Alumiinin louhinnan monimutkaisuus

Alumiinin louhinta bauksiitista on yksi maailman monimutkaisimmista teollisista prosesseista, ja siihen liittyy valtavasti tieteellistä ja teknistä huippuosaamista, jolla varmistetaan tämän välttämättömän metallin keskeytymätön saanti.

Happoprosessissa käytetään rikki-, suolahappo- tai typpihappoa liuottimena epäpuhtauksien, kuten rauta- ja titaanioksidien, liuottamiseksi pois bauksiitista. XRD-kuviot osoittivat, että alkalipitoisuuden kasvaessa alumiinioksidin uuttosuhde kasvoi.

Ruoansulatus

Alumiini on yksi maapallon runsaimmista metalleista, mutta sen puhdasta muotoa ei löydy luonnosta. Sen sijaan sen louhinta vaatii useita vaiheita, joihin kuuluu mädättämistä, selkeyttämistä, saostamista ja kalsinointia, jotta lopputuotteeksi saadaan alumiinia. Tämän vuoksi alumiini on yksi maailman energiaintensiivisimmistä teollisuustuotteista.

Mädätys on keskeinen vaihe Bayer-prosessissa, jossa alumiinia uutetaan bauksiittimalmista. Monet tekijät vaikuttavat prosessin tehokkuuteen, kuten lietteen lämpötila, natriumhydroksidipitoisuus ja natriumhydroksidisuhde; mädätysnopeuden optimoimiseksi lämpötilaa voitaisiin alentaa, natriumhydroksidisuhdetta lisätä tai natriumhydroksidipitoisuutta nostaa, mutta nämä toimenpiteet olisivat jalostamoille todennäköisesti tarpeettoman kalliita ja hankalia.

Osana mädätysprosessia suurin osa bauksiitin raudasta muuttuu itsenäisen faasin ilmeniitiksi, kun taas ei-magneettinen aines jää diaoyudaoite- ja natriumalumiinisilikaattina. Ei-magneettisten aineiden erottaminen parantaa alumiinioksidin pilkkoutumista; sen rakenteessa olevien suljettujen mineraalien vuoksi diaoyudaoite ei kuitenkaan välttämättä pilkkoudu helposti matalammissa pilkkoutumislämpötiloissa.

Alumiinin tuotantoon liittyvät keskimääräiset energiakustannukset vaihtelevat suuresti eri maiden välillä, mikä johtuu muun muassa käytetystä teknologiasta, käytetystä bauksiitista ja mädätysprosesseista, jotka poikkeavat suuresti toisistaan. On kuitenkin olemassa tiettyjä yhteisiä tekijöitä, jotka lisäävät energiankulutusta, kuten

Mädätysprosessi muodostaa suurimman osan alumiinioksidin valmistuksen energiankulutuksesta, sillä se vaatii sähköä ja vettä lietteen lämmittämiseen ja sekoittamiseen sekä saven epäpuhtauksien pesemiseen siitä. Jotta mädätysprosessi olisi optimaalinen ja energianhukkaa voitaisiin vähentää, tutkijoiden on tutkittava sen hyödyntämiseen liittyviä nykyisiä olosuhteita. Tutkijat voivat saavuttaa tämän keräämällä tietoja ja tietoja asiakirjakeskuksesta ja haastattelemalla tuotantolinjan asiantuntijoita, minkä jälkeen he voivat verrata mädätysprosessin nykytilaa sen alkuperäiseen suunnitteluun suurimpien poikkeamien löytämiseksi.

Selvennys

Alumiinin louhinta voi olla monimutkainen ja energiaa kuluttava prosessi, mutta se on kuitenkin välttämätön monissa kaupallisissa ja teollisissa sovelluksissa. Siksi tämän monimutkaisen menettelyn ymmärtäminen on erittäin tärkeää sen onnistumisen varmistamiseksi - kaaviot voivat auttaa valaisemaan tuotannon aikana tapahtuvia kemiallisia reaktioita, jotka muodostavat tämän monimutkaisen menettelyn, ja niiden merkitystä sen toteuttamisessa.

