Η διαδικασία εξόρυξης αλουμίνας βωξίτη

Ο Δρ Donoghue και ο κ. Frisch είναι υπάλληλοι πλήρους απασχόλησης της Alcoa of Australia.

Ο βωξίτης είναι η κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή αλουμινίου και βρίσκεται σε μεγάλα κοιτάσματα παγκοσμίως. Ο βωξίτης θρυμματίζεται και μαγειρεύεται σε διάλυμα καυστικής σόδας προτού σπαρθεί με σπόρους υδροξειδίου του αργιλίου που ονομάζεται γιββσίτης για να προκαλέσει την καταβύθισή του σε απόβλητα ερυθράς λάσπης, αφήνοντας ένα περιβαλλοντικά επιβλαβές υπόλειμμα ερυθράς λάσπης που έχει σοβαρές επιπτώσεις σε πολλές χώρες.

Διαδικασία Bayer

Το μετάλλευμα του βωξίτη, που εξορύσσεται για την παραγωγή αλουμινίου, περιέχει υδροξείδια και οξυϋδροξείδια του αλουμινίου2 (γκιμπσίτης, βαγιερίτης και νορδστραντίτης), οξείδια του σιδήρου2 (φερρισίτης και γκετίτης) και διοξείδιο του τιτανίου2 (ρουτίλιο και διασπόριο). Η διεργασία Bayer μετατρέπει χημικά αυτό το μετάλλευμα βωξίτη σε αλουμίνα - το πρώτο βήμα για την παραγωγή καθαρού μετάλλου αλουμινίου μέσω της ηλεκτρολυτικής διεργασίας Hall-Heroult.

Τα στάδια της χώνευσης και της διαύγασης στη διαδικασία Bayer είναι αμφότερα ζωτικής σημασίας. Κάθε αδιάλυτο υπόλειμμα που παράγεται κατά τη χώνευση είναι γνωστό ως ερυθρά ιλύς και πρέπει να καθαρίζεται για περιβαλλοντικούς λόγους. Επιπλέον, το διάλυμα αργιλικού άλατος που απομένει μετά τη διαύγαση πρέπει να καθαριστεί - η χρήση καυστικού διαλύματος χωρίς NaCl, ο καθαρισμός με ανταλλαγή ιόντων ή η πυροσυσσωμάτωση σε υψηλή θερμοκρασία μπορούν να βοηθήσουν στον έλεγχο των επιπέδων ακαθαρσιών σε αυτά τα δύο ρεύματα.

Η διαύγαση ενός διαλύματος αλουμινικού άλατος επιτυγχάνεται μέσω καθίζησης με βαρύτητα και έκπλυσης με νερό σε πυκνωτές (που αναφέρονται επίσης ως πυκνωτές τσουγκρίσματος), δημιουργώντας ένα συμπυκνωμένο διάλυμα αλουμινικού νατρίου κατάλληλο για καταβύθιση σε τριϋδρική αλουμίνα. Τα χονδρόκοκκα σωματίδια εξάγονται με τη χρήση ακατέργαστων κυκλώνων, ενώ τα λεπτότερα στερεά συγκρατούνται με φιλτράρισμα- στη συνέχεια, το διάλυμα ψύχεται περαιτέρω για να αυξηθεί ο υπερκορεσμός πριν αντληθεί σε ψηλούς κατακρημνιστές τύπου silolike- έτσι παράγεται κατακρημνισμένη υδρική αλουμίνα, η οποία πρέπει στη συνέχεια να πλυθεί, να φιλτραριστεί και να ξηρανθεί πριν αποσυντεθεί σε εμπορικά καθαρή αλουμίνα2.

Σύμφωνα με την ηλεκτρολυτική διεργασία Hall-Heroult, το μεταλλικό αλουμίνιο με μικρές ποσότητες φερριτικών προσμίξεων (δευτερεύουσες προσμίξεις) διαχωρίζεται από το λιωμένο αλάτι (μείγμα χλωριούχου νατρίου και χλωριούχου ασβεστίου) με τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω διαλύματος αλουμινίου που περιέχει άνθρακα από ηλεκτρόδιο ανόδου, όπου ο άνθρακας αντιδρά με άλλες προσμίξεις σχηματίζοντας λευκή κρυσταλλική ένωση που ονομάζεται αλουμινικό άλας, το οποίο μεταφέρεται σε μεγάλους κλιβάνους συγκράτησης όπου οι προσμίξεις απομακρύνονται ενώ προστίθενται κραματικά στοιχεία για την παραγωγή καθαρού αλουμινίου.

