Boksiidi kaevandamine ja alumiiniumoksiidi rafineerimine

Umbes 85% ulatuses kasutatakse maailma boksiiditoodangut alumiiniumoksiidi tootmise lähteainena. Austraalias kaevandatakse ja rafineeritakse alumiiniumoksiidi Queenslandis, Lääne-Austraalias, Põhjaterritooriumil ja Tasmaanias, kasutades parimaid kaevandamis- ja rafineerimistavasid, mis ei põhjusta tõsiseid töötervishoiualaseid riske.

Charles Hall Ameerikas ja Paul Heroult Prantsusmaal töötasid 1886. aastal iseseisvalt välja ökonoomse meetodi alumiiniumi tootmiseks sulakrioliidi elektrolüüsi teel; see sai tuntuks Bayeri protsessina.

Kaevandamine

Alumiinium on üks looduses kõige rohkem esinevaid elemente, kuid seda ei ole võimalik puhast kujul kaevandada. Selle asemel esineb see kivimites ja setetes mitmesuguste ühenditena, kusjuures maailma peamine allikas on boksiit, mida tuleb kaevandada ja rafineerida alumiiniumoksiidiks, enne kui sellest saab alumiiniumi toota kaevandustes üle kogu maailma.

Alumiiniumi kaevandamis- ja rafineerimisprotsessid tekitavad märkimisväärseid jäätmekoguseid, sealhulgas suuri koguseid mürgiseid jäätmeid, nagu TENORM, mis on seotud mitmete terviseprobleemidega, sealhulgas fibroosiga, mesotelioomiga ja kopsuhaigustega. Lisaks leostuvad raskmetallid jäätmehunnikutest veekogudesse, saastades neid potentsiaalselt ohtlikul tasemel, mis ohustab keskkonna terviklikkust.

Alumiiniumoksiidi tootmisega seotud keskkonnamõjude vähendamiseks investeeritakse märkimisväärseid vahendeid kaevanduste taastamisse ja looduslike elupaikade taastamisse. Kahjuks kaasnevad selle tegevusega teatud riskid kaevandus- ja rafineerimissektori töötajatele, kes võivad olla haavatavad hingamis- ja nahahaigustele, sealhulgas mesotelioomile, naha- ja neeruvähile, degeneratiivsetele kopsuhaigustele või kogukonnas levivatele nakkushaigustele, nagu malaaria või dengue-palavik, kui piirkonnas esineb sääski.

Boksiidi kaevandamisel kasutatakse tavaliselt avakaevandamise meetodeid ning suurema osa maailma boksiidist toodetakse Austraalias, Guineas ja Hiinas. Kuna enamik boksiidist leidub troopilistes piirkondades, tuleb seda ka seal kaevandada, kusjuures suured kaevandusettevõtted tegutsevad üldjuhul sadamarajatiste lähedal, kus on kättesaadav kvalifitseeritud tööjõud.

Bayer-meetodi kohaselt purustatakse, pestakse ja jahvatatakse boksiit enne selle lahustamist kaustilises soodas kõrge rõhu ja temperatuuri tingimustes, et saada naatriumaluminaadi üleküllastunud lahus, mida nimetatakse rikkalikuks lahuseks, mis pumbatakse seejärel kõrgetesse mahutitesse, mida nimetatakse sadestusmahutiteks, kuhu lisatakse alumiiniumhüdroksiidi seemneid, et soodustada tahke alumiiniumhüdroksiidi kristallide sadestumist rikkaliku lahuse jahtumisel – see sadestunud alumiiniumoksiid filtreeritakse seejärel ja suunatakse otse boksiidijääkide ladustamisaladele.

Ettevalmistus

Alumiinium on üks Maal kõige rohkem leiduv element, mida iseloomustavad kergus, vormitavus, venivus ja korrosioonikindlus. Kahjuks ei esine alumiinium looduses metallilises vormis ning seetõttu tuleb seda tootmiseks kaevandada. Boksiit tuleb esmalt töödelda alumiiniumoksiidiks. Pärast tootmist saab sellest ainest vormida erinevaid kujundeid, nagu näiteks alumiiniumrullid, toorikud, valuplokid ja toorvalud, kuni lõpuks saavutatakse metallilise alumiiniumi tootmine.

