Bauxitabbau und Tonerdeveredelung

Die weltweite Bauxitproduktion von etwa 85% dient als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Tonerde. Australien fördert und veredelt Tonerde in Queensland, Westaustralien, im Northern Territory und in Tasmanien nach bewährten Verfahren, die keine ernsthaften Risiken für die Gesundheit am Arbeitsplatz mit sich bringen.

Charles Hall in Amerika und Paul Heroult in Frankreich entwickelten 1886 unabhängig voneinander ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse von geschmolzenem Kryolith, das als Bayer-Verfahren bekannt wurde.

Bergbau

Aluminium ist eines der am häufigsten in der Natur vorkommenden Elemente, kann jedoch nicht in reinem Zustand gewonnen werden. Stattdessen kommt es in verschiedenen Verbindungen in Gesteinen und Sedimenten vor. Die weltweit wichtigste Quelle ist Bauxitgestein, das abgebaut und zu Aluminiumoxid raffiniert werden muss, bevor es in Bergwerken auf der ganzen Welt zu Aluminium verarbeitet werden kann.

Bei der Aluminiumgewinnung und -raffination fallen erhebliche Mengen an Abfall an, wobei große Mengen an toxischen Abfällen wie TENORM mit verschiedenen Gesundheitsstörungen wie Fibrose, Mesotheliom und Lungenerkrankungen in Verbindung gebracht werden. Darüber hinaus sickern Schwermetalle aus den Abfallhalden in die Wasserquellen und kontaminieren diese mit potenziell gefährlichen Konzentrationen, die die Integrität der Umwelt bedrohen.

Um die mit der Tonerdegewinnung verbundenen Umweltauswirkungen zu verringern, werden erhebliche Mittel in die Sanierung von Minen und die Wiederherstellung natürlicher Lebensräume investiert. Leider birgt diese Tätigkeit gewisse Risiken für die Beschäftigten im Bergbau und in der Raffinerie, die Atemwegs- und Hautkrankheiten wie Mesotheliom, Haut- und Nierenkrebs, degenerativen Lungenkrankheiten oder in der Gemeinschaft erworbenen Infektionskrankheiten wie Malaria oder Dengue-Fieber ausgesetzt sein könnten, wenn Mücken vorhanden sind.

Bauxit wird in der Regel im Tagebau abgebaut, und Australien, Guinea und China sind für den Großteil der weltweiten Bauxitproduktion verantwortlich. Da das meiste Bauxit in tropischen Gebieten vorkommt, muss es auch dort abgebaut werden, wobei die großen Bergbauunternehmen in der Regel Minen in der Nähe von Hafenanlagen betreiben, in denen ausgebildete Arbeitskräfte arbeiten.

Beim Bayer-Verfahren wird Bauxit zerkleinert, gewaschen und gemahlen, bevor es unter hohem Druck und bei hoher Temperatur in Natronlauge aufgelöst wird, um eine übersättigte Natriumaluminatlösung zu erzeugen, die so genannte "pregnant liquor", die dann in hohe Tanks, die so genannten Fällungsanlagen, gepumpt wird, in denen Aluminiumhydroxidkeime hinzugefügt werden, um beim Abkühlen der "pregnant liquor" die Ausfällung fester Aluminiumhydroxidkristalle zu begünstigen - dieses ausgefällte Aluminiumoxid wird dann gefiltert und direkt in Lagerbereiche für Bauxitrückstände geleitet.

Vorbereitung

Aluminium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und bekannt für sein geringes Gewicht, seine Formbarkeit, seine Verformbarkeit und seine Korrosionsbeständigkeit. Leider kommt Aluminium jedoch nicht in der Natur in metallischer Form vor und muss daher abgebaut werden, um es zu gewinnen. Bauxit muss zunächst zu Tonerde (Aluminiumoxid) verarbeitet werden. Danach kann diese Substanz in verschiedene Formen wie Butzen, Knüppel, Barren und Vorblöcke geformt werden, bis schließlich Aluminiummetall entsteht.