Η διατήρηση των επιπέδων ακαθαρσιών στο ρεύμα εκτόξευσης της διεργασίας Bayer κάτω από τα προκαθορισμένα επίπεδα αποτελεί σημαντική πρόκληση, ενώ παράλληλα παράγονται υγρά απόβλητα που μπορούν να απορριφθούν απευθείας σε φυσικούς αποδέκτες χωρίς πρόσθετη επεξεργασία. Για να επιτευχθεί αυτός ο άθλος, παράγοντες όπως η διαχείριση των αλλαγών στην ορυκτολογία του βωξίτη, η βελτιστοποίηση των ρυθμών παραγωγής, ο έλεγχος των ανταγωνιστικών αντιδράσεων, η ελαχιστοποίηση των απωλειών από τις αποθέσεις ερυθράς λάσπης πρέπει να συνδυαστούν αρμονικά για να πετύχει.

Λιώσιμο

Ο βωξίτης, ένα πέτρωμα οξειδίου του αργιλίου, μπορεί να εξορυχθεί και να εξευγενιστεί για την παραγωγή αλουμινίου. Οι διαδικασίες εξόρυξης και εξευγενισμού παράγουν σημαντικά απόβλητα που περιέχουν τοξικά στοιχεία όπως τα TENORM (ιχνοστοιχεία φυσικής προέλευσης). Η αλουμίνα πηγαίνει στη συνέχεια σε ένα αλουμινοκαμίνιουμ για μετατροπή με ηλεκτρόλυση σε μέταλλο- για να ελαχιστοποιηθούν τα απόβλητα που παράγονται κατά τη διαδικασία αυτή, θα ήταν ευεργετικό να βρεθούν μέθοδοι για την επαναχρησιμοποίηση όσο το δυνατόν περισσότερης αλουμίνας.

Η αλουμίνα χρησιμοποιείται ευρέως ως πρώτη ύλη σε βιομηχανικά προϊόντα όπως γυαλί, πορσελάνη και μεταλλικά χρώματα για αυτοκίνητα. Η αλουμίνα διαθέτει επίσης πολλές άλλες εφαρμογές λόγω της χαμηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς της, της αντοχής της σε χημικές επιθέσεις, της ακραίας αντοχής και της σκληρότητάς της (9 στην κλίμακα σκληρότητας Mohs).

Στο πλαίσιο των διαδικασιών εξόρυξης και διύλισης αλουμίνας, είναι απαραίτητο να καθαριστεί το έδαφος από τη βλάστηση και τα δέντρα που θα μπορούσαν να εμποδίσουν τις εργασίες. Ο βωξίτης διασπάται με ανατινάξεις, γεωτρήσεις, σχισίματα και πολύ μεγάλες μπουλντόζες πριν φορτωθεί σε φορτηγά, σιδηροδρομικά βαγόνια ή μεταφορικές ταινίες για μεταφορά σε διυλιστήρια που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση.

Στην αρχή της διαδικασίας διύλισης αλουμίνας, η αλουμίνα διασπάται και βυθίζεται σε διάλυμα καυστικής σόδας για να σχηματιστεί υπερκορεσμένο διάλυμα αλουμινικού νατρίου. Στη συνέχεια μεταφέρεται σε αντιδραστήρα πολτού όπου θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες προκειμένου να απομακρυνθεί το χημικά συνδεδεμένο νερό μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως ασβεστοποίηση, παράγοντας στερεοποιημένο ένυδρο αλουμίνιο που στη συνέχεια αποθηκεύεται σε δοχεία με επένδυση από τούβλα πριν εισαχθούν ανόδους άνθρακα και περάσει ηλεκτρικό ρεύμα από αυτές προκειμένου να γίνει ηλεκτρολύση της αλουμίνας σε καθαρό αλουμίνιο το οποίο στη συνέχεια μεταφέρεται ξανά σε δοχεία πριν τελικά μεταφερθεί ξανά σε χυτήρια όπου διαμορφώνονται με το χέρι μπιγιέτες με διάφορα σχήματα.