Boksiit on alumiiniumi peamine allikas ning esineb tavaliselt mitmesugustel magmakivimitel ilmastiku mõjul tekkinud kihina, mida nimetatakse lateriidiks või durikrustiks ja mis koosneb alumiiniumoksiidist, raudoksiidist ja ränidioksiidist. Ainult neid maardlaid, mis sisaldavad vastavalt 65 ja 85 protsenti alumiiniumi sisaldavat gibbsiiti ja boehmiiti, saab alumiiniumoksiidi tootmiseks majanduslikult kasulikult kasutada; selliseid maardlaid leidub peamiselt ekvaatori mõlemal poolel.

Kuumad kaustilise sooda lahused kasutatakse boksiidis sisalduvate alumiiniumisisaldavate mineraalide (gibbsiit, boehmiit ja diaspoor) lahustamiseks. Seda protsessi nimetatakse lagundamiseks või leostamiseks ning selle tulemusel tekkivat üleküllastunud naatriumaluminaadi lahust nimetatakse rikastatud lahuseks. Pärast eraldamist alumiiniumoksiidist tuleb boksiidis sisalduv lahustumatu ränidioksiid filtreerimise teel eraldada filtreerimise järel järele jäänud punasest mudast, mis lõpuks pärast filtreerimist kõrvaldatakse.

Lagundamiseks on vaja suuri veekoguseid. Vett on vaja ka vesilahusliku kaustilise sooda ja muude kemikaalide tootmiseks; maagi, jääkide, ringlussevõetud kaustilise sooda jäätmete ja muude jäätmete pesemiseks; samuti tolmu vähendamiseks. Veekasutus varieerub tehasteti sõltuvalt boksiidi kvaliteedist, tehase ehitusest ja vee kättesaadavusest asjaomases piirkonnas.

Traditsioonilised tootmismeetodid nõudsid kaltsiumfluoriidi lisamist kaltsineerimise käigus, et vähendada naatriumi sisaldust alumiiniumoksiidi lähteaines; kuid seoses muredega fluoriidi heitmete suhtes atmosfääri on sellest tavast nüüdseks loobutud. Nende nõuete tõttu on tulnud välja töötada uued madala naatriumisisaldusega alumiiniumoksiidi töötlemistehnoloogiad. Selle meetodi abil toodetud alumiiniumoksiid jahvatatakse hõõrdveskis äädikhappe abil, et eemaldada sooda ja toota madala naatriumisisaldusega tooteid. Alumiiniumoksiidi sadestamiseks on vaja läbi viia soolhappe gaasiga läbipuhutamine, et moodustuksid alumiiniumoksiidkloriidi heksahüdraadi kristallid, mida seejärel filtreeritakse, tsentrifuugitakse, pestakse soolhappega, filtreeritakse uuesti ja lahustatakse seejärel kuumas vees, et saada edasiseks töötlemiseks sobiv alumiiniumoksiidi (ALO) suspensioon.

Rafineerimine

Igapäevaselt kasutatav alumiinium toodetakse keerulise keemiliste reaktsioonide ahela kaudu, mis algab boksiidi rafineerimisega. Alumiiniumoksiid (Al₂O₃) on tooraineks esmase alumiiniumi tootmisel elektrolüütilise meetodi abil; selle kasutusvaldkonnad ulatuvad aga kaugele väljapoole esmast tootmist; ühe tonni esmase alumiiniumi tootmiseks on vaja ligikaudu kaks tonni alumiiniumoksiidi; tegelikult mängib see olulist rolli ka paljude teiste kemikaalide puhul, näiteks kõrgtemperatuursete pöördahjude ja ahjude vooderdamiseks kasutatavate tulekindlate materjalide koostises, abrasiivmaterjalina, abrasiivainena ja isegi veepuhastusprotsessides.

Suurem osa boksiidi kaevandamisest toimub avakaevandamise meetoditega, kusjuures kolm riiki – Austraalia, Hiina ja Guinea – annavad 72% ülemaailmsest toodangust. Boksiit kaevatakse maapinnast välja selliste meetoditega nagu lõhkamine, puurimine ja suurte buldooseritega kaevamine, enne kui see veetakse edasiseks töötlemiseks otse lähedal asuvatesse alumiiniumoksiidi rafineerimistehastesse.

