알루미늄 추출의 복잡성

보크사이트에서 알루미늄을 채굴하는 것은 세계에서 가장 복잡한 산업 공정 중 하나로, 이 필수 금속의 중단 없는 공급을 보장하기 위해 과학 및 공학적 우수성이 요구되는 엄청난 작업이 수반됩니다.

산 공정은 황산, 염산 또는 질산을 용매로 사용하여 보크사이트에서 철 및 티타늄 산화물과 같은 불순물을 침출합니다. XRD 패턴에 따르면 알칼리 농도가 증가함에 따라 알루미나 추출 비율도 증가했습니다.

소화

알루미늄은 지구상에서 가장 풍부한 금속 중 하나이지만 순수한 형태는 자연적으로 발견되지 않습니다. 대신 알루미늄을 추출하려면 최종 제품 상태에 도달하기 위해 소화, 정화, 침전, 소성 등 여러 단계를 거쳐야 하므로 알루미늄은 세계에서 가장 에너지 집약적인 산업 제품 중 하나입니다.

소화는 보크사이트 광석에서 알루미늄을 추출하는 바이엘 공정의 핵심 단계입니다. 슬러리의 온도, 가성소다 농도, 가성비 등 여러 요인이 성능에 영향을 미치며, 소화율을 최적화하기 위해 온도를 낮추거나 가성비를 높이거나 더 높은 가성 농도를 사용할 수 있지만 이러한 방법은 정제소에 필요 이상으로 많은 비용과 불편을 초래할 수 있습니다.

소화 과정에서 보크사이트의 철은 대부분 독립 상 일메나이트로 변환되고 비자성 물질은 댜오유다오이트와 알루미노규산나트륨으로 남게 됩니다. 비자성 물질을 분리하면 알루미나 소화가 개선되지만, 구조 내에 존재하는 폐쇄형 미네랄로 인해 디아오유다오이트는 낮은 소화 온도에서 쉽게 소화되지 않을 수 있습니다.

알루미나 생산과 관련된 평균 에너지 비용은 사용되는 기술 유형, 사용되는 보크사이트, 소화 공정 등의 요인으로 인해 국가마다 크게 달라집니다. 하지만 다음과 같이 에너지 사용량 증가에 기여하는 몇 가지 공통적인 요인이 있습니다:

슬러리를 가열하고 교반하며 점토 불순물을 씻어내는 데 전기와 물이 필요하기 때문에 소화 공정은 알루미나 생산 중 에너지 사용량의 대부분을 차지합니다. 최적의 소화가 이루어지고 에너지 낭비를 줄이려면 과학자들은 알루미나 활용과 관련된 현재 상황을 연구해야 합니다. 과학자들은 문서 센터에서 데이터와 정보를 수집하고 생산 라인 전문가를 인터뷰한 다음 소화 공정의 현재 상태를 원래 설계와 비교하여 주요 편차를 정확히 찾아내어 이를 달성할 수 있습니다.

설명

알루미늄 추출은 복잡하고 에너지를 많이 소비하는 공정이지만, 많은 상업 및 산업 분야에 필수적인 공정입니다. 따라서 이 복잡한 공정을 성공적으로 수행하려면 이를 이해하는 것이 가장 중요하며, 다이어그램은 이 복잡한 공정을 구성하는 생산 과정에서 발생하는 화학 반응과 그 중요성을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.

핵심 단계 중 하나는 전기분해 또는 바이엘 공정을 통해 보크사이트를 알루미나로 정제하고 궁극적으로 알루미늄 금속으로 정제하는 것입니다. 두 공정 모두 이러한 공정을 통해 알루미늄 금속을 안정적으로 공급합니다. 두 공정 모두 생산원료로 전기분해에 의존합니다.

보크사이트 광석은 알루미늄의 풍부한 공급원이며, 다음 단계에 사용할 수 있는 알루미나가 풍부한 용액으로 전환하기 위해서는 상당한 공정이 필요합니다. 보크사이트 광석을 분쇄한 후 수산화나트륨의 고온 농축 용액과 혼합하여 알루미나 성분을 녹여 투명한 액체를 만드는 과정을 거칩니다. 다음 단계는 정화 단계로, 불순물(총칭하여 붉은 진흙)을 분리한 후 침전 및 소성 과정을 거쳐 정화 액체를 만듭니다.

알루미나를 순수한 알루미늄으로 전환하려면 전기분해를 통한 제련이 필요합니다. 그런 다음 알루미나-수산화나트륨 혼합물을 크라이오라이트 용액(불화 알루미늄 나트륨)에 넣는데, 이 상태를 유지하는 데 엄청난 양의 에너지가 소비되어야 합니다. 1톤의 알루미나를 생산하려면 14,000~16,000㎾h의 에너지가 필요합니다.

