Az alumínium kinyerésének összetettsége

A bauxitból történő alumíniumbányászat a világ egyik legösszetettebb ipari folyamata, amely hatalmas tudományos és mérnöki munkát igényel, és amely biztosítja ennek az alapvető fontosságú fémnek a folyamatos ellátását.

A savas eljárás kén-, sósav- vagy salétromsavat használ oldószerként a bauxitból a szennyeződések, például a vas- és titán-oxidok kioldásához. Az XRD-minták azt mutatták, hogy a lúgkoncentráció növekedésével a timföldkivonás aránya is nőtt.

Emésztés

Az alumínium az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló fém a Földön, tiszta formája azonban a természetben nem található meg. Ehelyett a kitermelése számos fázist igényel, beleértve az emésztést, a tisztítást, a kicsapást és a kalcinálást, hogy elérje a végtermék állapotát - ez teszi az alumíniumot a világ egyik legintenzívebb ipari termékévé.

Az emésztés a bauxitércből történő alumíniumkivonás Bayer-folyamatának egyik kulcsfontosságú lépése. Az emésztés teljesítményét számos tényező befolyásolja, többek között az iszap hőmérséklete, a nátronlúg koncentrációja és a lúg aránya; az emésztési sebesség optimalizálása érdekében csökkenthető a hőmérséklet, növelhető a lúg aránya vagy nagyobb lúgkoncentrációt lehet alkalmazni, de ezek az intézkedések valószínűleg a szükségesnél költségesebbnek és kényelmetlenebbnek bizonyulnának a finomítók számára.

A feltárási folyamat részeként a bauxitban lévő vas nagy része független fázisú ilmenitté alakul át, míg a nem mágneses anyag diaoyudaoite és nátrium-aluminoszilikát formájában megmarad. A nem mágneses anyagok leválasztása javítja a timföld feltárását; azonban a szerkezetében jelenlévő zárt ásványok miatt a diaoyudaoit alacsonyabb feltárási hőmérsékleten nehezen bomlik fel.

A timföldgyártáshoz kapcsolódó átlagos energiaköltségek országonként nagymértékben eltérnek az olyan tényezők miatt, mint az alkalmazott technológia típusa, a felhasznált bauxit és a feltárási folyamatok, amelyek nagymértékben eltérnek egymástól. Vannak azonban bizonyos közös tényezők, amelyek hozzájárulnak a megnövekedett energiafelhasználáshoz, többek között:

A timföldgyártás során a legtöbb energiát az emésztési folyamat emészti fel, mivel áramra és vízre van szükség az iszap felmelegítéséhez és keveréséhez, valamint az agyagszennyeződések kimosásához. Ahhoz, hogy az emésztés optimális legyen, és csökkenjen az energiapazarlás, a tudósoknak tanulmányozniuk kell a felhasználást körülvevő jelenlegi körülményeket. A tudósok ezt úgy érhetik el, hogy adatokat és információkat gyűjtenek a dokumentációs központból, és megkérdezik a gyártósor szakértőit, majd összehasonlítják az emésztési folyamat jelenlegi állapotát az eredeti kialakítással, hogy megállapítsák a főbb eltéréseket.

Pontosítás

Az alumínium kinyerése összetett és energiaigényes folyamat, ugyanakkor számos kereskedelmi és ipari alkalmazáshoz nélkülözhetetlen. Ezért ennek az összetett eljárásnak a megértése a siker érdekében rendkívül fontos - a diagramok segíthetnek megvilágítani a termelés során lejátszódó kémiai reakciókat, amelyek ezt az összetett eljárást alkotják, és azok jelentőségét a megvalósítás szempontjából.

Az egyik legfontosabb lépés a bauxit finomítása timfölddé és végül alumíniumfémmé, elektrolízis vagy Bayer-eljárás útján. Mindkét eljárás megbízható alumíniumfém-ellátást biztosít ezeken az eljárásokon keresztül. Mindkettő az elektrolízistől függ, mint termelési forrástól.

A bauxitérc bőséges alumíniumforrás, és jelentős feldolgozást igényel ahhoz, hogy a következő fázisra kész, timföldben gazdag oldattá alakuljon át. Az emésztés során a bauxitércet összetörik, majd forró, koncentrált nátrium-hidroxid-oldattal keverik össze, hogy feloldják a timföldtartalmát, és tiszta folyadékot kapjanak. Ezután következik a tisztítás, ahol a szennyeződéseket (amelyeket együttesen vörösiszapnak neveznek) választják ki, mielőtt a tisztított folyadékon kicsapás és kalcinálás történhetne.

A timföld tiszta alumíniummá alakításához elektrolízis útján történő olvasztás szükséges. A timföld-nátrium-hidroxid keveréket ezután kriolitoldatba (nátrium-alumínium-fluorid) helyezik, ahol rendkívüli mennyiségű energiát kell fordítani ennek az állapotnak a fenntartására; egy tonna timföld előállításához 14 000-16 000 kilowattóra szükséges.

Az e folyamat során keletkező hő elektrokémiai reakciót indít el. Ahogy az elektromos áram áthalad a rendszeren, az anódon oxigén keletkezik, amely szénnel szén-dioxidgázzá egyesül; a maradék olvadt alumínium a katódon gyűlik össze, amely grafittal vagy szénnel van kibélelve; rendszeresen leszívják és tároló kemencékbe szállítják; miután tovább finomították és szükség szerint ötvöző elemeket adtak hozzá, a későbbi alkalmazások számára ingotokká öntik.

