Der Bauxit-Tonerde-Bergbauprozess

Dr. Donoghue und Herr Frisch sind Vollzeitbeschäftigte von Alcoa of Australia.

Bauxit ist der wichtigste Rohstoff für die Aluminiumherstellung und kommt weltweit in großen Lagerstätten vor. Bauxit wird zerkleinert und in Natronlauge gekocht, bevor es mit Aluminiumhydroxid-Körnern, dem so genannten Gibbsit, versetzt wird, damit es als roter Schlamm ausfällt, der einen umweltschädlichen roten Schlamm hinterlässt, der in vielen Ländern schwerwiegende Auswirkungen hat.

Bayer-Verfahren

Bauxiterz, das für die Aluminiumherstellung abgebaut wird, enthält Hydroxide und Oxyhydroxide von Aluminium2 (Gibbsit, Bayerit und Nordstrandit), Oxide von Eisen2 (Ferrit und Goethit) und Titandioxid2 (Rutil und Diaspore). Das Bayer-Verfahren wandelt dieses Bauxiterz chemisch in Tonerde um - der erste Schritt zur Herstellung von reinem Aluminiummetall durch das elektrolytische Hall-Heroult-Verfahren.

Die Aufschluss- und Klärungsschritte im Bayer-Verfahren sind beide von entscheidender Bedeutung. Alle unlöslichen Rückstände, die beim Aufschluss entstehen, werden als Rotschlamm bezeichnet und müssen aus Umweltschutzgründen gereinigt werden. Außerdem muss die nach der Klärung verbleibende Aluminatlösung gereinigt werden. Die Verwendung von NaCl-freier Lauge, die Reinigung durch Ionenaustausch oder die Hochtemperatursinterung können dazu beitragen, den Gehalt an Verunreinigungen in diesen beiden Strömen zu kontrollieren.

Die Klärung einer Aluminatlösung erfolgt durch Schwerkraftabsetzen und Spülen mit Wasser in Eindickern (auch als Recheneindicker bezeichnet), wodurch eine konzentrierte Natriumaluminatlösung entsteht, die sich für die Ausfällung zu Aluminiumoxidtrihydrat eignet. Grobe Partikel werden mit Hilfe von Rohzyklonen extrahiert, während feinere Feststoffe durch Filtration zurückgehalten werden; anschließend wird die Lösung weiter abgekühlt, um die Übersättigung zu erhöhen, bevor sie in hohe siloähnliche Fällungsanlagen gepumpt wird; dabei entsteht gefälltes Aluminiumoxidhydrat, das anschließend gewaschen, gefiltert und getrocknet werden muss, bevor es in kommerziell reines Aluminiumoxid2 zerlegt wird.

Beim elektrolytischen Hall-Heroult-Verfahren wird metallisches Aluminium mit geringen Mengen an Ferritverunreinigungen (geringfügigen Verunreinigungen) von geschmolzenem Salz (einer Mischung aus Natrium- und Kalziumchlorid) getrennt, indem elektrischer Strom durch eine kohlenstoffhaltige Aluminatlösung von einer Anodenelektrode geleitet wird, wo der Kohlenstoff mit anderen Verunreinigungen reagiert und eine weiß-kristalline Verbindung namens Aluminat bildet, die in große Warmhalteöfen geleitet wird, wo die Verunreinigungen entfernt und Legierungselemente hinzugefügt werden, um reines Aluminium zu erzeugen.

Es ist eine große Herausforderung, die Verunreinigungswerte im Bayer-Verfahren unter den vorgegebenen Werten zu halten und gleichzeitig Abwässer zu produzieren, die ohne zusätzliche Behandlung direkt in natürliche Gewässer eingeleitet werden können. Um dieses Kunststück zu vollbringen, müssen Faktoren wie das Management von Veränderungen in der Bauxitmineralogie, die Optimierung der Produktionsraten, die Kontrolle konkurrierender Reaktionen und die Minimierung von Verlusten durch Rotschlammablagerungen harmonisch zusammenspielen.