Αφού κοπούν οι ράβδοι σε ράβδους, χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την έλαση μακρών ράβδων που ονομάζονται ράβδος οπλισμού, οι οποίες μπορούν στη συνέχεια να κοπούν σε διάφορα μήκη και να χρησιμοποιηθούν αναλόγως. Τέλος, αυτές οι μακριές ράβδοι λιώνουν για να παραχθούν ράβδοι για περαιτέρω επεξεργασία.

Casting

Το αλουμίνιο αποτελεί κεντρικό στοιχείο του σημερινού σύγχρονου κόσμου, που χρησιμοποιείται παντού, από κτίρια και αυτοκίνητα μέχρι συσκευασίες και αθλητικό εξοπλισμό. Όμως το αλουμίνιο δεν εμφανίζεται στη φύση ως καθαρό μέταλλο- μάλλον υφίσταται μια περίπλοκη διαδικασία μετατροπής από την προέλευσή του ως μετάλλευμα βωξίτη για να γίνει το ελαφρύ μέταλλο που όλοι γνωρίζουμε και απολαμβάνουμε σήμερα.

Πρώτον, ο βωξίτης εξορύσσεται από τη γη με τεχνικές που περιλαμβάνουν γεωτρήσεις, ανατινάξεις και εκσκαφές με μεγάλες μπουλντόζες. Στη συνέχεια γίνεται θραύση και πλύση πριν από τη μεταφορά σε ένα κοντινό διυλιστήριο αλουμίνας που χρησιμοποιεί τη διαδικασία διύλισης Bayer για την παραγωγή αλουμίνας.

Το ζεστό διάλυμα καυστικής σόδας χρησιμοποιείται για τη διάλυση των ορυκτών που περιέχουν αλουμίνιο και βρίσκονται στο βωξίτη (γκιβσίτης, μποχμίτης και διασπόριο), ώστε να σχηματιστεί υπερκορεσμένο διάλυμα αλουμινικού νατρίου, γνωστό ως "pregnant liquor", το οποίο στη συνέχεια αποστέλλεται για πύρωση σε κλίβανο οξειδίου του αλουμινίου (Al2O3), πριν πλυθεί, ξηρανθεί και θερμανθεί ξανά για να απομακρυνθεί τυχόν εναπομείναν νερό κρυστάλλωσης και να παραχθεί αλουμίνα υψηλής καθαρότητας, η οποία στη συνέχεια σχηματίζει ξηρό λευκό αμμώδες υλικό, γνωστό ως "υδρίτης αλουμίνας".

Η αλουμίνα χρησιμοποιείται σε διάφορα προϊόντα, όπως πυρίμαχα υλικά, χημικά προϊόντα και πρώτες ύλες όπως ο γύψος και το διοξείδιο του πυριτίου, ενώ μέρος της ανακυκλώνεται ακόμη και στην ίδια τη διαδικασία διύλισης.

Η διύλιση της αλουμίνας παράγει δύο έως τρεις τόνους αποβλήτων για κάθε τόνο που παράγεται- τα υλικά αυτά, γνωστά ως κόκκινη λάσπη, πρέπει να αντιμετωπίζονται προσεκτικά για να ελαχιστοποιούνται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Αφού εξευγενιστεί, η αλουμίνα χύνεται σε ράβδους για χρήση σε διάφορες εφαρμογές. Μπορεί να κυληθεί σε φύλλα, φύλλα και ράβδους, να τραβηχτεί σε σύρμα που συντίθεται σε καλώδια για γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, να χυτευτεί σε πολύπλοκα σχήματα ή να εξωθηθεί σε προφίλ όπως πλαίσια παραθύρων, μπορεί ακόμη και να ανακυκλωθεί ξανά σε ράβδους - καθιστώντας το αλουμίνιο ένα μέταλλο που ανακυκλώνεται απεριόριστα! Επιπλέον, υπάρχουν διαφορετικά κράματα που προσφέρουν συγκεκριμένες ιδιότητες για να καλύψουν διαφορετικές απαιτήσεις των πελατών.

