Udvinding af bauxit og raffinering af aluminiumoxid

Verdens bauxitproduktion på ca. 85% bruges som råmateriale til fremstilling af aluminiumoxid. Australien udvinder og raffinerer aluminiumoxid i Queensland, Western Australia, Northern Territory og Tasmanien ved hjælp af bedste praksis for udvinding og raffinering, som ikke udgør en alvorlig sundhedsrisiko på arbejdspladsen.

Charles Hall i USA og Paul Heroult i Frankrig udtænkte uafhængigt af hinanden en økonomisk proces til fremstilling af aluminium via elektrolyse af smeltet kryolit i 1886; den blev kendt som Bayer-processen.

Minedrift

Aluminium er et af de hyppigst forekommende grundstoffer i naturen, men det kan ikke udvindes i ren form. I stedet findes det som forskellige forbindelser i klipper og sedimenter, og verdens primære kilde er bauxit, som skal udvindes og raffineres til aluminiumoxid, før man kan producere aluminium i minerne verden over.

Aluminiumsudvinding og -raffinering producerer meget affald, og store mængder giftigt affald som TENORM er forbundet med flere sundhedsproblemer, herunder fibrose, mesotheliom og lungesygdomme. Desuden siver tungmetaller ud i vandkilder fra affaldsbunker og forurener dem med potentielt farlige niveauer, der truer miljøets integritet.

For at reducere miljøpåvirkningerne i forbindelse med aluminiumoxidproduktion investeres der betydelige ressourcer i minerehabilitering og genoprettelse af naturlige levesteder. Desværre indebærer denne aktivitet visse risici for medarbejdere i mine- og raffinaderisektoren, som kan blive udsat for luftvejs- og hudlidelser, herunder mesotheliom, hud- og nyrekræft, degenerative lungesygdomme eller samfundserhvervede infektionssygdomme som malaria eller denguefeber, hvis der er myg til stede.

Bauxitudvinding foregår typisk i åbne brud, og Australien, Guinea og Kina står for størstedelen af den globale bauxitproduktion. Da det meste bauxit findes i tropiske områder, skal det også udvindes her, og de store mineselskaber driver som regel miner i nærheden af havnefaciliteter med uddannet arbejdskraft i nærheden.

Under Bayer-processen knuses, vaskes og males bauxit, før det opløses i kaustisk soda under højt tryk og høj temperatur for at skabe en overmættet natriumaluminatopløsning, kendt som gravid væske, som derefter pumpes ind i høje tanke kaldet fældningsanlæg, hvor der tilsættes aluminiumhydroxidfrø for at sætte gang i udfældning af faste aluminiumhydroxidkrystaller, når den gravide væske afkøles - denne udfældede aluminiumoxid filtreres derefter og sendes direkte til lagerområder for bauxitrester.

Forberedelse

Aluminium er et af de mest udbredte grundstoffer på jorden og er kendt for sin lette vægt, smidighed, formbarhed og ikke-ætsende egenskaber. Men desværre forekommer aluminium ikke naturligt i metallisk form og skal derfor udvindes for at kunne produceres. Bauxit skal først forarbejdes til alumina (aluminiumoxid). Når dette stof er produceret, kan det formes til forskellige former som f.eks. snegle, billets, barrer og blokke, indtil det til sidst giver anledning til produktion af aluminiummetal.

Bauxit er den vigtigste kilde til aluminium og forekommer typisk som et forvitret tæppe kendt som laterit eller duricrust på forskellige vulkanske bjergarter, der består af aluminiumoxid, jernoxid og siliciumdioxid. Kun aflejringer, der indeholder gibbsit og boehmit med henholdsvis 65 og 85 procent aluminium, kan udnyttes økonomisk til produktion af aluminiumoxid; sådanne aflejringer findes hovedsageligt på begge sider af ækvator.

Varme kaustiske sodaopløsninger anvendes til at opløse de aluminiumholdige mineraler i bauxit (gibbsit, boehmit og diaspore). Denne proces kaldes fordøjelse eller udvaskning, og den resulterende overmættede natriumaluminatopløsning kaldes gravid væske. Når det uopløselige silica i bauxitten er blevet adskilt fra det oprindelige aluminiumoxid, skal det adskilles ved filtrering fra det røde mudder, der er tilbage efter filtreringen - og som i sidste ende vil blive kasseret efter filtreringen.

Udrådning kræver store mængder vand. Der kræves også vand til fremstilling af vandig kaustisk soda og andre kemikalier, til vask af malm, restprodukter, genanvendt kaustisk sodaaffald og affald samt til støvbekæmpelse. Vandforbruget varierer fra anlæg til anlæg afhængigt af bauxitkvalitet, anlægsdesign og vandtilgængelighed i regionen.