Csapadék

A timföld kinyerésének egyik legfontosabb lépése a kicsapás. A kicsapási reakcióknak különböző formái vannak; az alumínium-hidroxidkristályok hulladékáramból történő kivonása céljából. Karl Bayer finom szemcsés kristályokat használt magként eredeti fejlesztési munkája során; ez a megközelítés növeli a hozamot, de magasabb karbonátkoncentrációt eredményezhet, és növeli a szennyeződések, például a szilícium-dioxid keletkezését, ami csökkenti az alumínium visszanyerési arányát.

E kihívások megoldása érdekében jelenleg több kutatási projektben vizsgálják a különböző ioncserélő gyanták hatékonyságát a csapadékkiválasztás hatékonyságának javításában. Az ioncserélő gyanták nagy molekulatömegű polimer anyagok, amelyek minden molekulában számos ionos funkciós csoportot tartalmaznak, jellemzően szulfonsav- vagy karbonsavcsoportokat tartalmaznak a cserére. Mindkét típusú gyanta felhasználható a szóda kivonására a lúgos oldatokból, ami mind az összes lúg (TC), mind az összes lúg (TA) csökkenéséhez vezet. Továbbá a kationcserélő gyanták semlegesíthetik a kimerült Bayer-lúgban lévő nátriumionokat, ami a szupertelítettség növekedését eredményezi a timföld oldhatóságához képest.

Különböző karbonizációs körülmények között megfigyelték, hogy az oxigén jelenléte kedvezően hatott a kicsapódási sebességre. Pontosabban, a hőmérséklet, amelyen a csapadékképződés megindult, jelentősen megnőtt, míg a csapadék XRD-elemzése azt mutatta, hogy dawsonitot tartalmazott, ahogy azt a termodinamikai számítások előre jelezték.

A timföld kicsapása az egyik legkritikusabb és legnehezebb szakasza a bauxitból történő alumíniumgyártásnak. A kicsapásnak az alumíniumkohók kalcináló kemencéiben felhasználandó timföld-hidroxid előállításához kell megtörténnie; következésképpen a feldolgozóüzemekben használt szűrő- és elválasztó berendezéseknek rendkívül szigorú feltételek mellett kell működniük.

A timföldgyárakban található szűrő- és szeparátorberendezéseknek robusztusnak, tartósnak, megbízhatónak és hosszú élettartamúnak kell lenniük, hogy zord környezetben, többek között magas hőmérsékleten és nyomáson is megfelelően működjenek, miközben eltávolítják az erősen koptató bauxitmaradványokat, amelyek károsíthatják a többi berendezést, például a szivattyúkat, keverőket és keverőket. Ezért az ilyen üzemekben a világ legjobb szűrő- és szeparátorberendezései találhatók.

Kalcinálás

A kalcinálás a folyamat utolsó szintetikus lépése, amely többszörösen befolyásolja a timföld morfológiáját, fázisösszetételét és kémiai összetételét. A reakció hőmérséklete és időtartama általában a legnagyobb befolyással bír; a hőmérsékletet a kívánt morfológiai/összetételbeli céloktól, valamint az alumínium-oxid anyag gyártási vagy egyéb felhasználási céljától függően kell beállítani; az eredmény eléréséhez szükséges idő határozza meg az időtartamot.

A legszélesebb körben alkalmazott kalcinálási módszer a kaolin agyag sósavval történő kioldását foglalja magában, mielőtt az alumínium-klorid-hexahidrát kristályokat sósavval kicsapják, majd magas hőmérsékleten levegővel kalcinálják, hogy timföldet állítsanak elő. Ennek a megközelítésnek számos előnye van a kén- vagy salétromsavat használó eljárásokkal szemben, mivel a sósav könnyebben regenerálható, mint az alternatívái.

A korábbi kalcinálási eljárások jelentős energiát használtak fel a hexahidrát kristályok 500-1 100 fok fölé emelésére a timföldgyártás érdekében, de ennek az energiának nagy részét az alacsony hőmérsékletű szakaszokban használták fel a kombinált víz kivonására és a hexahidrát kristályos forma köztes kristályformáinak felemelésére. Ezenkívül minden egyes szakasz a rendelkezésre álló teljes energiának csak egy részét fogyasztotta el.

Olyan innovatív kalcinálási eljárást fejlesztettek ki, amely jelentősen csökkenti az energiafelhasználást mind a kalcinálás magas hőmérsékleti, mind a hűtési fázisában, jelentősen csökkentve ezzel a timföldgyártás teljes energiaigényét. A rendszer középpontjában egy hőcserélő rendszer áll, amely a hexahidrátot több hőcserélő szakaszon keresztül fokozatosan melegíti egyre magasabb, a kalcinálási hőmérséklethez közelítő hőmérsékletre, mielőtt a kalcinálóba juttatná a végső alumínium-dioxiddá történő átalakításhoz. A hexahidrátot különböző hőcserélő szakaszokon keresztül tovább hűtik, az érzékelhető hőt a hűtési szakaszokból a fűtési szakaszokba csak valamivel magasabb hőmérsékleten adják át, mint amilyen hőmérsékleten az adott szakaszban elfogy.