이 과정에서 발생하는 열은 전기화학 반응을 일으킵니다. 전류가 시스템을 통과하면서 양극에서 산소가 생성되고 탄소와 결합하여 이산화탄소 가스를 형성하고, 남은 용융 알루미늄은 흑연 또는 탄소로 라이닝된 음극에 모이고, 주기적으로 퍼내어 보유 용광로로 이송된 후 추가 정제 및 필요에 따라 합금 원소가 첨가되면 향후 응용 분야를 위해 주괴로 주조됩니다.

강수량

알루미나 추출의 핵심 단계 중 하나는 침전입니다. 침전 반응은 폐기물에서 수산화알루미늄 결정을 추출하기 위한 목적으로 다양한 형태로 이루어집니다. 칼 바이엘은 원래 개발 작업에서 미세 입자 결정을 씨앗으로 사용했는데, 이 방법은 수율은 증가하지만 탄산염 농도가 높아지고 실리카 같은 불순물 생산이 증가하여 알루미늄 회수율을 떨어뜨릴 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 현재 여러 연구 프로젝트에서 다양한 이온 교환 수지의 침전 효율을 개선하는 데 있어 그 효능을 평가하고 있습니다. 이온 교환 수지는 각 분자에 수많은 이온 작용기를 포함하는 고분자 고분자 물질로, 일반적으로 설폰산 그룹 또는 카르복실산 그룹을 교환에 사용합니다. 두 가지 유형의 수지는 모두 가성 용액에서 소다를 추출하는 데 사용할 수 있어 총 가성(TC)과 총 알칼리(TA)를 모두 감소시킬 수 있습니다. 또한 양이온 교환 수지는 사용된 바이엘 주류에 존재하는 나트륨 이온을 중화하여 알루미나 용해도에 비해 과포화도를 증가시킬 수 있습니다.

다양한 탄산화 조건에서 산소의 존재가 침전 속도에 유익한 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 보다 구체적으로, 침전이 시작되는 온도가 상당히 증가했으며 침전물에 대한 XRD 분석 결과 열역학 계산으로 예측한 대로 도소나이트가 포함된 것으로 나타났습니다.

알루미나 침전은 보크사이트 분해에서 알루미늄을 생산하는 데 있어 가장 중요하고 어려운 단계 중 하나입니다. 알루미늄 제련소의 소성로에서 소비할 수산화알루미나를 생산하려면 침전이 발생해야 하므로 가공 공장에서 사용되는 필터 및 분리 장비는 매우 엄격한 조건에서 작동해야 합니다.

알루미나 플랜트의 여과 및 분리 장비는 펌프, 믹서, 교반기 등 다른 장비를 손상시킬 수 있는 마모성이 높은 보크사이트 잔여물을 제거하면서 고온과 고압 등 열악한 환경에서도 제대로 작동할 수 있도록 견고하고 내구성과 신뢰성, 수명이 오래 지속되어야 합니다. 따라서 세계 최고의 여과 및 분리 장비 중 일부는 이러한 플랜트에서 찾을 수 있습니다.

소성

소성은 공정의 최종 합성 단계이며 알루미나의 형태, 상 조성 및 화학적 조성에 여러 가지 영향을 미칩니다. 일반적으로 온도와 반응 시간이 가장 큰 영향을 미치며, 원하는 형태/조성 목표와 알루미나 소재의 제조 또는 기타 용도에 따라 온도를 설정해야 하며, 이 결과에 도달하는 데 필요한 시간에 따라 반응 시간이 결정됩니다.

가장 널리 사용되는 소성 방법은 카올린 점토를 염산으로 침출한 후 염산으로 염화 알루미늄 6수화물 결정을 침전시킨 다음 공기와 함께 고온에서 소성하여 알루미나를 생산하는 것입니다. 이 방법은 황산이나 질산을 사용하는 공정에 비해 염산을 재생하기 쉽기 때문에 다른 대안보다 많은 장점이 있습니다.

이전의 소성 공정은 알루미나 생산을 위해 6수화물 결정을 500~1,100degC 이상으로 올리는 데 상당한 에너지를 소비했지만, 이 에너지의 대부분은 결합수를 추출하고 6수화물 결정 형태의 중간 결정 형태를 올리는 저온 단계에서 소비되었습니다. 또한 각 단계는 총 가용 에너지의 일부만 소비했습니다.

소성의 고온 및 냉각 단계 모두에서 에너지 사용량을 크게 줄여 알루미나 생산에 필요한 총 에너지 요구량을 크게 낮추는 혁신적인 소성 공정이 개발되었습니다. 이 공정의 핵심은 여러 열교환 단계를 통해 6수화물을 단계적으로 가열하여 소성 온도에 근접한 온도로 높인 후 소성기에 공급하여 알루미나로 최종 변환하는 열교환 시스템입니다. 6수화물은 다양한 열 교환 단계를 통해 냉각되며, 현열은 냉각 단계에서 가열 단계로 전달되어 특정 단계에서 소비되는 온도보다 약간 높은 온도로만 전달됩니다.