Utvinningsprosessen for bauksitt og alumina

Dr. Donoghue og Frisch er heltidsansatte i Alcoa of Australia.

Bauksitt er det viktigste råmaterialet for produksjon av aluminium, og finnes i store forekomster over hele verden. Bauksitt knuses og kokes i kaustisk soda før den tilsettes frø av aluminiumhydroksid, kalt gibbsitt, for å få den til å utfelle til rødt slamavfall, noe som etterlater et miljøskadelig rødt slam som har fått alvorlige konsekvenser i mange land.

Bayer-prosessen

Bauksittmalm, som utvinnes for produksjon av aluminium, inneholder hydroksider og oksyhydroksider av aluminium2 (gibbsitt, bayeritt og nordstranditt), oksider av jern2 (ferrisitt og goethitt) og titandioksid2 (rutil og diaspore). Bayer-prosessen omdanner denne bauksittmalmen kjemisk til aluminiumoksid - det første steget mot produksjon av rent aluminiummetall gjennom Hall-Heroult elektrolytisk prosess.

Både utråtning og klaring i Bayer-prosessen er svært viktige trinn. Uoppløselige rester som oppstår under oppslutningen, kalles rødslam, og må renses av miljøhensyn. Videre må en aluminatløsning som blir igjen etter klaring, renses - bruk av NaCl-fri kaustisk løsning, ionebytterrensing eller sintring ved høy temperatur kan alle bidra til å kontrollere forurensningsnivåene i disse to strømmene.

Klaring av en aluminatløsning skjer ved hjelp av gravitasjonssedimentering og skylling med vann i fortykningsmaskiner (også kalt "raking thickeners"), slik at man får en konsentrert natriumaluminatløsning som egner seg for utfelling til aluminiumoxidtrihydrat. Grove partikler ekstraheres ved hjelp av råsykloner, mens finere partikler holdes tilbake ved filtrering. Deretter kjøles løsningen ytterligere ned for å øke overmetningen før den pumpes til høye silolignende utfellingsanlegg. Dette gir utfelt aluminiumoksidhydrat som deretter må vaskes, filtreres og tørkes før det spaltes til kommersielt rent aluminiumoksid2.

I den elektrolytiske Hall-Heroult-prosessen skilles metallisk aluminium med små mengder ferritt (mindre urenheter) fra smeltet salt (en blanding av natriumklorid og kalsiumklorid) ved å føre elektrisk strøm gjennom en aluminatløsning som inneholder karbon fra en anodeelektrode, der karbon reagerer med andre urenheter og danner en hvitkrystallinsk forbindelse som kalles aluminat, som overføres til store holdovner der urenheter fjernes mens legeringselementer tilsettes for å produsere rent aluminium.

Det er en stor utfordring å holde forurensningsnivåene i Bayer-prosessen under de forhåndsbestemte nivåene, samtidig som man produserer avløpsvann som kan slippes direkte ut i naturlige resipienter uten ytterligere behandling. For å lykkes med dette må faktorer som håndtering av endringer i bauksittmineralogien, optimalisering av produksjonshastigheten, kontroll av konkurrerende reaksjoner og minimering av tap fra avleiringer av rødt slam virke sammen.

Smelting

Bauksitt, en aluminiumoksidbergart, kan utvinnes og raffineres for å produsere aluminium. Gruve- og raffineringsprosessene produserer betydelige mengder avfall som inneholder giftige elementer som TENORM (Trace Elements of Natural Origin). For å minimere avfallet som genereres i denne prosessen, ville det være en fordel om man kunne finne metoder for å gjenbruke så mye aluminiumoksid som mulig.

Alumina brukes i stor utstrekning som råmateriale i industriprodukter som glass, porselen og metallmaling til biler. Aluminiumoksid har også mange andre bruksområder på grunn av sin lave elektriske ledningsevne, motstand mot kjemiske angrep, ekstreme styrke og hardhet (9 på Mohs' hardhetsskala).

Som en del av gruve- og raffineringsprosessene for alumina er det nødvendig å rydde landområder for vegetasjon og trær som kan være til hinder for driften. Bauksitten brytes opp ved hjelp av sprengning, boring, oppriving og svært store bulldosere før den lastes på lastebiler, jernbanevogner eller transportbånd for å fraktes til raffinerier i nærheten.

I starten av aluminaraffineringsprosessen brytes alumina opp og senkes ned i en kaustisk sodaoppløsning for å danne en overmettet natriumaluminatoppløsning. Deretter overføres den til en slamreaktor der den varmes opp til høye temperaturer for å fjerne kjemisk bundet vann gjennom en prosess som kalles kalsinering, slik at det dannes størknet aluminahydrat som lagres i mursteinsforede gryter før karbonanoder introduseres og elektrisk strøm sendes gjennom dem for å elektrolysere alumina til rent aluminium, som deretter overføres tilbake til gryter før det til slutt overføres tilbake til støpehusene der det dannes billets med ulike former ved innlevering.