Schmelzen

Bauxit, ein Aluminiumoxidgestein, kann abgebaut und raffiniert werden, um Aluminium herzustellen. Bei den Abbau- und Raffinierungsprozessen fallen erhebliche Abfallmengen an, die toxische Elemente wie TENORM (Trace Elements of Natural Origin) enthalten. Tonerde wird anschließend in einer Aluminiumhütte durch Elektrolyse in Metall umgewandelt. Um die bei diesem Prozess entstehenden Abfälle zu minimieren, wäre es von Vorteil, wenn Methoden gefunden werden könnten, um so viel Tonerde wie möglich wiederzuverwenden.

Tonerde wird in großem Umfang als Rohstoff für Industrieprodukte wie Glas, Porzellan und Metallic-Lacke für Autos verwendet. Aufgrund seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit, seiner Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe, seiner extremen Festigkeit und Härte (9 auf der Mohs'schen Härteskala) ist Aluminiumoxid auch für viele andere Anwendungen geeignet.

Im Rahmen des Abbaus und der Raffination von Tonerde ist es notwendig, das Land von Vegetation und Bäumen zu befreien, die den Betrieb behindern könnten. Bauxit wird durch Sprengen, Bohren, Reißen und sehr große Bulldozer zerkleinert, bevor es auf Lastwagen, Eisenbahnwaggons oder Förderbänder für den Transport zu den nahe gelegenen Raffinerien verladen wird.

Zu Beginn der Tonerderaffination wird Tonerde zerkleinert und in eine Natronlauge getaucht, um eine übersättigte Natriumaluminatlösung zu bilden. Diese wird dann in einen Aufschlämmungsreaktor geleitet, wo sie bei hohen Temperaturen erhitzt wird, um das chemisch gebundene Wasser durch ein als Kalzinierung bekanntes Verfahren zu entfernen. Dabei entsteht verfestigtes Aluminiumoxidhydrat, das dann in mit Ziegeln ausgekleideten Töpfen gelagert wird, bevor Kohlenstoffanoden eingeführt und ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird, um Aluminiumoxid zu reinem Aluminium zu elektrolysieren, das dann wieder in Töpfe geleitet wird, bevor es schließlich zurück in Gießereien gebracht wird, wo Knüppel mit verschiedenen Formen von Hand geformt werden.

Nachdem die Knüppel zu Blöcken geschnitten wurden, werden sie zu langen Stangen, den so genannten Bewehrungsstäben, gewalzt, die dann auf verschiedene Längen geschnitten und entsprechend verwendet werden können. Schließlich werden diese langen Stäbe geschmolzen, um Blöcke für die weitere Verarbeitung herzustellen.

Gießen

Aluminium ist ein zentrales Element in der modernen Welt von heute und wird überall verwendet, von Gebäuden und Autos bis hin zu Verpackungen und Sportgeräten. Doch Aluminium kommt in der Natur nicht als reines Metall vor. Vielmehr durchläuft es einen komplizierten Umwandlungsprozess von seinem Ursprung als Bauxiterz zu dem leichten Metall, das wir heute alle kennen und schätzen.

Zunächst wird das Bauxit mit Bohr-, Spreng- und Reißtechniken mit großen Bulldozern aus der Erde geholt. Anschließend wird es zerkleinert und gewaschen, bevor es zu einer nahe gelegenen Aluminiumoxid-Raffinerie transportiert wird, die das Bayer-Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid anwendet.

Heiße Natronlauge wird verwendet, um die im Bauxit enthaltenen aluminiumhaltigen Mineralien (Gibbsit, Bohmit und Diasporen) aufzulösen, so dass eine übersättigte Natriumaluminatlösung entsteht, die als Schwangere Lauge bezeichnet wird. Diese wird dann zur Kalzinierung in einen Aluminiumoxid (Al2O3)-Ofen geschickt, bevor sie gewaschen, getrocknet und erneut erhitzt wird, um das verbleibende Kristallwasser zu verdrängen, so dass hochreines Aluminiumoxid entsteht, das dann ein trockenes weißes sandiges Material bildet, das als Aluminiumoxidhydrat bezeichnet wird.

