Kompleksiteten ved utvinning av aluminium

Utvinning av aluminium fra bauksitt er en av verdens mest komplekse industriprosesser, og innebærer et enormt vitenskapelig og teknisk arbeid for å sikre en uavbrutt forsyning av dette viktige metallet.

Syreprosessen bruker svovelsyre, saltsyre eller salpetersyre som løsemidler for å lakke ut urenheter som jern- og titanoksider fra bauksitt. XRD-mønstrene viste at når alkalikonsentrasjonen økte, økte også utvinningsgraden av alumina.

Fordøyelsen

Aluminium er et av de mest tallrike metallene på jorden, men det finnes ikke i ren form i naturen. I stedet krever utvinningen mange trinn med oppslutning, rensing, utfelling og kalsinering for å nå sluttproduktstatus - noe som gjør aluminium til et av verdens mest energikrevende industriprodukter.

Oppslutning er et viktig trinn i Bayer-prosessen for utvinning av aluminium fra bauksittmalm. Mange faktorer påvirker ytelsen, blant annet slurryens temperatur, kaustisk soda-konsentrasjon og kaustisk forhold. For å optimalisere utråtningshastigheten kan man senke temperaturen, øke kaustisk forhold eller bruke høyere kaustisk konsentrasjon, men disse tiltakene vil sannsynligvis vise seg å være mer kostbare og upraktiske for raffineriene enn nødvendig.

Som en del av oppslutningsprosessen omdannes det meste av jernet i bauksitt til ilmenitt i en uavhengig fase, mens ikke-magnetisk materiale blir igjen som diaoyudaoitt og natriumaluminosilikat. Separasjon av ikke-magnetisk materiale forbedrer aluminaoppslutningen, men på grunn av lukkede mineraler i strukturen kan diaoyudaoitt være vanskelig å oppslutte ved lavere oppslutningstemperaturer.

De gjennomsnittlige energikostnadene forbundet med aluminaproduksjon varierer sterkt fra land til land, blant annet på grunn av ulike typer teknologi, bauksitt og oppslutningsprosesser. Det finnes imidlertid visse felles faktorer som bidrar til økt energibruk, blant annet

Oppslutningsprosessen står for mesteparten av energiforbruket under aluminaproduksjonen, ettersom den krever strøm og vann til oppvarming og omrøring av slammet, samt vasking av leireforurensninger. For å oppnå optimal utråtning og redusere energisvinnet, må forskerne studere de nåværende forholdene rundt bruken av den. Forskerne kan oppnå dette ved å samle inn data og informasjon fra dokumentsenteret og intervjue eksperter på produksjonslinjen, og deretter sammenligne dagens utråtningsprosess med den opprinnelige utformingen for å finne de største avvikene.

Avklaring

Aluminiumutvinning kan være en kompleks og energikrevende prosess, men den er likevel avgjørende for mange kommersielle og industrielle bruksområder. Derfor er det svært viktig å forstå denne komplekse prosessen for å sikre at den blir vellykket - diagrammer kan bidra til å kaste lys over de kjemiske reaksjonene som skjer under produksjonen og som utgjør denne komplekse prosessen, og hvilken betydning de har for gjennomføringen av den.

Et av de viktigste trinnene er å raffinere bauksitt til alumina og til slutt aluminiummetall, enten ved hjelp av elektrolyse eller Bayer-prosessen. Begge prosessene gir pålitelige leveranser av aluminiummetall. Begge er avhengige av elektrolyse som produksjonskilde.

Bauksittmalm er en rikholdig kilde til aluminium, og krever betydelig bearbeiding for å omdannes til en aluminarik løsning som er klar for neste trinn. Ved oppredning knuses bauksittmalmen før den blandes med varme, konsentrerte løsninger av natriumhydroksid for å løse opp aluminainnholdet, noe som fører til en klar væske. Deretter følger klaring, der urenheter (også kjent som rødt slam) skilles ut før utfelling og kalsinering kan finne sted på den klarede væsken.

For å omdanne alumina til rent aluminium må man smelte det via elektrolyse. En blanding av aluminiumoksid og natriumhydroksid blir deretter plassert i en kryolittløsning (natriumaluminiumfluorid), der det må brukes usedvanlig mye energi for å holde denne tilstanden. For å produsere ett tonn aluminiumoksid kreves det 14 000-16 000 kilowattimer.

Varmen som genereres under denne prosessen, driver en elektrokjemisk reaksjon. Når den elektriske strømmen går gjennom systemet, produseres oksygen ved anoden og kombineres med karbon for å danne karbondioksidgass. Resten av det smeltede aluminiumet samles ved katoden, som er foret med grafitt eller karbon. Det suges av med jevne mellomrom og transporteres til smelteovner. Når det er raffinert ytterligere og tilsatt legeringselementer etter behov, støpes det til ingots for fremtidige bruksområder.