Yksi tärkeimmistä vaiheista on bauksiitin jalostaminen alumiinioksidiksi ja lopulta alumiinimetalliksi joko elektrolyysin tai Bayerin prosessin avulla. Molemmilla menetelmillä saadaan luotettavasti alumiinimetallia näiden prosessien avulla. Molemmat ovat riippuvaisia elektrolyysistä tuotantolähteenä.

Bauksiittimalmi on runsas alumiinin lähde, ja se vaatii huomattavaa käsittelyä, jotta se voidaan muuntaa alumiinioksidipitoiseksi liuokseksi, joka on valmis seuraavaa vaihetta varten. Mädättämisessä bauksiittimalmi murskataan ennen kuin se sekoitetaan kuumaan väkevään natriumhydroksidiliuokseen alumiinioksidipitoisuuden liuottamiseksi, jolloin saadaan kirkasta liuosta. Seuraavaksi on vuorossa selkeytys, jossa epäpuhtaudet (joita kutsutaan yhteisesti punalietteeksi) erotetaan, ennen kuin saostus ja kalsinointi voidaan suorittaa selkeytetyssä nesteessä.

Alumiinioksidin muuttaminen puhtaaksi alumiiniksi edellyttää sulattamista elektrolyysin avulla. Alumiinioksidin ja natriumhydroksidin seos asetetaan tämän jälkeen kryoliitti-liuokseen (natriumalumiinifluoridi), jossa tämän tilan säilyttämiseen on käytettävä poikkeuksellisen paljon energiaa; yhden tonnin alumiinioksidin tuottamiseen tarvitaan 14 000-16 000 kilowattituntia.

Prosessin aikana syntyvä lämpö saa aikaan sähkökemiallisen reaktion. Kun sähkövirta kulkee järjestelmän läpi, anodilla syntyy happea, joka yhdistyy hiilen kanssa hiilidioksidikaasuksi; jäljelle jäävä sula alumiini kerääntyy katodille, joka on vuorattu grafiitilla tai hiilellä; se imetään ajoittain pois ja kuljetetaan pitouuneihin; kun sitä on jalostettu edelleen ja siihen on lisätty seosaineita tarpeen mukaan, se valetaan harkoiksi tulevia sovelluksia varten.

Sademäärä

Yksi alumiinioksidin uuttamisen tärkeimmistä vaiheista on saostus. Saostusreaktioita on monenlaisia; tarkoituksena on uuttaa alumiinihydroksidikiteitä jätevirroista. Karl Bayer käytti alkuperäisessä kehitystyössään siemenenä hienorakeisia kiteitä; tämä lähestymistapa lisää saantoa, mutta se voi johtaa korkeampiin karbonaattipitoisuuksiin ja lisätä epäpuhtauksien, kuten piidioksidin, tuotantoa, mikä vähentää alumiinin talteenottoa.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi useissa tutkimushankkeissa arvioidaan parhaillaan erilaisten ioninvaihtohartsien tehokkuutta saostuksen tehokkuuden parantamisessa. Ioninvaihtohartsit ovat suuren molekyylipainon polymeerimateriaaleja, joissa kussakin molekyylissä on lukuisia ionifunktionaalisia ryhmiä, tyypillisesti joko sulfonihapporyhmiä tai karboksyylihapporyhmiä vaihtoa varten. Molempia hartsityyppejä voidaan käyttää soodan erottamiseen emäksisistä liuoksista, mikä johtaa sekä emäksisten aineiden kokonaismäärän (TC) että alkalien kokonaismäärän (TA) vähenemiseen. Lisäksi kationinvaihtohartsit voivat neutraloida käytetyssä Bayer-liuoksessa olevia natriumioneja, mikä lisää ylikylläisyyttä suhteessa alumiinioksidin liukoisuuteen.

