보크사이트 알루미나 채굴 공정

도노휴 박사와 프리쉬 씨는 호주 알코아의 정규직 직원입니다.

보크사이트는 알루미늄 생산의 주요 원료이며 전 세계적으로 대규모 매장지에서 발견됩니다. 보크사이트는 가성소다 용액에서 분쇄하고 조리한 후 지브사이트(gibbsite)라는 수산화 알루미늄 씨앗을 뿌려 붉은 진흙 폐기물로 침전을 유도하여 환경에 해로운 붉은 슬라임 잔여물을 남기며 많은 나라에서 심각한 영향을 미치고 있습니다.

바이엘 프로세스

알루미늄 생산을 위해 채굴되는 보크사이트 광석에는 알루미늄2(지브사이트, 베이어라이트, 노드스트란다이트)의 수산화물 및 옥시하이드록사이드, 철2(페리사이트 및 고에타이트) 및 이산화티타늄2(루틸 및 디아스포어)의 산화물 등이 포함되어 있습니다. 바이엘 공정은 홀-헤룰트 전해 공정을 통해 이 보크사이트 광석을 화학적으로 알루미나로 전환하여 순수 알루미늄 금속을 생산하는 첫 번째 단계입니다.

바이엘 공정에서 소화와 정화 단계는 모두 매우 중요합니다. 소화 과정에서 생성되는 불용성 잔류물을 적토라고 하며, 환경상의 이유로 반드시 정화해야 합니다. 또한 정화 후 남은 알루미네이트 용액을 정제해야 하는데, 무염소산 가성 용액, 이온 교환 정제 또는 고온 소결을 사용하면 이 두 흐름의 불순물 수준을 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다.

알루미늄산 나트륨 용액의 정화는 중력 침전 및 증점제(레이크 증점제라고도 함)에서 물로 헹굼으로써 알루미나 삼수화물로 침전하기에 적합한 농축된 알루미늄산 나트륨 용액을 생성하여 이루어집니다. 거친 입자는 원유 사이클론을 사용하여 추출하고 미세한 고형물은 필터링을 통해 유지한 다음 용액을 더 냉각하여 과포화도를 높인 다음 키가 큰 실로형 침전기로 펌핑하여 침전된 알루미나 수화물을 생성한 다음 세척, 여과 및 건조를 거쳐 상업적으로 순수한 알루미나로 분해합니다2.

홀-헤룰트 전해 공정에서는 소량의 페라이트 불순물(미량 불순물)이 포함된 금속 알루미늄을 양극 양극 전극에서 탄소가 포함된 알루미네이트 용액에 전류를 통과시켜 용융염(염화나트륨과 염화칼슘의 혼합물)에서 분리하고, 여기서 탄소가 다른 불순물과 반응하여 백색 결정 화합물인 알루미네이트를 생성한 후 대형 유지로로 옮겨 불순물을 제거하면서 합금 원소를 첨가하여 순수한 알루미늄을 생산합니다.

바이엘 프로세스 블로우 다운 스트림 내의 불순물 수준을 미리 정해진 수준 이하로 유지하는 동시에 추가 처리 없이 자연 수용체에 직접 배출할 수 있는 폐수를 생산하는 것은 중요한 과제입니다. 이를 달성하려면 보크사이트 광물학 변화 관리, 생산 속도 최적화, 경쟁 반응 제어, 붉은 진흙 퇴적물로 인한 손실 최소화 등의 요소가 모두 조화를 이루어야 성공할 수 있습니다.

제련

알루미늄 산화물 암석인 보크사이트는 채굴 및 정련을 통해 알루미늄을 생산할 수 있습니다. 채굴 및 정제 공정에서는 TENORM(자연 유래 미량 원소)과 같은 독성 원소가 포함된 상당한 폐기물이 발생합니다. 알루미나는 알루미늄 제련소에서 전기분해를 통해 금속으로 전환되는데, 이 과정에서 발생하는 폐기물을 최소화하려면 가능한 한 많은 알루미나를 재사용할 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

알루미나는 유리, 도자기, 자동차용 금속 도료와 같은 산업 제품의 원료로 널리 사용됩니다. 또한 알루미나는 낮은 전기 전도도, 화학적 공격에 대한 저항성, 극도의 강도와 경도(모스 경도 척도 9)로 인해 다양한 용도로 사용됩니다.

알루미나를 채굴하고 정제하는 과정에서 작업을 방해할 수 있는 초목과 나무를 제거해야 합니다. 보크사이트는 발파, 드릴링, 리핑 및 초대형 불도저를 사용하여 분해한 후 트럭, 철도 차량 또는 컨베이어 벨트에 실어 근처에 위치한 정제소로 운반합니다.

알루미나 정제 공정이 시작되면 알루미나를 분해하여 가성소다 용액에 담가 과포화 알루미늄산나트륨 용액을 형성합니다. 그런 다음 소성이라는 과정을 통해 화학적으로 결합된 수분을 제거하기 위해 고온에서 가열되는 슬러리 반응기로 옮겨져 고형화된 알루미나 수화물을 생성한 다음 벽돌로 덮인 냄비에 보관한 후 탄소 양극을 넣고 전류를 통과시켜 알루미나를 순수한 알루미늄으로 전기 분해한 다음 다시 냄비로 옮겨져 다양한 모양의 빌릿이 수작업으로 형성되는 캐스팅 하우스로 다시 옮깁니다.

