Estrazione di bauxite e raffinazione dell'allumina

Con circa 85%, la produzione mondiale di bauxite serve come materia prima per la produzione di allumina. L'Australia estrae e raffina l'allumina nel Queensland, nell'Australia Occidentale, nel Territorio del Nord e in Tasmania, utilizzando le migliori pratiche di estrazione e raffinazione che non comportano gravi rischi per la salute sul lavoro.

Charles Hall in America e Paul Heroult in Francia idearono indipendentemente un processo economico per la produzione di alluminio tramite elettrolisi della criolite fusa nel 1886, che divenne noto come processo Bayer.

Miniere

L'alluminio è uno degli elementi più abbondanti in natura, ma non può essere estratto allo stato puro. Esiste invece sotto forma di vari composti nelle rocce e nei sedimenti; la fonte principale a livello mondiale è la bauxite, che deve essere estratta e raffinata in allumina prima di produrre alluminio nelle miniere di tutto il mondo.

I processi di estrazione e raffinazione dell'alluminio producono rifiuti significativi, con grandi volumi di rifiuti tossici come il TENORM associati a diverse condizioni di salute, tra cui fibrosi, mesotelioma e malattie polmonari. Inoltre, i metalli pesanti si riversano nelle fonti idriche dai cumuli di rifiuti, contaminandole con livelli potenzialmente pericolosi che minacciano l'integrità dell'ambiente.

Per ridurre gli impatti ambientali associati alla produzione di allumina, vengono investite ingenti risorse nella riabilitazione delle miniere e nel ripristino degli habitat naturali. Purtroppo, questa attività comporta alcuni rischi per i dipendenti dei settori minerario e della raffinazione, che potrebbero essere esposti a patologie respiratorie e cutanee, tra cui mesotelioma, tumori della pelle e dei reni, malattie polmonari degenerative o malattie infettive acquisite dalla comunità, come la malaria o la febbre dengue in presenza di zanzare.

L'estrazione della bauxite utilizza tipicamente tecniche a cielo aperto e Australia, Guinea e Cina sono responsabili della produzione della maggior parte della bauxite globale. Poiché la maggior parte della bauxite si trova in zone tropicali, deve essere estratta anche qui, e le principali compagnie minerarie in genere gestiscono le miniere vicino a strutture portuali con manodopera qualificata nelle vicinanze.

Nel processo Bayer, la bauxite viene frantumata, lavata e macinata prima di essere sciolta in soda caustica ad alta pressione e temperatura per creare una soluzione sovrasatura di alluminato di sodio, nota come liquido pregnante, che viene poi pompata in alti serbatoi chiamati precipitatori, dove vengono aggiunti semi di idrossido di alluminio per provocare la precipitazione di cristalli solidi di idrossido di alluminio quando il liquido pregnante si raffredda; l'allumina precipitata viene poi filtrata e inviata direttamente alle aree di stoccaggio dei residui di bauxite.

Preparazione

L'alluminio è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra, noto per le sue proprietà di leggerezza, malleabilità, duttilità e non corrosività. Purtroppo, però, l'alluminio non è presente in natura in forma metallica e per produrlo è necessario estrarlo. La bauxite deve prima essere trasformata in allumina (ossido di alluminio). Una volta ottenuta, questa sostanza può essere formata in varie forme, come lumache, billette, lingotti e blumi, fino ad arrivare alla produzione di alluminio metallico.

La bauxite è la principale fonte di alluminio e si presenta tipicamente come una coltre erosa nota come laterite o duricrust su varie rocce ignee, composta da ossido di alluminio, ossido di ferro e biossido di silicio. Solo i depositi che contengono gibbsite e boehmite, contenenti rispettivamente il 65 e l'85% di alluminio, possono essere sfruttati economicamente per la produzione di allumina; tali depositi tendono a trovarsi principalmente su entrambi i lati dell'Equatore.

Le soluzioni calde di soda caustica sono utilizzate per dissolvere i minerali contenenti alluminio all'interno della bauxite (gibbsite, boehmite e diaspora). Questo processo è noto come digestione o lisciviazione e la soluzione sovrasatura di alluminato di sodio che ne risulta è nota come soluzione incinta. Una volta separata dall'allumina di partenza, la silice insolubile presente nella bauxite deve essere separata per filtrazione da eventuali fanghi rossi residui, che saranno scartati dopo la filtrazione.

La digestione richiede grandi volumi di acqua. L'acqua è necessaria anche per la produzione di soda caustica acquosa e altri prodotti chimici, per il lavaggio del minerale, dei residui, degli scarti di soda caustica riciclata e dei rifiuti, nonché per la mitigazione delle polveri. L'utilizzo dell'acqua varia a seconda della qualità della bauxite, della progettazione dell'impianto e della disponibilità di acqua nella regione.

Le pratiche tradizionali degli impianti prevedevano l'aggiunta di fluoruro di calcio durante la calcinazione per ridurre i livelli di sodio nelle materie prime di allumina; tuttavia, a causa delle preoccupazioni legate alle emissioni di fluoruro nell'atmosfera, questa pratica è stata abbandonata. A causa di questi requisiti, è stato necessario creare nuove tecnologie di lavorazione dell'allumina a basso contenuto di sodio. L'allumina prodotta con questo metodo viene macinata in un mulino ad attrito con acido acetico per rimuovere la soda e ottenere prodotti a basso contenuto di sodio. La precipitazione dell'allumina richiede lo sparging di gas cloridrico per formare cristalli di cloruro di allumina esaidrato che vengono poi filtrati, centrifugati, lavati con acido cloridrico e nuovamente filtrati prima di essere disciolti in acqua calda per ottenere un impasto di ossido di alluminio (ALO) adatto a ulteriori lavorazioni.