Eri karbonatisointiolosuhteissa havaittiin, että hapen läsnäolo vaikutti saostumisnopeuteen suotuisasti. Tarkemmin sanottuna lämpötila, jossa saostuminen alkoi, nousi huomattavasti, kun taas saostuman XRD-analyysi osoitti, että se sisälsi dawsoniittia, kuten termodynaamiset laskelmat ennustivat.

Alumiinin saostaminen on yksi kriittisimmistä ja vaikeimmista vaiheista alumiinin valmistuksessa bauksiitin mädättämisestä. Saostuksen on tapahduttava alumiinioksidihydroksidin tuottamiseksi alumiinisulattojen kalsinointiuunien kulutusta varten, minkä vuoksi jalostuslaitoksissa käytettävien suodatin- ja erotuslaitteiden on toimittava erittäin tiukoissa olosuhteissa.

Alumiinilaitoksissa käytettävien suodatus- ja erottelulaitteiden on oltava vankkoja, kestäviä, luotettavia ja pitkäikäisiä, jotta ne voivat toimia asianmukaisesti vaikeissa olosuhteissa, kuten korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, ja samalla niiden on poistettava erittäin hankaavat bauksiittijäämät, jotka voivat vaurioittaa muita laitteita, kuten pumppuja, sekoittimia ja sekoittimia. Näin ollen tällaisissa laitoksissa on maailman parhaita suodatus- ja erottelulaitteita.

Kalsinointi

Kalsinointi on prosessin viimeinen synteettinen vaihe, ja se vaikuttaa monin tavoin alumiinioksidin morfologiaan, faasikoostumukseen ja kemialliseen koostumukseen. Lämpötila ja reaktion kesto vaikuttavat tyypillisesti eniten; lämpötila olisi asetettava halutun morfologian/koostumuksen tavoitteiden sekä alumiinioksidimateriaalin valmistus- tai muiden käyttötarkoitusten mukaan; lopputuloksen saavuttamiseen tarvittava aika määrää sen keston.

Yleisimmin käytetyssä kalsinointimenetelmässä kaoliinisavea liuotetaan suolahapolla ennen alumiinikloridiheksahydraattikiteiden saostamista suolahapolla ja sen jälkeen kalsinoidaan korkeassa lämpötilassa ilmassa alumiinioksidin tuottamiseksi. Tällä menetelmällä on monia etuja rikki- tai typpihappoa käyttäviin prosesseihin verrattuna, sillä suolahappo on helpompi regeneroida kuin sen vaihtoehdot.

Aikaisemmissa kalsinointimenetelmissä heksahydraattikiteiden nostamiseen yli 500-1 100 celsiusasteen lämpötilaan alumiinioksidin tuotantoa varten käytettiin huomattavaa energiaa, mutta suuri osa tästä energiasta kului matalissa lämpötiloissa yhdistetyn veden uuttamiseen ja heksahydraattikiteisen kiteisen olomuodon välikiteiden nostamiseen. Lisäksi kukin vaihe kulutti vain osan käytettävissä olevasta kokonaisenergiasta.

On kehitetty innovatiivinen kalsinointiprosessi, joka vähentää merkittävästi energiankulutusta sekä kalsinoinnin korkeassa lämpötilassa että jäähdytysvaiheessa, mikä alentaa merkittävästi alumiinioksidin valmistuksen kokonaisenergiantarvetta. Sen ytimessä on lämmönvaihtojärjestelmä, jossa heksahydraattia lämmitetään vaiheittain useiden lämmönvaihtovaiheiden kautta asteittain korkeampiin lämpötiloihin, jotka lähestyvät kalsinointilämpötilaa, ennen kuin se syötetään kalsinointilaitteeseen lopullista alumiinioksidiksi muuttamista varten. Heksahydraatti jäähdytetään edelleen eri lämmönvaihtovaiheiden kautta, jolloin tuntuva lämpö siirretään jäähdytysvaiheista lämmitysvaiheisiin vain hieman korkeammissa lämpötiloissa kuin missä se kuluu kyseisessä vaiheessa.