Nedbør

Et av de viktigste trinnene i utvinning av aluminiumoksid er utfelling. Det finnes ulike former for utfellingsreaksjoner for å utvinne aluminiumhydroksidkrystaller fra avfallsstrømmer. Karl Bayer brukte finkornede krystaller som utgangspunkt for sitt opprinnelige utviklingsarbeid. Denne tilnærmingen øker utbyttet, men kan føre til høyere karbonatkonsentrasjoner og økt produksjon av urenheter som silika, noe som reduserer utvinningsgraden av aluminium.

For å løse disse utfordringene er det for tiden flere forskningsprosjekter som vurderer effekten av ulike ionebyttere for å forbedre fellingseffektiviteten. Ionebytterharpikser er polymere materialer med høy molekylvekt som inneholder mange ioniske funksjonelle grupper i hvert molekyl, vanligvis enten sulfonsyregrupper eller karboksylsyregrupper for utveksling. Begge typer harpiks kan brukes til å trekke ut soda fra kaustiske løsninger, noe som fører til en reduksjon i både total kaustisk (TC) og total alkali (TA). Videre kan kationbytterharpikser nøytralisere natriumioner i brukt Bayer-væske, noe som resulterer i en økning i overmetningen i forhold til løseligheten av aluminiumoksid.

Ved ulike karbonatiseringsbetingelser ble det observert at tilstedeværelse av oksygen hadde en gunstig innvirkning på utfellingshastigheten. Nærmere bestemt økte temperaturen der utfellingen startet betraktelig, mens XRD-analyse av utfellingen viste at den inneholdt dawsonitt, slik termodynamiske beregninger hadde forutsagt.

Utfelling av alumina er et av de mest kritiske og vanskelige trinnene i produksjonen av aluminium fra bauksitt. Utfellingen må skje for å produsere aluminahydroksid som skal brukes i aluminiumsmelteverkenes kalsineringsovner, og filter- og separasjonsutstyret som brukes på prosessanleggene, må derfor fungere under ekstremt strenge forhold.

Filtrerings- og separatorutstyret i aluminaindustrien må være robust, slitesterkt, pålitelig og langvarig for å kunne fungere i tøffe omgivelser, inkludert høye temperaturer og trykk, samtidig som det fjerner svært slipende bauksittrester som kan skade annet utstyr som pumper, miksere og røreverk. Derfor finnes noe av verdens beste filtrerings- og separatorutstyr i slike anlegg.

Kalsinering

Kalsinering er det siste syntetiske trinnet i prosessen, og det har stor innvirkning på morfologien, fasesammensetningen og den kjemiske sammensetningen av alumina. Temperatur og reaksjonsvarighet har vanligvis størst innflytelse; temperaturen bør stilles inn avhengig av ønsket morfologi/sammensetning samt produksjon eller andre bruksområder for dette aluminamaterialet; tiden som trengs for å nå dette resultatet, vil diktere lengden.

Den mest utbredte kalsineringsmetoden innebærer at kaolinleire utvaskes med saltsyre før aluminiumkloridheksahydratkrystaller utfelles med saltsyre og deretter kalsineres ved høy temperatur med luft for å produsere aluminiumoksid. Denne metoden har mange fordeler i forhold til prosesser som bruker svovelsyre eller salpetersyre, ettersom det er lettere å regenerere saltsyre enn alternativene.

Tidligere kalsineringsprosesser brukte mye energi på å heve heksahydratkrystaller til over 500-1 100 °C for å produsere aluminiumoksid, men mye av denne energien ble brukt i lavtemperaturtrinn for å trekke ut vann og heve mellomliggende krystallformer av heksahydratkrystallene. Hvert trinn forbrukte dessuten bare en del av den totale tilgjengelige energien.

Det er utviklet en innovativ kalsineringsprosess som reduserer energiforbruket betydelig både i høytemperatur- og kjøletrinnene i kalsineringen, noe som senker det totale energibehovet for å produsere alumina betraktelig. Kjernen i prosessen er et varmevekslingssystem som bruker trinnvis oppvarming av heksahydrat gjennom flere varmevekslingstrinn til stadig høyere temperaturer som nærmer seg kalsineringstemperaturen, før det mates inn i en kalsiner for endelig omdanning til alumina. Heksahydratet kjøles videre ned gjennom ulike varmevekslingstrinn, der sensitiv varme overføres fra kjøletrinnene til oppvarmingstrinnene ved bare litt høyere temperaturer enn der den forbrukes i det aktuelle trinnet.