アルミニウム抽出の複雑さ

ボーキサイトからのアルミニウム採掘は、世界で最も複雑な工業プロセスのひとつであり、この不可欠な金属の安定供給を保証する、科学的かつ工学的に卓越した膨大な作業を伴う。

酸プロセスは、ボーキサイトから鉄やチタンの酸化物などの不純物を溶出させるために、硫酸、塩酸、硝酸を溶媒として利用する。XRDパターンは、アルカリ濃度が高くなるにつれて、アルミナ抽出率も高くなることを示していた。

消化

アルミニウムは地球上で最も豊富な金属のひとつであるが、その純粋な形は天然には存在しない。その代わりに、その抽出は、最終製品の状態に到達するために、消化、清澄、沈殿、焼成を含む多くの段階を必要とする。このため、アルミニウムは世界で最もエネルギー集約的な工業製品のひとつとなっている。

消化は、ボーキサイト鉱石からアルミニウムを抽出するバイエルプロセスの重要なステップです。消化率を最適化するには、温度を下げたり、苛性ソーダ濃度を上げたり、高い苛性ソーダ濃度を使用したりすることができるが、これらの対策は精錬所にとって必要以上にコストがかかり、不便であることが判明するだろう。

消化プロセスの一環として、ボーキサイト中の鉄の大部分は独立相のイルメナイトに変化するが、非磁性物質はダイアオユダオライトとアルミノケイ酸ナトリウムとして残る。非磁性物質の分離はアルミナの消化を向上させるが、ダイアオイダオアイトは構造内に閉じた鉱物が存在するため、低い消化温度では容易に消化されないことがある。

アルミナ生産に関連する平均エネルギー・コストは、使用される技術の種類、使用されるボーキサイト、消化プロセスなどが互いに大きく異なるため、国によって大きく異なる。しかし、エネルギー使用量の増加に寄与する、以下のような特定の共通要因がある：

消化プロセスは、スラリーの加熱と攪拌に電気と水を必要とし、さらにスラリーの粘土不純物を洗い流すため、アルミナ製造におけるエネルギー使用の大半を占める。最適な消化を行い、エネルギーの浪費を減らすためには、科学者たちはその利用を取り巻く現状を研究する必要がある。科学者は、資料センターからデータや情報を収集し、生産ラインの専門家にインタビューを行い、消化プロセスの現状を当初の設計と比較することで、大きな逸脱を突き止めることができる。

明確化

アルミニウム抽出は複雑でエネルギーを消費するプロセスですが、多くの商業・工業用途に不可欠です。そのため、この複雑な手順を確実に成功させるためには、この複雑な手順を理解することが最も重要です。図は、この複雑な手順を構成する製造中に起こる化学反応と、その実施における重要性を明らかにするのに役立ちます。

重要なステップのひとつは、電解またはベイヤープロセスによってボーキサイトをアルミナ、そして最終的にはアルミニウム金属に精製することである。どちらの工程も、これらのプロセスを通じてアルミニウム金属を確実に供給する。どちらも生産源として電解に依存している。

ボーキサイト鉱石はアルミニウムの豊富な供給源であり、次の段階に進むためのアルミナを多く含む溶液に変換するためには、かなりの処理が必要である。消化では、ボーキサイト鉱石を粉砕した後、高温の濃縮水酸化ナトリウム溶液と混合してアルミナ分を溶解し、透明な液体を得る。次に来るのは清澄化で、ここで不純物（赤泥と総称される）が分離され、清澄化された液で沈殿と焼成が行われる。

アルミナを純アルミニウムに変えるには、電気分解による製錬が必要である。アルミナと水酸化ナトリウムの混合物は、次に氷晶石溶液（フッ化アルミニウムナトリウム）に入れられ、この状態を維持するために膨大なエネルギーを消費しなければならない。

