La complexité de l'extraction de l'aluminium

L'extraction de l'aluminium à partir de la bauxite est l'un des processus industriels les plus complexes au monde, impliquant un immense travail d'excellence scientifique et d'ingénierie qui garantit un approvisionnement ininterrompu de ce métal essentiel.

Le procédé acide utilise des acides sulfurique, chlorhydrique ou nitrique comme solvants pour extraire de la bauxite les impuretés telles que les oxydes de fer et de titane. Les diagrammes XRD ont montré que le taux d'extraction de l'alumine augmentait avec la concentration d'alcali.

Digestion

L'aluminium est l'un des métaux les plus abondants sur Terre, mais sa forme pure ne se trouve pas à l'état naturel. Son extraction nécessite de nombreuses étapes de digestion, de clarification, de précipitation et de calcination afin d'obtenir le produit final, ce qui fait de l'aluminium l'un des produits industriels les plus énergivores au monde.

La digestion est une étape clé du processus Bayer d'extraction de l'aluminium à partir du minerai de bauxite. De nombreux facteurs influencent ses performances, notamment la température de la boue, la concentration de soude caustique et le taux de caustique ; pour optimiser le taux de digestion, on pourrait abaisser la température, augmenter le taux de caustique ou utiliser des concentrations de caustique plus élevées, mais ces mesures s'avéreraient probablement plus coûteuses et plus gênantes pour les raffineries que ce qui est nécessaire.

Dans le cadre du processus de digestion, la majeure partie du fer contenu dans la bauxite est transformée en ilménite en phase indépendante, tandis que les matières non magnétiques restent sous forme de diaoyudaoïte et d'aluminosilicate de sodium. La séparation des matériaux non magnétiques améliore la digestion de l'alumine ; cependant, en raison des minéraux fermés présents dans sa structure, la diaoyudaoïte peut ne pas se digérer facilement à des températures de digestion plus basses.

Les coûts énergétiques moyens associés à la production d'alumine varient considérablement d'un pays à l'autre en raison de facteurs tels que le type de technologie utilisé, la bauxite utilisée et les procédés de digestion qui varient considérablement d'un pays à l'autre. Il existe cependant certains facteurs communs qui contribuent à l'augmentation de la consommation d'énergie :

Le processus de digestion représente la majeure partie de la consommation d'énergie lors de la production d'alumine, car il nécessite de l'électricité et de l'eau pour chauffer et remuer la boue, ainsi que pour la débarrasser des impuretés argileuses qu'elle contient. Pour optimiser la digestion et réduire le gaspillage d'énergie, les scientifiques doivent étudier les conditions actuelles de son utilisation. Pour ce faire, ils recueillent des données et des informations auprès du centre de documentation et interrogent des experts de la chaîne de production, puis comparent l'état actuel du processus de digestion à sa conception d'origine, afin d'identifier les principaux écarts.

Clarification

L'extraction de l'aluminium est un processus complexe et énergivore, mais essentiel pour de nombreuses applications commerciales et industrielles. Les diagrammes peuvent aider à mettre en lumière les réactions chimiques qui se produisent au cours de la production et qui constituent cette procédure complexe, ainsi que leur importance pour sa mise en œuvre.

L'une des étapes clés consiste à raffiner la bauxite en alumine et, finalement, en aluminium métal, soit par électrolyse, soit par le procédé Bayer. Les deux procédés permettent d'obtenir un approvisionnement fiable en aluminium métal. Ils dépendent tous deux de l'électrolyse comme source de production.

Le minerai de bauxite est une source abondante d'aluminium et nécessite un traitement important pour être converti en une solution riche en alumine prête pour l'étape suivante. La digestion consiste à broyer le minerai de bauxite avant de le mélanger à des solutions concentrées et chaudes d'hydroxyde de sodium afin de dissoudre sa teneur en alumine, ce qui donne une liqueur claire. L'étape suivante est la clarification, où les impuretés (collectivement connues sous le nom de boue rouge) sont séparées avant que la précipitation et la calcination puissent avoir lieu sur le liquide clarifié.

Pour transformer l'alumine en aluminium pur, il faut procéder à une fusion par électrolyse. Un mélange d'alumine et d'hydroxyde de sodium est ensuite placé dans une solution de cryolithe (fluorure de sodium et d'aluminium), où une quantité extraordinaire d'énergie doit être dépensée pour maintenir cet état ; pour produire une tonne d'alumine, il faut 14 000 à 16 000 kilowattheures.

La chaleur générée au cours de ce processus entraîne une réaction électrochimique. Le courant électrique qui traverse le système produit de l'oxygène à l'anode et se combine au carbone pour former du gaz carbonique ; l'aluminium fondu restant s'accumule à la cathode, qui est recouverte de graphite ou de carbone ; il est aspiré périodiquement et transporté vers des fours de maintien ; une fois raffiné et additionné d'éléments d'alliage selon les besoins, il est coulé en lingots pour de futures applications.

