La complessità dell'estrazione dell'alluminio

L'estrazione dell'alluminio dalla bauxite è uno dei processi industriali più complessi al mondo, che comporta un immenso lavoro di eccellenza scientifica e ingegneristica per garantire una fornitura ininterrotta di questo metallo essenziale.

Il processo acido utilizza acidi solforici, cloridrici o nitrici come solventi per eliminare dalla bauxite impurità come ossidi di ferro e titanio. I modelli XRD hanno mostrato che, all'aumentare della concentrazione di alcali, aumentava anche il rapporto di estrazione dell'allumina.

Digestione

L'alluminio è uno dei metalli più abbondanti sulla Terra, ma la sua forma pura non si trova in natura. L'estrazione richiede invece numerose fasi di digestione, chiarificazione, precipitazione e calcinazione per raggiungere lo stato di prodotto finale, il che rende l'alluminio uno dei prodotti industriali a più alto consumo energetico al mondo.

La digestione è una fase fondamentale del processo Bayer per l'estrazione dell'alluminio dal minerale di bauxite. Molti fattori incidono sulle sue prestazioni, tra cui la temperatura dell'impasto, la concentrazione di soda caustica e il rapporto caustico; per ottimizzare il tasso di digestione si potrebbe abbassare la temperatura, aumentare il rapporto caustico o utilizzare concentrazioni caustiche più elevate, ma queste misure si rivelerebbero probabilmente più costose e scomode del necessario per le raffinerie.

Durante il processo di digestione, la maggior parte del ferro presente nella bauxite si trasforma in ilmenite in fase indipendente, mentre il materiale non magnetico rimane sotto forma di diaoyudaoite e alluminosilicato di sodio. La separazione dei materiali non magnetici migliora la digestione dell'allumina; tuttavia, a causa dei minerali chiusi presenti nella sua struttura, la diaoyudaoite potrebbe non essere digerita facilmente a temperature di digestione inferiori.

I costi energetici medi associati alla produzione di allumina variano notevolmente da un Paese all'altro a causa di fattori quali il tipo di tecnologia utilizzata, la bauxite impiegata e i processi di digestione che variano notevolmente tra loro. Esistono tuttavia alcuni fattori comuni che contribuiscono ad aumentare il consumo di energia, tra cui:

Il processo di digestione è responsabile della maggior parte del consumo energetico durante la produzione di allumina, in quanto richiede elettricità e acqua per riscaldare e mescolare il fango, oltre a lavare via le impurità dell'argilla. Affinché la digestione sia ottimale e si riducano gli sprechi energetici, gli scienziati devono studiare le condizioni attuali del suo utilizzo. Gli scienziati possono ottenere questo risultato raccogliendo dati e informazioni dal centro di documentazione e intervistando gli esperti della linea di produzione, per poi confrontare lo stato attuale del processo di digestione con il suo progetto originale, al fine di individuare le principali deviazioni.

Chiarimenti

L'estrazione dell'alluminio può essere un processo complesso e dispendioso dal punto di vista energetico, ma essenziale per molte applicazioni commerciali e industriali. Pertanto, la comprensione di questa complessa procedura per garantirne il successo è di estrema importanza - i diagrammi possono aiutare a far luce sulle reazioni chimiche che avvengono durante la produzione e che costituiscono questa complessa procedura e il loro significato per la sua attuazione.

Uno dei passaggi chiave è la raffinazione della bauxite in allumina e infine in alluminio metallico, attraverso l'elettrolisi o il processo Bayer. Entrambe le procedure forniscono forniture affidabili di alluminio metallico attraverso questi processi. Entrambi dipendono dall'elettrolisi come fonte di produzione.

Il minerale di bauxite è una fonte abbondante di alluminio e richiede una lavorazione significativa per essere trasformato in una soluzione ricca di allumina pronta per la fase successiva. La digestione comporta la frantumazione del minerale di bauxite prima di mescolarlo con soluzioni calde e concentrate di idrossido di sodio per dissolvere il contenuto di allumina, ottenendo un liquido limpido. La fase successiva è quella della chiarificazione, in cui le impurità (note collettivamente come fango rosso) vengono separate prima che la precipitazione e la calcinazione possano avvenire sul liquido chiarificato.

Per convertire l'allumina in alluminio puro è necessaria la fusione per elettrolisi. Una miscela di allumina e idrossido di sodio viene quindi posta in una soluzione di criolite (fluoruro di sodio e alluminio), dove è necessario spendere una quantità straordinaria di energia per mantenere questo stato; per produrre una tonnellata di allumina sono necessari 14.000-16.000 kilowattora.

Il calore generato durante questo processo provoca una reazione elettrochimica. Quando la corrente elettrica attraversa il sistema, l'ossigeno viene prodotto all'anodo e combinato con il carbonio per formare anidride carbonica gassosa; l'alluminio fuso rimanente si raccoglie al catodo, che è rivestito di grafite o carbonio; viene travasato periodicamente e trasportato in forni di stoccaggio; una volta ulteriormente raffinato e con l'aggiunta di elementi di lega secondo necessità, viene fuso in lingotti per applicazioni future.