빌릿을 잉곳으로 자른 후에는 철근이라고 하는 긴 막대를 굴려서 다양한 길이로 자르고 그에 따라 사용할 수 있습니다. 마지막으로 이 긴 막대를 녹여 추가 가공을 위한 잉곳을 만듭니다.

캐스팅

알루미늄은 건물과 자동차부터 포장재와 스포츠 장비에 이르기까지 모든 곳에서 사용되는 오늘날 현대 사회의 핵심 요소입니다. 하지만 알루미늄은 순수한 금속으로 자연적으로 발생하는 것이 아니라 보크사이트 광석에서 시작하여 복잡한 변환 과정을 거쳐 오늘날 우리가 알고 즐기는 가벼운 금속이 됩니다.

먼저 대형 불도저로 굴착, 발파, 파쇄 등의 기술을 사용하여 땅에서 보크사이트를 채굴합니다. 그런 다음 분쇄와 세척을 거쳐 인근의 알루미나 정제 공장으로 운반한 후 바이엘 정제 공정을 통해 알루미나를 생산합니다.

뜨거운 가성소다 용액을 사용하여 보크사이트에서 발견되는 알루미늄 함유 광물(깁사이트, 보마이트 및 디아스포어)을 녹여 임신주로 알려진 과포화 알루미늄산나트륨 용액을 만든 다음 산화알루미늄(Al2O3) 용광로에서 소성하기 위해 보내진 다음 세척, 건조 및 다시 가열하여 남은 결정화 물을 제거하여 고순도 알루미나를 생성하고 알루미나 수화물이라고 하는 건조한 백색 모래 물질을 형성합니다.

알루미나는 내화물, 화학 제품, 석고 및 실리카 같은 원료 등 다양한 제품에 사용되며 일부는 정제 공정 자체에 다시 재활용되기도 합니다.

알루미나를 정제하면 생산량 1톤당 2~3톤의 폐기물이 발생하는데, 붉은 진흙으로 알려진 이 물질은 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 신중하게 처리해야 합니다.

알루미나는 정제된 후 다양한 용도로 사용할 수 있도록 잉곳으로 주조됩니다. 시트, 호일, 바 형태로 압연하거나, 송전선로용 케이블로 연선화하거나, 복잡한 모양이나 창틀과 같은 압출 프로파일로 성형하거나, 다시 잉곳으로 재활용할 수도 있으므로 알루미늄은 무한히 재활용 가능한 금속입니다! 또한 고객의 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 특정 특성을 제공하는 다양한 합금이 존재합니다.

재활용

알루미늄은 탄산음료 캔부터 자동차 부품에 이르기까지 수많은 제품에 사용되는 가장 널리 사용되는 금속 중 하나이지만, 순수한 형태로 자연적으로 발생하지는 않습니다. 대신 다양한 형태의 알루미늄 산화물을 함유한 보크사이트 암석에서 추출하여 알루미나로 정제한 후 에너지와 수자원을 모두 사용하는 3단계 공정을 거쳐야 알루미늄이 완성됩니다.

알루미나 채굴을 위해서는 먼저 보크사이트를 덮고 있는 암석과 점토의 과부하층을 발파 또는 시추 방법을 사용하여 제거해야 합니다. 일단 제거되면 이 물질을 트럭에 실어 알루미나 가공 공장으로 운반하여 가공할 수 있습니다.

보크사이트 가공 공장에서는 광석을 분쇄하여 크기를 줄인 다음 뜨거운 가성소다에 담가 지브사이트와 보마이트 같은 알루미늄 함유 광물을 녹인 후 실리카에서 분리하여 임신주로 알려진 알루민산나트륨 과포화 용액으로 만듭니다.

임신한 술의 일부는 소석회라고도 하는 수산화알루미늄을 만들기 위해 가공되고, 나머지는 알루미나 정제소로 바로 보내져 그 성분이 화학 반응을 거쳐 알루미늄 금속으로 변합니다.

알루미나는 플라스틱 제조에서 연마재에 이르기까지 다양한 산업 분야에 사용되는 필수 산업 소재입니다. 알루미나는 또한 여러 종류의 난연제에서 핵심적인 역할을 합니다.

알루미나 채굴 및 정제는 재활용 가능성이 높지만, 채굴 및 정제와 관련된 몇 가지 환경 문제가 여전히 남아 있습니다. 여기에는 소음 공해, 인체공학적 문제, 외상 위험, 피부나 눈에 가성소다 튐 등이 포함됩니다. 또한 보크사이트 분진과 알루미나 분말은 폐의 자극이나 염증을 포함한 호흡기 합병증과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다.

일부 근로자들은 보크사이트 분진과 알루미나 분진 및 다양한 오염 물질에 노출되어 암, 신장 질환, 간 손상과 같은 건강 문제를 보고했지만, 수행된 연구 결과에 따르면 현재 채굴 및 정제의 모범 사례는 이러한 문제의 위험을 증가시키지 않는 것으로 확인되었습니다.