Het ontginningsproces van bauxiet en aluminiumoxide

Dr. Donoghue en de heer Frisch zijn fulltime werknemers van Alcoa of Australia.

Bauxiet is de primaire grondstof voor de productie van aluminium en wordt wereldwijd in grote afzettingen gevonden. Bauxiet wordt vermalen en gekookt in een natriumhydroxideoplossing voordat het wordt bezaaid met zaden van aluminiumhydroxide, gibbsiet genaamd, om het te laten neerslaan in rode modder, waardoor een voor het milieu schadelijk rood slijmresidu achterblijft dat in veel landen ernstige gevolgen heeft gehad.

Bayer-proces

Bauxieterts, dat wordt gedolven voor de productie van aluminium, bevat hydroxiden en oxyhydroxiden van aluminium2 (gibbsiet, bayeriet en nordstrandiet), ijzeroxiden2 (ferrisiet en goethiet) en titaandioxide2 (rutiel en diaspore). Het Bayerproces zet dit bauxieterts chemisch om in aluminiumoxide - de eerste stap naar de productie van zuiver aluminiummetaal via het Hall-Heroult elektrolytisch proces.

Zowel de vergisting als de klaringsstappen in het Bayerproces zijn van vitaal belang. Alle onoplosbare resten die tijdens het ontsluiten ontstaan, worden rode modder genoemd en moeten om milieuredenen worden opgeruimd. Bovendien moet een aluminaatoplossing die overblijft na het klaren worden gezuiverd - het gebruik van NaCl-vrije natronloog, ionenuitwisseling of sinteren bij hoge temperatuur kan allemaal helpen om de onzuiverheidsniveaus in deze twee stromen onder controle te houden.

Klaring van een aluminaatoplossing wordt bereikt door zwaartekrachtbezinking en spoelen met water in indikkers (ook wel harkindikkers genoemd), waardoor een geconcentreerde natriumaluminaatoplossing ontstaat die geschikt is voor precipitatie tot aluminiumoxide trihydraat. Grove deeltjes worden afgezogen met behulp van ruwe cyclonen terwijl fijnere vaste deeltjes worden tegengehouden door filteren; vervolgens wordt de oplossing verder gekoeld om de oververzadiging te verhogen voordat het naar hoge silolike precipitators wordt gepompt; dit produceert neergeslagen aluminiumoxidehydraat dat vervolgens gewassen, gefilterd en gedroogd moet worden voordat het wordt ontleed tot commercieel zuiver aluminiumoxide2.

In het Hall-Heroult elektrolytisch proces wordt metallisch aluminium met kleine hoeveelheden ferrietonzuiverheden (minder belangrijke onzuiverheden) gescheiden van gesmolten zout (een mengsel van natriumchloride en calciumchloride) door een elektrische stroom door een aluminaatoplossing te laten gaan die koolstof bevat van een anode-elektrode, waar koolstof reageert met andere onzuiverheden en een witkristallijne verbinding vormt die aluminaat wordt genoemd en naar grote houdovens wordt overgebracht waar onzuiverheden worden verwijderd terwijl legeringselementen worden toegevoegd om zuiver aluminium te produceren.

Het is een grote uitdaging om de onzuiverheidsniveaus in de blow-downstream van het Bayer-proces onder de vooraf bepaalde niveaus te houden en tegelijkertijd effluent te produceren dat zonder extra behandeling rechtstreeks in natuurlijke ontvangende wateren kan worden geloosd. Om deze prestatie te leveren, moeten factoren zoals het beheren van veranderingen in de mineralogie van bauxiet, het optimaliseren van de productiesnelheden, het beheersen van concurrerende reacties en het minimaliseren van verliezen uit rode modderafzettingen allemaal in harmonie samenkomen om dit te laten slagen.

Smelten

Bauxiet, een aluminiumoxide gesteente, kan worden gedolven en geraffineerd om aluminium te produceren. Mijnbouw- en raffinageprocessen produceren veel afvalmateriaal dat giftige elementen zoals TENORM (Trace Elements of Natural Origin) bevat. Aluminiumoxide gaat vervolgens naar een aluminiumsmelterij voor omzetting in metaal door elektrolyse; om het afval dat tijdens dit proces ontstaat te minimaliseren, zou het goed zijn als er methoden konden worden gevonden om zo veel mogelijk aluminiumoxide te hergebruiken.