Raffinazione

L'alluminio che utilizziamo ogni giorno è prodotto attraverso una complessa serie di reazioni chimiche che inizia con la raffinazione della bauxite. L'allumina (Al2O3) serve come materia prima per la produzione di alluminio primario per via elettrolitica; tuttavia, i suoi altri utilizzi vanno ben oltre la produzione primaria; ne occorrono circa due tonnellate per produrre una tonnellata di alluminio primario; infatti svolge anche un ruolo vitale in molti altri prodotti chimici, come i materiali refrattari utilizzati per rivestire forni rotativi e fornaci ad alta temperatura, come materiale abrasivo, come sostanza abrasiva e persino nei processi di purificazione dell'acqua.

La maggior parte dell'estrazione della bauxite avviene con metodi a cielo aperto e tre Paesi - Australia, Cina e Guinea - rappresentano 72% della produzione globale. La bauxite viene estratta dal terreno con metodi quali sabbiatura, perforazione e strappo con grandi bulldozer, prima di essere trasportata direttamente alle vicine raffinerie di allumina per la successiva lavorazione.

La raffinazione dell'allumina è un complesso processo in quattro fasi. In primo luogo, la bauxite deve essere lavata e filtrata per rimuovere impurità come la silice. Successivamente, il bagno verde viene riscaldato ad alte temperature in un forno con soda caustica per la miscelazione, fino a quando si verifica la cristallizzazione in recipienti precipitatori con particelle di idrossido di allumina seminate da seminatori; la precipitazione stimola quindi l'ulteriore crescita di altra soluzione di idrossido di allumina prima di passare alle fasi successive della raffinazione.

La saldatura avviene spesso nelle raffinerie di allumina e nelle officine delle miniere, con conseguente esposizione a fumi e polveri che possono causare malattie respiratorie e lesioni. Pertanto, è necessario predisporre controlli per ridurre al minimo questo rischio, l'esposizione alle vibrazioni e l'esposizione a sostanze pericolose, in quanto altri problemi di salute sul lavoro si presentano nelle regioni tropicali, dove lavorare all'aperto è la norma, aumentando potenzialmente l'esposizione allo stress da calore per i lavoratori, mentre l'affaticamento da vibrazioni dell'intero corpo è stato associato a macchinari come ruspe, impianti di perforazione, autocarri o escavatori che operano macchinari di questo tipo.

Fusione

L'allumina è la materia prima principale necessaria per la produzione di alluminio. Viene prodotta attraverso un processo in quattro fasi noto come Processo Bayer, dal nome del suo ideatore Karl Josef Bayer. Il minerale di bauxite viene finemente macinato e introdotto in un digestore riscaldato a vapore dove viene mescolato sotto pressione con una soluzione di soda caustica per formare una soluzione di alluminato di sodio (liquore verde), mentre gli scarti della soda caustica vengono riciclati nel processo di digestione come materia prima; l'allumina può quindi essere estratta per evaporazione e cristallizzazione per produrre una polvere bianca nota come gibbsite.

Riduzione dell'allumina in lingotti >>Durante la fase di riduzione della produzione, l'allumina si scioglie nei cosiddetti vasi di riduzione, profondi gusci d'acciaio rettangolari rivestiti di carbonio o grafite che contengono elettrolito di criolite. Una corrente elettrica attraversa questa miscela mentre gli anodi di carbonio fungono da catodi; l'alluminio e l'ossigeno dell'allumina reagiscono con l'anodo di carbonio per produrre anidride carbonica gassosa, che poi reagisce con gli anodi di alluminio metallico al catodo producendo anidride carbonica gassosa e rimanendo come anodi di alluminio metallico, lasciando solo l'alluminio metallico al catodo; quindi entra nei forni di stoccaggio dove vengono rimosse le impurità, aggiunti gli elementi di lega e fuso in lingotti.

I lingotti di allumina sono utilizzati per produrre una vasta gamma di prodotti. Possono essere laminati in fogli, lamine e barre; estrusi in barre lunghe utilizzate per la produzione di fili; oppure pressati isostaticamente a secco o colati per produrre barre lunghe utilizzate per la produzione di fili. I lingotti di alluminio possono anche essere formati in varie forme mediante laminazione a caldo o a freddo, colata a scorrimento, stampaggio a iniezione o tecniche di stampaggio a iniezione.

Le operazioni di estrazione, raffinazione e fusione si sforzano di ridurre al minimo l'impatto ambientale utilizzando attrezzature a basso consumo energetico e sviluppando processi di riciclaggio. Una volta concluse le operazioni di estrazione, si cerca di riportare il terreno alle condizioni originarie non appena le operazioni di estrazione cessano. L'inquinamento atmosferico può essere controllato attraverso sistemi di ventilazione adeguati e dispositivi di controllo dell'inquinamento atmosferico come gli scrubber. L'inquinamento dell'acqua può essere mitigato attraverso il riciclo delle scorie, dei liquidi di scarto e dei gas per il loro riutilizzo.