Bauxit ist die wichtigste Aluminiumquelle und kommt in der Regel als verwitterte Decke, bekannt als Laterit oder Duricrust, auf verschiedenen Eruptivgesteinen vor und besteht aus Aluminiumoxid, Eisenoxid und Siliziumdioxid. Nur Lagerstätten, die Gibbsit und Böhmit mit einem Aluminiumgehalt von 65 bzw. 85 Prozent enthalten, können wirtschaftlich für die Tonerdegewinnung genutzt werden; solche Lagerstätten finden sich vor allem auf beiden Seiten des Äquators.

Heiße Natronlauge wird verwendet, um die aluminiumhaltigen Mineralien im Bauxit (Gibbsit, Böhmit und Diaspore) aufzulösen. Dieser Prozess wird als Aufschluss oder Auslaugung bezeichnet, und die dabei entstehende Natriumaluminat-übersättigte Lösung wird als "pregnant liquor" bezeichnet. Nach der Abtrennung von der Stammtonerde muss das unlösliche Siliziumdioxid im Bauxit durch Filtern von den nach dem Filtern verbleibenden Rotschlammresten getrennt werden, die nach dem Filtern schließlich verworfen werden.

Für den Aufschluss werden große Mengen an Wasser benötigt. Wasser wird auch für die Herstellung von wässriger Natronlauge und anderen Chemikalien, für das Waschen von Erz, Rückständen, recycelten Natronlaugeabfällen und Abfällen sowie zur Staubminderung benötigt. Der Wasserverbrauch ist von Werk zu Werk unterschiedlich und hängt von der Bauxitqualität, der Anlagenkonzeption und der Wasserverfügbarkeit in der jeweiligen Region ab.

Traditionelle Verfahren in den Anlagen erforderten die Zugabe von Kalziumfluorid während der Kalzinierung, um den Natriumgehalt im Aluminiumoxid-Einsatzmaterial zu senken; aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Fluorid-Emissionen in die Atmosphäre wurde diese Praxis jedoch inzwischen aufgegeben. Aufgrund dieser Anforderungen mussten neue Technologien zur Herstellung von natriumarmem Aluminiumoxid entwickelt werden. Die auf diese Weise hergestellte Tonerde wird in einer Reibungsmühle unter Verwendung von Essigsäure gemahlen, um Soda zu entfernen und natriumarme Produkte herzustellen. Die Ausfällung des Aluminiumoxids erfolgt durch Einblasen von Salzsäuregas, um Aluminiumchlorid-Hexahydrat-Kristalle zu bilden, die dann gefiltert, zentrifugiert, mit Salzsäure gewaschen und erneut gefiltert werden, bevor sie sich in heißem Wasser auflösen, um eine für die weitere Verarbeitung geeignete Aluminiumoxid-Aufschlämmung (ALO) zu erhalten.

Verfeinerung

Aluminium, das wir tagtäglich verwenden, wird durch eine komplexe Reihe von chemischen Reaktionen hergestellt, die mit der Raffination von Bauxit beginnen. Tonerde (Al2O3) dient als Rohstoff für die elektrolytische Herstellung von Primäraluminium, wird aber auch für andere Zwecke verwendet, die weit über die Primärproduktion hinausgehen. Für die Herstellung einer Tonne Primäraluminium sind etwa zwei Tonnen Tonerde erforderlich, die auch in vielen anderen Chemikalien eine wichtige Rolle spielen, wie z. B. in feuerfesten Materialien für die Auskleidung von Hochtemperatur-Drehrohröfen und -Ofen, als Schleifmittel und sogar in der Wasseraufbereitung.

Der größte Teil des Bauxits wird im Tagebau abgebaut, wobei auf drei Länder - Australien, China und Guinea - 72% der weltweiten Produktion entfallen. Bauxit wird mit Methoden wie Sprengen, Bohren und Aufreißen mit großen Bulldozern aus dem Boden geholt, bevor es zur Weiterverarbeitung direkt zu nahe gelegenen Aluminiumoxidraffinerien transportiert wird.