Ανακύκλωση

Το αλουμίνιο είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα μέταλλα που χρησιμοποιείται σε πολλά προϊόντα, από κουτιά αναψυκτικών μέχρι εξαρτήματα αυτοκινήτων, αλλά δεν απαντάται στη φύση σε καθαρή μορφή. Αντ' αυτού, πρέπει να εξάγεται από πετρώματα βωξίτη που περιέχουν διάφορες μορφές οξειδίων του αλουμινίου και να εξευγενίζεται σε αλουμίνα πριν γίνει τελικά αλουμίνιο σε αυτή τη διαδικασία τριών βημάτων που απαιτεί ενεργειακούς και υδάτινους πόρους.

Στο πλαίσιο της διαδικασίας εξόρυξης, η εξόρυξη αλουμίνας απαιτεί πρώτα την απομάκρυνση των υπερκείμενων στρωμάτων - στρώματα πετρωμάτων και αργίλου που καλύπτουν τον βωξίτη - χρησιμοποιώντας μεθόδους ανατίναξης ή γεώτρησης. Μόλις αποκολληθεί, το υλικό αυτό μπορεί να φορτωθεί σε φορτηγά για μεταφορά σε εργοστάσιο επεξεργασίας αλουμίνας για επεξεργασία.

Σε μια μονάδα επεξεργασίας βωξίτη, το μετάλλευμα θρυμματίζεται για να μειωθεί το μέγεθός του πριν βυθιστεί σε καυτή καυστική σόδα για να διαλυθούν τα ορυκτά που περιέχουν αλουμίνιο, όπως ο γιββσίτης και ο μποχμίτης, πριν διαχωριστεί από το διοξείδιο του πυριτίου για να γίνει υπερκορεσμένο διάλυμα αλουμινικού νατρίου, γνωστό ως pregnant liquor.

Ένα μέρος του υγρού του αργιλίου επεξεργάζεται για τη δημιουργία υδροξειδίου του αλουμινίου, το οποίο αναφέρεται ευρύτερα ως σβησμένος ασβέστης, ενώ το υπόλοιπο αποστέλλεται απευθείας σε ένα διυλιστήριο αλουμίνας όπου τα συστατικά του θα υποστούν χημικές αντιδράσεις που θα το μετατρέψουν σε μέταλλο αλουμινίου.

Η αλουμίνα είναι ένα απαραίτητο βιομηχανικό υλικό, που χρησιμοποιείται για πολλές διαφορετικές εφαρμογές σε βιομηχανίες από την κατασκευή πλαστικών μέχρι τα λειαντικά. Η αλουμίνα παίζει επίσης βασικό ρόλο σε πολλούς τύπους επιβραδυντικών πυρκαγιάς.

Ενώ η εξόρυξη και η διύλιση αλουμίνας μπορεί να είναι σε μεγάλο βαθμό ανακυκλώσιμη, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες περιβαλλοντικές ανησυχίες που σχετίζονται με την εξόρυξη και τη διύλιση της. Σε αυτές περιλαμβάνονται η ηχορύπανση, εργονομικά ζητήματα, κίνδυνοι τραυματισμών και πιτσιλιές καυστικής σόδας στο δέρμα ή στα μάτια. Επιπλέον, τόσο η σκόνη βωξίτη όσο και η σκόνη αλουμίνας έχουν συσχετιστεί με αναπνευστικές επιπλοκές, συμπεριλαμβανομένου του ερεθισμού ή της φλεγμονής των πνευμόνων.

Ορισμένοι εργαζόμενοι έχουν αναφέρει προβλήματα υγείας, όπως καρκίνο, νεφροπάθεια και ηπατική βλάβη, που αποδίδονται στην έκθεση σε σκόνη βωξίτη και αλουμίνας, καθώς και σε διάφορους μολυσματικούς παράγοντες- ωστόσο, μελέτες που έχουν διεξαχθεί έχουν διαπιστώσει ότι οι τρέχουσες βέλτιστες πρακτικές στην εξόρυξη και τη διύλιση δεν φαίνεται να αυξάνουν τους κινδύνους αυτών των προβλημάτων.