この過程で発生する熱が電気化学反応を促進する。電流がシステムを通過すると、陽極で酸素が発生し、炭素と結合して炭酸ガスが生成される。残りの溶融アルミニウムは、グラファイトまたはカーボンで内張りされた陰極に集まる。

降水量

アルミナ抽出の重要なステップの一つは沈殿である。沈殿反応には様々な形態があり、廃棄物の流れから水酸化アルミニウム結晶を抽出する目的で行われる。Karl Bayerは、彼の最初の開発作業において、微細結晶を種として使用しました。このアプローチは、収率を増加させますが、炭酸塩濃度が高くなり、アルミニウムの回収率を低下させるシリカのような不純物の生成を増加させる可能性があります。

このような課題に対処するため、現在いくつかの研究プロジェクトが、沈殿効率を向上させるためのさまざまなイオン交換樹脂の有効性を評価している。イオン交換樹脂は、各分子に多数のイオン性官能基を含む高分子量の高分子材料であり、通常、交換のためにスルホン酸基またはカルボン酸基のいずれかを含む。どちらのタイプの樹脂も、苛性溶液からソーダを抽出するために利用することができ、全苛性（TC）と全アルカリ（TA）の両方の減少につながります。さらに、陽イオン交換樹脂は、使用済みバイエル酒に存在するナトリウムイオンを中和することができ、その結果、アルミナの溶解度に対して過飽和度が増加します。

様々な炭酸化条件において、酸素の存在が析出速度に有益な影響を与えることが観察された。より具体的には、析出が開始する温度が大幅に上昇する一方で、析出物のXRD分析から、熱力学的計算で予測されたようにドーソナイトが含まれていることが示された。

アルミナの沈殿は、ボーキサイト消化からのアルミニウム生産において最も重要で困難な段階の一つである。アルミニウム製錬所の焼成炉で消費される水酸化アルミナを生産するためには、沈殿が生じなければならない。そのため、処理プラントで使用されるフィルターや分離装置は、極めて厳しい条件下で作動しなければならない。

アルミナプラントで見られるろ過・分離装置は、ポンプ、ミキサー、攪拌機などの他の機器を損傷する可能性のある研磨性の高いボーキサイト残渣を除去すると同時に、高温・高圧を含む過酷な環境での適切な運転のために、堅牢で耐久性があり、信頼性が高く、長持ちするものでなければなりません。そのため、このようなプラント内には、世界最高レベルのろ過・分離装置が設置されています。

焼成

焼成はプロセスの最終合成ステップであり、アルミナの形態、相組成、化学組成に複数の影響を及ぼす。温度は、このアルミナ材料の製造または他の用途と同様に、所望の形態/組成の目標に応じて設定すべきである。

最も広く利用されている脱炭酸法は、カオリンクレーを塩酸で浸出した後、塩化アルミニウム六水和物結晶を塩酸で沈殿させ、空気とともに高温で焼成してアルミナを製造するものである。この方法は、硫酸や硝酸を利用するプロセスと比較して、塩酸の再生が容易であるため、多くの利点があります。

以前の脱炭酸プロセスでは、アルミナ製造のために六水和物結晶を500～1,100℃以上に昇温させるためにかなりのエネルギーを消費していたが、このエネルギーの多くは、結合水を抽出し、六水和物結晶形の中間結晶形を昇温させるための低温段階で消費されていた。さらに、各段階で消費されるエネルギーは、利用可能な全エネルギーの一部に過ぎない。

革新的な脱炭酸プロセスが開発され、脱炭酸の高温段階と冷却段階の両方でエネルギー使用量が大幅に減少し、アルミナ製造に必要な総エネルギーが大幅に削減された。その心臓部には熱交換システムがあり、六水和物を最終的にアルミナに変換するために焼成炉に供給する前に、複数の熱交換段階を経て段階的に焼成温度に近い高温まで加熱する。六水和物はさまざまな熱交換段階を経てさらに冷却され、顕熱は冷却段階から加熱段階へと、その段階で消費される温度よりもわずかに高い温度で移動する。