Die Tonerderaffination ist ein komplexer vierstufiger Prozess. Zunächst muss das Bauxit gewaschen und gefiltert werden, um Verunreinigungen wie Kieselsäure zu entfernen. Anschließend wird die Grünlauge in einem Ofen mit Natronlauge auf hohe Temperaturen erhitzt, bis sie in Fällungsgefäßen kristallisiert, wobei die Keimpartikel der Tonerdehydroxidlösung mit Hilfe von Keimbildnern aufgetragen werden; die Ausfällung fördert dann das weitere Wachstum der Tonerdehydroxidlösung, bevor die nachfolgenden Raffinationsschritte erfolgen.

In Aluminiumoxidraffinerien und Bergbauwerkstätten wird häufig geschweißt, was zu einer Exposition gegenüber Dämpfen und Staub führt, die zu Erkrankungen der Atemwege und Verletzungen führen können. Daher sollten Kontrollen eingeführt werden, um dieses Risiko, die Vibrationsexposition und die Exposition gegenüber gefährlichen Stoffen zu minimieren, da in tropischen Regionen, in denen die Arbeit im Freien die Norm ist, andere Fragen der Gesundheit am Arbeitsplatz auftauchen, die möglicherweise zu einer erhöhten Hitzestressbelastung der Arbeitnehmer führen, während die Ermüdung durch Ganzkörpervibrationen mit Maschinen wie Scrapern, Bohrgeräten, Lastwagen oder Baggern, die solche Maschinen bedienen, in Verbindung gebracht wird.

Schmelzen

Tonerde ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Aluminium. Es wird in einem vierstufigen Verfahren, dem so genannten Bayer-Verfahren - benannt nach seinem Entwickler Karl Josef Bayer - hergestellt. Bauxiterz wird fein gemahlen und in einen dampfbeheizten Fermenter geleitet, wo es unter Druck mit Natronlauge gemischt wird, um Natriumaluminatlösung (Grünlauge) zu bilden, während Natronlaugeabfälle als Ausgangsmaterial in den Fermentationsprozess zurückgeführt werden; Tonerde kann dann durch Verdampfung und Kristallisation extrahiert werden, um weißes Pulver, bekannt als Gibbsit, zu erzeugen.

Reduktion von Aluminiumoxid zu Barren >>In der Reduktionsphase der Produktion löst sich Aluminiumoxid in so genannten Reduktionstöpfen auf - tiefe rechteckige Stahlschalen, die mit Kohlenstoff oder Graphit ausgekleidet sind und einen Kryolith-Elektrolyten enthalten. Ein elektrischer Strom fließt durch diese Mischung, während Kohlenstoffanoden als Kathoden dienen; Aluminium und Sauerstoff aus der Tonerde reagieren mit der Kohlenstoffanode, um Kohlendioxidgas zu erzeugen, das dann mit den metallischen Aluminiumanoden als Kathode reagiert, wobei Kohlendioxidgas erzeugt wird, das als metallische Aluminiumanoden zurückbleibt, so dass nur metallisches Aluminium an der Kathode zurückbleibt; es gelangt dann in Warmhalteöfen, wo Verunreinigungen entfernt, Legierungselemente hinzugefügt und in Barren gegossen werden.

Tonerdeblöcke werden zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten verwendet. Sie können zu Blechen, Folien und Stangen gewalzt, zu langen Stangen für die Drahtherstellung stranggepresst oder durch trockenes isostatisches Pressen oder Gießen zu langen Stangen für die Drahtherstellung verarbeitet werden. Aluminiumbarren können auch durch Warm- oder Kaltwalzen, Schlickergießen, Spritzgießen oder Spritzgießtechniken in verschiedene Formen gebracht werden.

Bergbau-, Raffinerie- und Schmelzbetriebe bemühen sich, ihre Umweltauswirkungen durch den Einsatz energieeffizienter Anlagen und die Entwicklung von Recyclingverfahren zu minimieren. Nach Beendigung des Bergbaus werden Anstrengungen unternommen, um den ursprünglichen Zustand des Geländes wiederherzustellen, sobald die Bergbauarbeiten beendet sind. Die Luftverschmutzung kann durch angemessene Belüftungssysteme und Luftreinigungsanlagen wie Wäscher kontrolliert werden. Die Wasserverschmutzung kann durch das Recycling von Schlacke, Abfallflüssigkeiten und Gasen zur Wiederverwendung verringert werden.