Etter at billettene er kappet til ingots, brukes de til å rulle lange stenger som kalles armeringsjern, som deretter kan kappes i ulike lengder og brukes deretter. Til slutt smeltes disse lange stengene for å produsere barrer for videre bearbeiding.

Støping

Aluminium er et sentralt element i dagens moderne verden, og brukes overalt, fra bygninger og biler til emballasje og sportsutstyr. Men aluminium forekommer ikke naturlig som rent metall, men gjennomgår en komplisert omdanningsprosess fra sin opprinnelse som bauxittmalm til det lettvektsmetallet vi alle kjenner og nyter godt av i dag.

Først utvinnes bauksitt fra jorden ved hjelp av teknikker som boring, sprengning og riving med store bulldosere. Deretter knuses og vaskes bauksitten før den transporteres til et aluminaraffineri i nærheten, som bruker Bayer-raffineringsprosessen for å produsere alumina.

Varm kaustisk soda brukes til å løse opp de aluminiumholdige mineralene som finnes i bauksitt (gibbsitt, bohmitt og diaspore), slik at det dannes en overmettet natriumaluminatoppløsning, kjent som svovel, som deretter sendes til kalsinering i en ovn for kalsinering av aluminiumoksid (Al2O3), før den vaskes, tørkes og varmes opp igjen for å drive ut det gjenværende krystalliseringsvannet, slik at det produseres aluminiumoksid med høy renhet, som deretter danner et tørt, hvitt sandmateriale kjent som aluminahydrat.

Alumina brukes i en rekke produkter, blant annet ildfaste materialer, kjemiske produkter og råmaterialer som gips og silisiumdioksyd, og noe resirkuleres til og med tilbake i selve raffineringsprosessen.

Raffinering av alumina genererer to til tre tonn avfall for hvert tonn som produseres. Disse materialene, kjent som rødt slam, må håndteres forsiktig for å minimere miljøpåvirkningen.

Når aluminaen er raffinert, støpes den i barrer som brukes til ulike formål. De kan valses til plater, folie og stenger, trekkes til tråd som blir til kabler for elektriske overføringslinjer, støpes til komplekse former eller ekstruderte profiler som vindusrammer, og de kan til og med resirkuleres tilbake til ingots igjen - noe som gjør aluminium til et uendelig resirkulerbart metall! I tillegg finnes det ulike legeringer som har spesifikke egenskaper for å oppfylle ulike kundekrav.

Gjenvinning

Aluminium er et av de mest utbredte metallene som brukes i en rekke produkter, alt fra brusbokser til bildeler, men det finnes ikke i ren form i naturen. I stedet må det utvinnes fra bauksittbergarter som inneholder ulike former for aluminiumoksider og raffineres til alumina før det til slutt blir til aluminium i denne tretrinnsprosessen som krever både energi- og vannressurser.

Som en del av gruveprosessen må aluminagruvedriften først fjerne overdekningen - lag av stein og leire som dekker bauxitten - ved hjelp av sprengnings- eller boremetoder. Når dette materialet er løsnet, kan det lastes på lastebiler og transporteres til et aluminaverk for bearbeiding.

På et bauksittforedlingsanlegg knuses malmen for å redusere størrelsen, før den senkes ned i varm kaustisk soda for å løse opp aluminiumholdige mineraler som gibbsitt og bohmitt, før den skilles fra silisiumdioksyd og blir til en overmettet natriumaluminatløsning, også kjent som gravidlut.

En del av den drektige væsken blir bearbeidet for å lage aluminiumhydroksid, mer kjent som lesket kalk, mens resten av den sendes direkte til et aluminaraffineri der komponentene gjennomgår kjemiske reaksjoner som omdanner dem til aluminiummetall.

Aluminiumoksid er et uunnværlig industrielt materiale som brukes til mange ulike formål i alt fra plastproduksjon til slipemidler. Alumina spiller også en nøkkelrolle i mange typer brannhemmere.

Selv om utvinning og raffinering av aluminiumoksid kan være svært resirkulerbart, er det fortsatt noen miljøproblemer knyttet til utvinning og raffinering. Disse omfatter støyforurensning, ergonomiske problemer, risiko for traumer og sprut av kaustisk soda på huden eller i øynene. I tillegg har både bauksittstøv og aluminapulver blitt forbundet med luftveiskomplikasjoner, inkludert irritasjon eller lungebetennelse.

Noen arbeidere har rapportert om helseproblemer som kreft, nyresykdommer og leverskader som følge av eksponering for bauksittstøv og aluminastøv samt ulike forurensninger. Studier har imidlertid vist at dagens beste praksis innen gruvedrift og raffinering ikke ser ut til å øke risikoen for disse problemene.