium til et af verdens mest energiintensive industriprodukter.

Udrådning er et vigtigt trin i Bayer-processen til udvinding af aluminium fra bauxitmalm. Mange faktorer påvirker dens ydeevne, herunder opslæmningens temperatur, kaustisk soda-koncentration og kaustisk forhold; for at optimere udrådningshastigheden kan man sænke temperaturen, øge det kaustiske forhold eller bruge højere kaustiske koncentrationer, men disse foranstaltninger vil sandsynligvis vise sig at være dyrere og mere besværlige for raffinaderierne end nødvendigt.

Som en del af oplukningsprocessen omdannes det meste af jernet i bauxit til ilmenit i en uafhængig fase, mens ikke-magnetisk materiale bliver tilbage som diaoyudaoit og natriumaluminiumsilikat. Adskillelse af ikke-magnetiske materialer forbedrer opløsningen af aluminiumoxid, men på grund af lukkede mineraler i strukturen kan diaoyudaoit være svær at opløse ved lavere oplukningstemperaturer.

De gennemsnitlige energiomkostninger i forbindelse med aluminiumoxidproduktion varierer meget fra land til land på grund af faktorer som den anvendte teknologi, den anvendte bauxit og nedbrydningsprocesserne, der varierer meget fra hinanden. Der er dog visse fælles faktorer, som bidrager til øget energiforbrug, herunder:

Udrådningsprocessen står for det meste af energiforbruget under aluminiumoxidproduktion, da den kræver elektricitet og vand til opvarmning og omrøring af gyllen samt til at vaske urenheder fra leret væk. For at opnå en optimal nedbrydning og mindske energispildet er forskerne nødt til at undersøge de aktuelle forhold omkring udnyttelsen. Forskerne kan opnå dette ved at indsamle data og oplysninger fra dokumentcentret og interviewe eksperter i produktionslinjen og derefter sammenligne den nuværende tilstand af udrådningsprocessen med dens oprindelige design for at finde frem til de største afvigelser.

Afklaring

Aluminiumsudvinding kan være en kompleks og energikrævende proces, men den er alligevel afgørende for mange kommercielle og industrielle anvendelser. Derfor er det yderst vigtigt at forstå denne komplekse procedure for at sikre dens succes - diagrammer kan hjælpe med at kaste lys over de kemiske reaktioner, der finder sted under produktionen, og som udgør denne komplekse procedure og deres betydning for dens gennemførelse.

Et af de vigtigste trin er at raffinere bauxit til aluminiumoxid og i sidste ende aluminiummetal ved hjælp af enten elektrolyse eller Bayer-processen. Begge procedurer giver pålidelige forsyninger af aluminiummetal via disse processer. De er begge afhængige af elektrolyse som produktionskilde.

Bauxitmalm er en rigelig kilde til aluminium og kræver en betydelig forarbejdning for at blive omdannet til en aluminiumoxidrig opløsning, der er klar til næste trin. Nedbrydning indebærer, at bauxitmalmen knuses, før den blandes med varme, koncentrerede opløsninger af natriumhydroxid for at opløse dens indhold af aluminiumoxid, hvilket fører til klar væske. Dernæst kommer klaring, hvor urenheder (samlet kendt som rødt mudder) udskilles, før udfældning og kalcinering kan finde sted på den klarede væske.

For at omdanne aluminiumoxid til rent aluminium er det nødvendigt med smeltning via elektrolyse. En blanding af aluminiumoxid og natriumhydroxid anbringes derefter i en kryolitopløsning (natriumaluminiumfluorid), hvor der skal bruges en ekstraordinær mængde energi på at holde denne tilstand; for at producere et ton aluminiumoxid kræver det 14.000-16.000 kilowatttimer.

Den varme, der genereres under denne proces, driver en elektrokemisk reaktion. Når den elektriske strøm passerer gennem systemet, produceres der ilt ved anoden, som kombineres med kulstof og danner kuldioxidgas; det resterende smeltede aluminium samles ved katoden, som er beklædt med grafit eller kulstof; det suges af med jævne mellemrum og transporteres til en ovn; når det er blevet raffineret yderligere og tilsat legeringselementer efter behov, støbes det til barrer til fremtidige anvendelser.