Traditionel fabrikspraksis krævede tilsætning af calciumfluorid under kalcineringen for at reducere natriumniveauet i aluminiumoxidråvaren; men på grund af bekymringer omkring udledning af fluorid til atmosfæren er denne praksis siden blevet opgivet. På grund af disse krav har man været nødt til at udvikle nye teknologier til forarbejdning af aluminiumoxid med lavt natriumindhold. Aluminiumoxid produceret med denne metode males i en slibemølle med eddikesyre for at fjerne soda og producere produkter med lavt natriumindhold. Udfældning af aluminiumoxid kræver, at man sprøjter saltsyre ind i gassen for at danne aluminiumoxidklorid-hexahydratkrystaller, som derefter filtreres, centrifugeres, vaskes med saltsyre og filtreres igen, før de opløses i varmt vand for at give en aluminiumoxidopslæmning (ALO), der er egnet til videre forarbejdning.

Raffinering

Aluminium, som vi bruger hver dag, produceres gennem en kompleks serie af kemiske reaktioner, der begynder med raffinering af bauxit. Aluminiumoxid (Al2O3) fungerer som råmateriale til primær aluminiumsproduktion gennem elektrolytiske metoder, men dets andre anvendelser rækker også langt ud over den primære produktion; det er nødvendigt med cirka to tons for at producere et ton primær aluminium; faktisk spiller det også en vigtig rolle i mange andre kemikalier som ildfaste materialer, der bruges til at beklæde højtemperaturrotationsovne og ovne, som slibemateriale, som slibestof og endda i vandrensningsprocesser.

Det meste af bauxitminedriften foregår i åbne brud, og tre lande - Australien, Kina og Guinea - står for 72% af den globale produktion. Bauxit fjernes fra jorden ved hjælp af metoder som sprængning, boring og oprivning med store bulldozere, før det transporteres direkte til nærliggende aluminiumsraffinaderier til videre forarbejdning.

Raffinering af aluminiumoxid er en kompleks proces i fire trin. Først skal bauxit vaskes og filtreres for at fjerne urenheder som f.eks. silica. Dernæst opvarmes den grønne væske til høje temperaturer i en ovn med kaustisk soda til blanding, indtil der sker krystallisering i udfældningskar med frøpartikler af aluminiumoxidhydroxidopløsning, der er sået på den af såmaskiner; udfældning fremmer derefter yderligere vækst af yderligere aluminiumoxidhydroxidopløsning, før man går videre til de efterfølgende trin i raffineringen.

Svejsning finder ofte sted i aluminiumsraffinaderier og mineværksteder, hvilket fører til udsættelse for røg og støv, der kan føre til luftvejssygdomme og skader. Derfor bør der indføres kontrolforanstaltninger for at minimere denne risiko, vibrationseksponering og eksponering for farlige stoffer, da andre arbejdsmiljøproblemer opstår i tropiske områder, hvor udendørs arbejde er normen, hvilket potentielt øger eksponeringen for varmestress for arbejderne, mens træthed på grund af helkropsvibrationer er blevet forbundet med maskiner som skrabere, borerigge, lastbiler eller gravemaskiner, der betjener maskiner som disse.

Smeltning

Aluminiumoxid er det primære råmateriale, der kræves for at fremstille aluminium. Det produceres i en firetrinsproces kendt som Bayer-processen - opkaldt efter dens udvikler Karl Josef Bayer. Bauxitmalm males fint og føres ind i en dampopvarmet koger, hvor det under tryk blandes med kaustisk sodaopløsning for at danne natriumaluminatopløsning (grøn væske), mens kaustisk sodaaffald genanvendes i fordøjelsesprocessen som råmateriale; aluminiumoxid kan derefter udvindes ved inddampning og krystallisering for at producere hvidt pulver kendt som gibbsite.

Reduktion af aluminiumoxid til barrer >>Under reduktionsfasen i produktionen opløses aluminiumoxid i såkaldte reduktionspotter - dybe rektangulære stålskaller beklædt med kulstof eller grafit, der indeholder kryolitelektrolyt. En elektrisk strøm passerer gennem denne blanding, mens kulstofanoder fungerer som katoder; aluminium og ilt fra aluminiumoxid reagerer med kulstofanoden for at producere kuldioxidgas, som derefter reagerer med metalliske aluminiumanoder som katode og producerer kuldioxidgas, mens de resterende metalliske aluminiumanoder kun efterlader metallisk aluminium ved katoden; det kommer derefter ind i opbevaringsovne, hvor urenheder fjernes, legeringselementer tilsættes og støbes til barrer.

Aluminiumoxidblokke bruges til at fremstille en række produkter. De kan valses til plader, folie og stænger; ekstruderes til lange stænger, der bruges til trådproduktion; eller tør isostatisk presning eller støbning af dem for at producere lange stænger, der bruges til at lave tråd. Aluminiumsbarrer kan også formes til forskellige former via varm- eller koldvalsning, glidestøbning, sprøjtestøbning eller sprøjtestøbningsteknikker.

Minedrift, raffinering og smeltning bestræber sig på at minimere deres miljøpåvirkning ved at bruge energieffektivt udstyr og udvikle genbrugsprocesser. Når minedriften er afsluttet, gøres der en indsats for at bringe jorden tilbage til dens oprindelige tilstand, så snart minedriften ophører. Luftforurening kan kontrolleres gennem passende ventilationssystemer samt luftforureningskontrolanordninger som scrubbere. Vandforurening kan mindskes ved at genbruge slagger, affaldsvæsker og gasser til genbrug.