Kompleksitas Ekstraksi Aluminium

Penambangan aluminium dari bauksit merupakan salah satu proses industri yang paling kompleks di dunia, yang melibatkan tugas besar dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknik yang memastikan pasokan logam penting ini tidak terganggu.

Proses asam menggunakan asam sulfat, hidroklorida atau nitrat sebagai pelarut untuk melarutkan pengotor seperti besi dan titanium oksida dari bauksit. Pola XRD menunjukkan bahwa dengan meningkatnya konsentrasi alkali, maka rasio ekstraksi alumina juga meningkat.

Pencernaan

Aluminium adalah salah satu logam yang paling melimpah di Bumi, namun bentuk murninya tidak dapat ditemukan secara alami. Sebaliknya, ekstraksi aluminium membutuhkan banyak tahap yang melibatkan pencernaan, klarifikasi, pengendapan, dan kalsinasi untuk mencapai status produk akhir - hal ini membuat aluminium menjadi salah satu produk industri yang paling boros energi di dunia.

Pencernaan merupakan langkah kunci dari Proses Bayer untuk mengekstraksi aluminium dari bijih bauksit. Banyak faktor yang mempengaruhi kinerjanya, termasuk suhu bubur, konsentrasi soda api dan rasio soda api; untuk mengoptimalkan laju pencernaan, Anda dapat menurunkan suhu, meningkatkan rasio soda api, atau menggunakan konsentrasi soda api yang lebih tinggi, tetapi langkah-langkah ini kemungkinan akan terbukti lebih mahal dan merepotkan bagi kilang daripada yang diperlukan.

Sebagai bagian dari proses pencernaan, sebagian besar besi dalam bauksit diubah menjadi ilmenit fasa independen sementara material non-magnetik tetap berada dalam bentuk diaoyudaoit dan natrium aluminosilikat. Pemisahan material non-magnetik meningkatkan pencernaan alumina; namun, karena adanya mineral tertutup di dalam strukturnya, diaoyudaoite tidak dapat dicerna dengan mudah pada suhu pencernaan yang lebih rendah.

Biaya energi rata-rata yang terkait dengan produksi alumina sangat berbeda antar negara karena faktor-faktor seperti jenis teknologi yang digunakan, bauksit yang digunakan, dan proses pencernaan yang sangat bervariasi satu sama lain. Namun demikian, terdapat beberapa faktor umum tertentu yang berkontribusi terhadap peningkatan penggunaan energi, antara lain:

Proses pencernaan menyumbang sebagian besar penggunaan energi selama produksi alumina, karena proses ini membutuhkan listrik dan air untuk memanaskan dan mengaduk bubur, serta membersihkan kotoran tanah liat. Agar proses pencernaan berjalan optimal dan mengurangi pemborosan energi, para ilmuwan perlu mempelajari kondisi saat ini seputar pemanfaatannya. Para ilmuwan dapat mencapai hal ini dengan mengumpulkan data dan informasi dari pusat dokumen dan mewawancarai para ahli lini produksi, kemudian membandingkan kondisi proses pencernaan saat ini dengan desain aslinya, untuk menunjukkan penyimpangan utama.

Klarifikasi

Ekstraksi aluminium dapat menjadi proses yang rumit dan memakan energi, namun penting untuk banyak aplikasi komersial dan industri. Oleh karena itu, memahami prosedur yang rumit ini untuk memastikan keberhasilannya merupakan hal yang sangat penting - diagram dapat membantu menjelaskan reaksi kimia yang terjadi selama produksi yang membentuk prosedur rumit ini dan signifikansinya bagi penerapannya.

Salah satu langkah utama adalah pemurnian bauksit menjadi alumina dan pada akhirnya menjadi logam aluminium, baik melalui proses elektrolisis maupun proses Bayer. Kedua prosedur tersebut menyediakan pasokan logam aluminium yang dapat diandalkan melalui proses-proses tersebut. Keduanya bergantung pada elektrolisis sebagai sumber produksi.

Bijih bauksit merupakan sumber aluminium yang melimpah, dan membutuhkan pemrosesan yang signifikan untuk mengubahnya menjadi larutan kaya alumina yang siap untuk tahap berikutnya. Proses pencernaan meliputi penghancuran bijih bauksit sebelum dicampur dengan larutan natrium hidroksida pekat yang panas untuk melarutkan kandungan alumina, sehingga menghasilkan cairan jernih. Selanjutnya adalah klarifikasi, di mana pengotor (yang secara kolektif dikenal sebagai lumpur merah) dipisahkan sebelum pengendapan dan kalsinasi dapat dilakukan pada cairan yang telah diklarifikasi.

Untuk mengubah alumina menjadi aluminium murni, diperlukan peleburan melalui elektrolisis. Campuran alumina-natrium hidroksida kemudian ditempatkan dalam larutan kriolit (natrium aluminium fluorida), di mana sejumlah besar energi harus dikeluarkan untuk mempertahankan kondisi ini; untuk menghasilkan satu ton alumina, dibutuhkan 14.000-16.000 kilowatt jam.

Panas yang dihasilkan selama proses ini mendorong reaksi elektrokimia. Saat arus listrik melewati sistem, oksigen diproduksi di anoda dan digabungkan dengan karbon untuk membentuk gas karbon dioksida; sisa aluminium cair terkumpul di katoda yang dilapisi dengan grafit atau karbon; disedot secara berkala dan diangkut ke tungku penampung; setelah dimurnikan lebih lanjut dan elemen paduan ditambahkan sesuai kebutuhan, aluminium tersebut dilemparkan ke dalam ingot untuk aplikasi di masa mendatang.