Tonerde wird in verschiedenen Produkten wie feuerfesten Materialien, chemischen Produkten und Rohstoffen wie Gips und Siliziumdioxid verwendet; ein Teil wird sogar in den Raffinationsprozess selbst zurückgeführt.

Bei der Raffination von Tonerde fallen pro Tonne zwei bis drei Tonnen Abfälle an; diese als Rotschlamm bezeichneten Materialien müssen sorgfältig behandelt werden, um die Umweltauswirkungen zu minimieren.

Nach der Veredelung wird Aluminiumoxid in Barren gegossen, die für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Sie können zu Blechen, Folien und Stäben gewalzt werden, zu Draht gezogen werden, der zu Kabeln für elektrische Übertragungsleitungen verseilt wird, zu komplexen Formen oder stranggepressten Profilen wie Fensterrahmen geformt werden; sie können sogar wieder zu Barren recycelt werden - was Aluminium zu einem unendlich recycelbaren Metall macht! Darüber hinaus gibt es verschiedene Legierungen, die spezifische Eigenschaften aufweisen, um unterschiedlichen Kundenanforderungen gerecht zu werden.

Recycling

Aluminium ist eines der am weitesten verbreiteten Metalle, das in zahlreichen Produkten - von Getränkedosen bis hin zu Autoteilen - verwendet wird, aber in der Natur nicht in reiner Form vorkommt. Stattdessen muss es aus Bauxitgestein, das verschiedene Formen von Aluminiumoxiden enthält, gewonnen und zu Aluminiumoxid raffiniert werden, bevor es schließlich in einem dreistufigen Prozess zu Aluminium wird, der sowohl Energie- als auch Wasserressourcen benötigt.

Bei der Gewinnung von Tonerde muss zunächst der Abraum - Gesteins- und Tonschichten, die das Bauxit bedecken - durch Sprengungen oder Bohrungen entfernt werden. Sobald dieses Material gelöst ist, kann es auf Lastwagen verladen und zur Weiterverarbeitung in eine Tonerdeaufbereitungsanlage transportiert werden.

In einer Bauxitaufbereitungsanlage wird das Erz zerkleinert, bevor es in heiße Natronlauge getaucht wird, um aluminiumhaltige Mineralien wie Gibbsit und Bohmit aufzulösen, bevor es von Siliziumdioxid getrennt wird, um eine mit Natriumaluminat übersättigte Lösung zu erhalten, die als Lauge bezeichnet wird.

Ein Teil der Schwangerenlauge wird zu Aluminiumhydroxid, besser bekannt als Löschkalk, verarbeitet, während der Rest direkt in eine Aluminiumoxid-Raffinerie geleitet wird, wo seine Bestandteile durch chemische Reaktionen in Aluminiummetall umgewandelt werden.

Tonerde ist ein unverzichtbares industrielles Material, das für viele verschiedene Anwendungen in der Industrie verwendet wird, von der Kunststoffherstellung bis zu Schleifmitteln. Auch in vielen Arten von Flammschutzmitteln spielt Aluminiumoxid eine wichtige Rolle.

Obwohl der Abbau und die Raffination von Aluminiumoxid in hohem Maße recycelbar sind, gibt es nach wie vor einige Umweltprobleme im Zusammenhang mit dem Abbau und der Raffination von Aluminiumoxid. Dazu gehören Lärmbelästigung, ergonomische Probleme, Traumarisiken und Spritzer von Ätznatron auf die Haut oder in die Augen. Außerdem wurden sowohl Bauxitstaub als auch Tonerdepulver mit Komplikationen der Atemwege in Verbindung gebracht, darunter Reizungen oder Entzündungen der Lunge.

Einige Arbeitnehmer haben über gesundheitliche Probleme wie Krebs, Nieren- und Leberschäden berichtet, die auf die Exposition gegenüber Bauxit- und Aluminiumoxidstaub sowie verschiedenen Schadstoffen zurückgeführt werden; die durchgeführten Studien haben jedoch ergeben, dass die derzeitigen bewährten Verfahren im Bergbau und in der Raffinerie das Risiko für diese Probleme nicht zu erhöhen scheinen.