Précipitations

L'une des étapes clés de l'extraction de l'alumine est la précipitation. Les réactions de précipitation se présentent sous différentes formes ; dans le but d'extraire les cristaux d'hydroxyde d'aluminium des flux de déchets, Karl Bayer a utilisé des cristaux à grains fins comme semences pour son travail de développement initial. Karl Bayer a utilisé des cristaux à grains fins comme semences pour son travail de développement initial ; cette approche augmente le rendement mais peut entraîner des concentrations plus élevées de carbonate et augmenter la production d'impuretés telles que la silice qui réduit le taux de récupération de l'aluminium.

Pour relever ces défis, plusieurs projets de recherche évaluent actuellement l'efficacité de différentes résines échangeuses d'ions pour améliorer l'efficacité de la précipitation. Les résines échangeuses d'ions sont des matériaux polymères de poids moléculaire élevé contenant de nombreux groupes fonctionnels ioniques dans chaque molécule, comprenant généralement des groupes d'acide sulfonique ou d'acide carboxylique pour l'échange. Les deux types de résines peuvent être utilisés pour extraire la soude des solutions caustiques, ce qui entraîne une diminution de la quantité totale de caustique (TC) et de la quantité totale d'alcali (TA). En outre, les résines échangeuses de cations peuvent neutraliser les ions sodium présents dans la liqueur de Bayer usée, ce qui entraîne une augmentation de la sursaturation par rapport à la solubilité de l'alumine.

Dans différentes conditions de carbonatation, il a été observé que la présence d'oxygène avait un impact bénéfique sur les taux de précipitation. Plus précisément, la température à laquelle la précipitation a commencé a considérablement augmenté, tandis que l'analyse XRD du précipité a montré qu'il contenait de la dawsonite, comme prévu par les calculs thermodynamiques.

La précipitation de l'alumine est l'une des étapes les plus critiques et les plus difficiles de la production d'aluminium à partir de la digestion de la bauxite. La précipitation doit avoir lieu pour produire de l'hydroxyde d'alumine destiné aux fours de calcination des fonderies d'aluminium ; par conséquent, les équipements de filtrage et de séparation utilisés dans les usines de traitement doivent fonctionner dans des conditions extrêmement rigoureuses.

Les équipements de filtration et de séparation que l'on trouve dans les usines d'alumine doivent être robustes, durables, fiables et pérennes pour fonctionner correctement dans des environnements difficiles, notamment des températures et des pressions élevées, tout en éliminant les résidus de bauxite très abrasifs qui peuvent endommager d'autres équipements comme les pompes, les mélangeurs et les agitateurs. C'est pourquoi on trouve dans ces usines certains des meilleurs équipements de filtration et de séparation au monde.

Calcination

La calcination est la dernière étape synthétique du processus et a de multiples influences sur la morphologie, la composition des phases et la composition chimique de l'alumine. La température et la durée de la réaction ont généralement la plus grande influence ; la température doit être fixée en fonction des objectifs de morphologie/composition souhaités ainsi que de la fabrication ou d'autres utilisations de ce matériau d'alumine ; le temps nécessaire pour atteindre ce résultat dictera sa durée.

La méthode de calcination la plus répandue consiste à lixivier les argiles kaoliniques avec de l'acide chlorhydrique avant de précipiter les cristaux de chlorure d'aluminium hexahydraté avec de l'acide chlorhydrique, puis de les calciner à haute température avec de l'air pour produire de l'alumine. Cette approche présente de nombreux avantages par rapport aux procédés utilisant les acides sulfurique ou nitrique, car il est plus facile de régénérer l'acide chlorhydrique que ses alternatives.

Les procédés de calcination antérieurs consommaient une énergie considérable pour élever les cristaux hexahydratés au-dessus de 500-1 100 degrés Celsius pour la production d'alumine, mais une grande partie de cette énergie était consommée au cours des étapes à basse température pour extraire l'eau combinée et élever les formes cristallines intermédiaires de la forme cristalline hexahydratée. En outre, chaque étape n'a consommé qu'une partie de l'énergie totale disponible.

Un procédé de calcination innovant a été mis au point, qui réduit considérablement l'utilisation d'énergie à la fois dans les étapes de calcination à haute température et de refroidissement, réduisant ainsi de manière significative les besoins énergétiques totaux pour la production d'alumine. Au cœur de ce procédé se trouve un système d'échange de chaleur qui utilise le chauffage progressif de l'hexahydrate à travers de multiples étapes d'échange de chaleur jusqu'à des températures de plus en plus élevées, proches de la température de calcination, avant de l'introduire dans un four de calcination pour la conversion finale en alumine. L'hexahydrate est ensuite refroidi à travers divers stades d'échange de chaleur, la chaleur sensible étant transférée des stades de refroidissement aux stades de chauffage à des températures à peine plus élevées que celles auxquelles elle est consommée dans ce stade particulier.