Curah hujan

Salah satu langkah kunci dalam mengekstraksi alumina adalah pengendapan. Reaksi pengendapan datang dalam berbagai bentuk; untuk tujuan mengekstraksi kristal aluminium hidroksida dari aliran limbah. Karl Bayer menggunakan kristal berbutir halus sebagai benih untuk pekerjaan pengembangan awalnya; pendekatan ini meningkatkan hasil tetapi dapat menghasilkan konsentrasi karbonat yang lebih tinggi dan meningkatkan produksi pengotor seperti silika yang mengurangi tingkat pemulihan aluminium.

Untuk mengatasi tantangan ini, beberapa proyek penelitian saat ini sedang menilai keampuhan resin penukar ion yang berbeda dalam meningkatkan efisiensi pengendapan. Resin penukar ion adalah bahan polimer dengan berat molekul tinggi yang mengandung banyak gugus fungsi ionik dalam setiap molekul, biasanya mencakup gugus asam sulfonat atau gugus asam karboksilat untuk ditukar. Kedua jenis resin ini dapat digunakan untuk mengekstrak soda dari larutan kaustik, yang mengarah pada penurunan total kaustik (TC) dan total alkali (TA). Lebih jauh lagi, resin penukar kation dapat menetralisir ion natrium yang ada dalam cairan Bayer bekas yang menghasilkan peningkatan supersaturasi relatif terhadap kelarutan alumina.

Pada berbagai kondisi karbonasi, teramati bahwa keberadaan oksigen memiliki dampak yang menguntungkan pada tingkat presipitasi. Lebih khusus lagi, suhu di mana presipitasi dimulai meningkat secara signifikan sementara analisis XRD dari endapan menunjukkan bahwa endapan tersebut mengandung dawsonite seperti yang diprediksi oleh perhitungan termodinamika.

Pengendapan alumina merupakan salah satu tahapan yang paling kritis dan sulit dalam produksi aluminium dari pencernaan bauksit. Pengendapan harus terjadi untuk menghasilkan alumina hidroksida yang akan digunakan oleh tungku kalsinasi peleburan aluminium; oleh karena itu, peralatan penyaring dan pemisah yang digunakan di pabrik pengolahan harus beroperasi dalam kondisi yang sangat ketat.

Peralatan filtrasi dan pemisah yang ditemukan di pabrik alumina harus kuat, tahan lama, andal, dan tahan lama agar dapat beroperasi dengan baik di lingkungan yang keras, termasuk suhu dan tekanan yang tinggi, serta dapat membersihkan residu bauksit yang sangat kasar yang dapat merusak peralatan lain seperti pompa, mixer, dan pengaduk. Dengan demikian, beberapa peralatan penyaringan dan pemisah terbaik di dunia dapat ditemukan di dalam pabrik tersebut.

Kalsinasi

Kalsinasi adalah langkah sintetis terakhir dalam proses dan memiliki banyak pengaruh pada morfologi, komposisi fasa, dan komposisi kimia alumina. Suhu dan durasi reaksi biasanya memiliki pengaruh terbesar; suhu harus diatur tergantung pada tujuan morfologi/komposisi yang diinginkan serta manufaktur atau penggunaan lain dari bahan alumina ini; waktu yang dibutuhkan untuk mencapai hasil ini akan menentukan lamanya.

Metode kalsinasi yang paling banyak digunakan adalah pencucian lempung kaolin dengan asam klorida sebelum mengendapkan kristal aluminium klorida heksahidrat dengan asam klorida dan kemudian dikalsinasi pada suhu tinggi dengan udara untuk menghasilkan alumina. Pendekatan ini memiliki banyak keunggulan dibandingkan proses yang menggunakan asam sulfat atau nitrat karena lebih mudah untuk meregenerasi asam klorida daripada alternatifnya.

Proses kalsinasi sebelumnya mengkonsumsi energi yang cukup besar untuk meningkatkan kristal heksahidrat di atas 500-1.100 derajat Celsius untuk produksi alumina, tetapi sebagian besar energi ini dikonsumsi selama tahap suhu rendah untuk mengekstraksi air gabungan dan meningkatkan bentuk kristal perantara dari bentuk kristal heksahidrat. Lebih jauh lagi, setiap tahap hanya mengkonsumsi sebagian dari total energi yang tersedia.

Proses kalsinasi yang inovatif telah dikembangkan yang secara signifikan mengurangi penggunaan energi pada tahap kalsinasi suhu tinggi dan pendinginan, sehingga secara signifikan menurunkan total kebutuhan energi untuk memproduksi alumina. Pada intinya terdapat sistem pertukaran panas yang menggunakan pemanasan bertahap heksahidrat melalui beberapa tahap pertukaran panas ke suhu yang lebih tinggi secara bertahap mendekati suhu kalsinasi sebelum dimasukkan ke kalsiner untuk konversi akhir menjadi alumina. Heksahidrat selanjutnya didinginkan melalui berbagai tahap pertukaran panas, dengan panas yang masuk akal ditransfer dari tahap pendinginan ke tahap pemanasan hanya pada suhu yang sedikit lebih tinggi daripada suhu yang dikonsumsi pada tahap tertentu.