Precipitazioni

Una delle fasi chiave dell'estrazione dell'allumina è la precipitazione. Le reazioni di precipitazione si presentano in varie forme; allo scopo di estrarre cristalli di idrossido di alluminio dai flussi di rifiuti. Karl Bayer ha utilizzato cristalli a grana fine come seme per il suo lavoro di sviluppo originale; questo approccio aumenta la resa, ma può portare a concentrazioni di carbonato più elevate e aumenta la produzione di impurità come la silice, che riduce il tasso di recupero dell'alluminio.

Per affrontare queste sfide, diversi progetti di ricerca stanno valutando l'efficacia di diverse resine a scambio ionico per migliorare l'efficienza della precipitazione. Le resine a scambio ionico sono materiali polimerici ad alto peso molecolare che contengono numerosi gruppi funzionali ionici in ogni molecola, in genere gruppi di acido solfonico o acido carbossilico per lo scambio. Entrambi i tipi di resina possono essere utilizzati per estrarre la soda dalle soluzioni caustiche, con una conseguente riduzione sia della caustica totale (TC) che degli alcali totali (TA). Inoltre, le resine a scambio cationico possono neutralizzare gli ioni di sodio presenti nel bagno di Bayer esausto, con conseguente aumento della supersaturazione rispetto alla solubilità dell'allumina.

A diverse condizioni di carbonatazione, è stato osservato che la presenza di ossigeno ha avuto un impatto positivo sui tassi di precipitazione. In particolare, la temperatura di inizio della precipitazione è aumentata notevolmente, mentre l'analisi XRD del precipitato ha mostrato che conteneva dawsonite, come previsto dai calcoli termodinamici.

La precipitazione dell'allumina è una delle fasi più critiche e difficili nella produzione di alluminio dalla digestione della bauxite. La precipitazione deve avvenire per produrre idrossido di allumina da utilizzare nei forni di calcinazione delle fonderie di alluminio; di conseguenza, le apparecchiature di filtrazione e separazione utilizzate negli impianti di lavorazione devono operare in condizioni estremamente severe.

Le apparecchiature di filtrazione e separazione presenti negli impianti di allumina devono essere robuste, durevoli, affidabili e di lunga durata per funzionare correttamente in ambienti difficili, tra cui temperature e pressioni elevate, eliminando al contempo i residui di bauxite altamente abrasivi che potrebbero danneggiare altre apparecchiature come pompe, miscelatori e agitatori. Per questo motivo, all'interno di questi impianti si trovano alcune delle migliori apparecchiature di filtrazione e separazione al mondo.

Calcolo

La calcinazione è la fase finale del processo di sintesi e ha molteplici influenze sulla morfologia, sulla composizione delle fasi e sulla composizione chimica dell'allumina. La temperatura e la durata della reazione hanno in genere l'influenza maggiore; la temperatura deve essere impostata in base agli obiettivi di morfologia/composizione desiderati, nonché alla produzione o ad altri usi di questo materiale di allumina; il tempo necessario per raggiungere questo risultato ne detterà la durata.

Il metodo di calcinazione più utilizzato prevede la lisciviazione delle argille di caolino con acido cloridrico prima di far precipitare i cristalli di cloruro di alluminio esaidrato con acido cloridrico e quindi di calcinare ad alta temperatura con aria per produrre allumina. Questo approccio presenta molti vantaggi rispetto ai processi che utilizzano acido solforico o nitrico, in quanto è più facile rigenerare l'acido cloridrico rispetto alle sue alternative.

I processi di calcinazione precedenti consumavano una notevole quantità di energia per innalzare i cristalli esaidrati al di sopra di 500-1.100degC per la produzione di allumina, ma gran parte di questa energia veniva consumata durante le fasi a bassa temperatura per l'estrazione dell'acqua combinata e l'innalzamento di forme cristalline intermedie della forma cristallina esaidrata. Inoltre, ogni fase consumava solo una parte dell'energia totale disponibile.

È stato sviluppato un processo di calcinazione innovativo che riduce in modo significativo l'utilizzo di energia sia nelle fasi di alta temperatura che in quelle di raffreddamento della calcinazione, riducendo in modo significativo il fabbisogno energetico totale per la produzione di allumina. Il cuore del processo è costituito da un sistema di scambio di calore che utilizza il riscaldamento graduale dell'esaidrato attraverso molteplici stadi di scambio di calore fino a temperature sempre più elevate, prossime alla temperatura di calcinazione, prima di immetterlo in un calcinatore per la conversione finale in allumina. L'esaidrato viene ulteriormente raffreddato attraverso vari stadi di scambio termico, con il calore sensibile che viene trasferito dagli stadi di raffreddamento a quelli di riscaldamento a temperature solo leggermente superiori a quelle a cui viene consumato in quello specifico stadio.