Alumiiniumoksiidi rafineerimine on keerukas neljaetapiline protsess. Esmalt tuleb boksiit pesta ja filtreerida, et eemaldada sellest lisandeid, nagu näiteks ränidioksiid. Seejärel kuumutatakse rohelist lahust ahjus kõrge temperatuurini, segades seda kaustilise soodaga, kuni sadestusnõudes toimub kristalliseerumine, kus sadestusseadmete abil on sinna lisatud alumiiniumhüdroksiidilahuse seemneosakesi; sadestumine soodustab seejärel alumiiniumhüdroksiidilahuse edasist kasvu, enne kui protsess liigub edasi järgmistesse rafineerimisetappidesse.

Alumiiniumoksiidi rafineerimistehastes ja kaevanduste töökodades toimub sageli keevitustöid, mille tagajärjel puutuvad töötajad kokku suitsu ja tolmuga, mis võivad põhjustada hingamisteede haigusi ja vigastusi. Seetõttu tuleks kehtestada kontrollimeetmed, et minimeerida seda ohtu, vibratsiooniga kokkupuudet ja ohtlike ainete kokkupuudet, kuna troopilistes piirkondades, kus välistingimustes töötamine on norm, tekivad muud töötervishoiu probleemid, mis võivad suurendada töötajate kuumakoormust, samas kui kogu keha vibratsioonist tingitud väsimus on seotud selliste masinate kasutamisega nagu kraapad, puurplatvormid, veokid või ekskavaatorid.

Sulatus

Alumiiniumoksiid on alumiiniumi tootmiseks vajalik peamine tooraine. Seda toodetakse neljaetapilise protsessi abil, mida tuntakse Bayeri protsessina – nimetatud selle väljatöötaja Karl Josef Bayeri järgi. Boksiidimaak jahvatatakse peeneks ja suunatakse auruga köetavasse keedukambrisse, kus seda segatakse rõhu all kaustilise sooda lahusega, moodustades naatriumaluminaadi lahuse (roheline vedelik), samal ajal kui kaustilise sooda jäägid suunatakse toorainena tagasi keetmisprotsessi; Seejärel saab alumiiniumoksiidi eraldada aurustamise ja kristalliseerimise teel, mille tulemusena tekib valge pulber, mida nimetatakse gibbsiidiks.

Alumiiniumoksiidi redutseerimine valuplokkideks >>Tootmise redutseerimisetapis lahustub alumiiniumoksiid nn redutseerimispottides – sügavates ristkülikukujulistes terasest anumates, mis on vooderdatud süsiniku või grafiidiga ja milles on krüoliit-elektrolüüt. Selle segu läbi voolab elektrivool, kusjuures süsinikanoodid toimivad katoodidena; alumiiniumoksiidist eralduv alumiinium ja hapnik reageerivad süsinikanoodiga, tekitades süsinikdioksiidi, mis omakorda reageerib metallilise alumiiniumiga katoodina, tekitades süsinikdioksiidi, mille järel jäävad alles metallilised alumiiniumanoodid, jättes katoodile ainult metallilise alumiiniumi; seejärel suunatakse see hoidmisahjudesse, kus eemaldatakse lisandid, lisatakse legeerelemendid ja valatakse valuplokkideks.

Alumiiniumoksiidi valuplokke kasutatakse mitmesuguste toodete valmistamiseks. Neid saab valtsida lehtmetalliks, fooliumiks ja varrasteks; ekstrudeerida traadi tootmiseks kasutatavateks pikkadeks varrasteks; või valmistada kuiv-isostaatilise pressimise või valamise teel pikkadeks varrasteks, mida kasutatakse traadi tootmisel. Alumiiniumvalukangidest võib samuti vormida erinevaid kujundeid kuum- või külmvaltsimise, libistamisvalamise, survevalamise või süstvormimise tehnikate abil.

Kaevandamis-, rafineerimis- ja sulatusettevõtted püüavad oma keskkonnamõju minimeerida, kasutades energiatõhusaid seadmeid ja arendades ringlussevõtu protsesse. Kui kaevandamistööd on lõppenud, tehakse jõupingutusi, et taastada maa algne seisund niipea, kui kaevandamine lõpeb. Õhusaastet on võimalik kontrollida piisavate ventilatsioonisüsteemide ning õhusaaste kontrollseadmete, nagu gaasipuhastite abil. Veereostust on võimalik leevendada räbu, vedelate jäätmete ja gaaside ringlussevõtu kaudu nende taaskasutamiseks.