Nedbør

Et af de vigtigste trin i udvindingen af aluminiumoxid er udfældning. Udfældningsreaktioner findes i forskellige former; med det formål at udvinde aluminiumhydroxidkrystaller fra affaldsstrømme. Karl Bayer brugte finkornede krystaller som kim til sit oprindelige udviklingsarbejde; denne tilgang øger udbyttet, men kan resultere i højere karbonatkoncentrationer og øger produktionen af urenheder som f.eks. silica, hvilket reducerer genvindingsgraden af aluminium.

For at løse disse udfordringer er flere forskningsprojekter i gang med at vurdere effektiviteten af forskellige ionbytterharpikser til at forbedre fældningseffektiviteten. Ionbytterharpikser er polymere materialer med høj molekylvægt, der indeholder mange ioniske funktionelle grupper i hvert molekyle, typisk enten sulfonsyregrupper eller carboxylsyregrupper til udveksling. Begge typer harpiks kan bruges til at udtrække soda fra kaustiske opløsninger, hvilket fører til et fald i både total kaustik (TC) og total alkali (TA). Desuden kan kationbytterharpikser neutralisere natriumioner i brugt Bayer-væske, hvilket resulterer i en stigning i overmætning i forhold til opløseligheden af aluminiumoxid.

Ved forskellige karbonatiseringsforhold blev det observeret, at tilstedeværelsen af ilt havde en gavnlig indvirkning på udfældningshastigheden. Mere specifikt steg temperaturen, hvor udfældningen startede, betydeligt, mens XRD-analyse af bundfaldet viste, at det indeholdt dawsonit som forudsagt af termodynamiske beregninger.

Udfældning af aluminiumoxid er et af de mest kritiske og vanskelige trin i produktionen af aluminium fra bauxit. Udfældningen skal ske for at producere aluminiumoxidhydroxid til brug i aluminiumssmelternes kalcineringsovne; derfor skal filter- og separationsudstyr, der bruges på forarbejdningsanlæg, fungere under ekstremt strenge forhold.

Filtrerings- og separatorudstyr i aluminiumoxidanlæg skal være robust, holdbart, pålideligt og langtidsholdbart for at fungere korrekt i barske miljøer, herunder høje temperaturer og tryk, samtidig med at det fjerner meget slibende bauxitrester, der kan beskadige andet udstyr som pumper, blandere og omrørere. Derfor findes noget af verdens bedste filtrerings- og separatorudstyr i sådanne anlæg.

Kalcinering

Kalcinering er det sidste syntetiske trin i processen og har flere indflydelser på morfologi, fasesammensætning og kemisk sammensætning af aluminiumoxid. Temperatur og reaktionsvarighed har typisk den største indflydelse; temperaturen skal indstilles afhængigt af den ønskede morfologi/sammensætning samt fremstilling eller andre anvendelser af dette aluminiumoxidmateriale; den tid, der er nødvendig for at nå dette resultat, dikterer dets længde.

Den mest udbredte kalcineringsmetode involverer udvaskning af kaolinler med saltsyre, før man udfælder aluminiumklorid-hexahydratkrystaller med saltsyre og derefter kalcinerer ved høj temperatur med luft for at producere aluminiumoxid. Denne tilgang har mange fordele i forhold til processer, der bruger svovlsyre eller salpetersyre, da det er lettere at regenerere saltsyre end alternativerne.

Tidligere kalcineringsprocesser brugte meget energi på at hæve hexahydratkrystaller til over 500-1.100 °C til aluminiumoxidproduktion, men meget af denne energi blev brugt i lavtemperaturfaser til at udtrække kombineret vand og hæve mellemliggende krystalformer af den krystallinske hexahydratform. Desuden brugte hvert trin kun en del af den samlede tilgængelige energi.

Der er udviklet en innovativ kalcineringsproces, som reducerer energiforbruget betydeligt i både højtemperatur- og afkølingsfasen af kalcineringen, hvilket sænker det samlede energibehov til fremstilling af aluminiumoxid betydeligt. Kernen er et varmevekslingssystem, som bruger trinvis opvarmning af hexahydrat gennem flere varmevekslingstrin til gradvist højere temperaturer, der nærmer sig kalcineringstemperaturen, før det føres til en kalcinator til endelig omdannelse til aluminiumoxid. Hexahydrat afkøles yderligere gennem forskellige varmeudvekslingstrin, hvor følsom varme overføres fra køletrinene til opvarmningstrinene ved kun lidt højere temperaturer end dem, hvor den forbruges i det pågældende trin.