Aluminiumoxide wordt op grote schaal gebruikt als grondstof in industriële producten zoals glas, porselein en metallic verf voor auto's. Aluminiumoxide kent ook vele andere toepassingen vanwege zijn lage elektrische geleidbaarheid, weerstand tegen chemische aantasting, extreme sterkte en hardheid (9 op de hardheidsschaal van Mohs).

Als onderdeel van de mijnbouw- en raffinageprocessen voor aluminiumoxide is het noodzakelijk om land te ontdoen van vegetatie en bomen die de werkzaamheden kunnen hinderen. Bauxiet wordt uiteengereten met behulp van explosieven, boren, scheuren en zeer grote bulldozers voordat het op vrachtwagens, treinwagons of transportbanden wordt geladen voor vervoer naar nabijgelegen raffinaderijen.

Aan het begin van het aluminiumoxideraffinageproces wordt aluminiumoxide gebroken en ondergedompeld in een natriumhydroxideoplossing om een oververzadigde natriumaluminaatoplossing te vormen. Het wordt dan overgebracht naar een slurryreactor waar het wordt verhit bij hoge temperaturen om chemisch gecombineerd water te verwijderen door middel van een proces dat calcineren wordt genoemd, waarbij gestold aluminiumoxidehydraat wordt geproduceerd dat dan wordt opgeslagen in met bakstenen beklede potten voordat er koolstofanoden worden ingebracht en er een elektrische stroom doorheen wordt geleid om het aluminiumoxide te elektrolyseren tot zuiver aluminium dat dan weer wordt overgebracht in potten voordat het uiteindelijk wordt overgebracht naar giethuizen waar knuppels met verschillende vormen met de hand worden gevormd.

Nadat de knuppels in blokken zijn gesneden, worden ze gebruikt om lange staven betonstaal te walsen, die vervolgens op verschillende lengtes kunnen worden gesneden en gebruikt. Tot slot worden deze lange staven gesmolten tot ingots voor verdere verwerking.

Gieten

Aluminium is een centraal element in de moderne wereld van vandaag en wordt overal gebruikt, van gebouwen en auto's tot verpakkingen en sportuitrusting. Maar aluminium komt van nature niet voor als puur metaal; het ondergaat een ingewikkeld omzettingsproces van zijn oorsprong als bauxieterts tot het lichtgewicht metaal dat we tegenwoordig allemaal kennen en waarvan we genieten.

Eerst wordt bauxiet uit de grond gewonnen met technieken als boren, springen en scheuren met grote bulldozers. Daarna wordt het gebroken en gewassen voordat het wordt vervoerd naar een nabijgelegen aluminiumoxideraffinaderij die het Bayer-raffinageproces gebruikt om aluminiumoxide te produceren.

Een hete natriumhydroxideoplossing wordt gebruikt om de aluminiumhoudende mineralen in bauxiet (gibbsiet, bohmiet en diaspore) op te lossen tot een oververzadigde natriumaluminaatoplossing die bekend staat als drijfloog. Deze oplossing wordt vervolgens naar een aluminiumoxideoven (Al2O3) gestuurd om te worden gecalcineerd voordat het wordt gewassen, gedroogd en opnieuw verhit om eventueel achtergebleven kristallisatiewater af te drijven om zo zeer zuiver aluminiumoxide te produceren dat vervolgens droog wit zanderig materiaal vormt dat bekend staat als aluminiumoxidehydraat.

Aluminiumoxide wordt gebruikt in verschillende producten, waaronder vuurvaste materialen, chemische producten en grondstoffen zoals gips en silica; een deel wordt zelfs gerecycled in het raffinageproces zelf.

Het raffineren van aluminiumoxide genereert twee tot drie ton afval voor elke ton die wordt geproduceerd; deze materialen, bekend als rode modder, moeten zorgvuldig worden behandeld om de gevolgen voor het milieu tot een minimum te beperken.

Eenmaal geraffineerd wordt aluminiumoxide gegoten tot ingots voor gebruik in verschillende toepassingen. Ze kunnen worden gewalst tot platen, folie en staven; getrokken tot draad die wordt geslagen in kabels voor elektriciteitsleidingen; gegoten tot complexe vormen of geëxtrudeerde profielen zoals raamkozijnen; ze kunnen zelfs weer worden gerecycled tot ingots - waardoor aluminium een oneindig recyclebaar metaal wordt! Bovendien bestaan er verschillende legeringen met specifieke eigenschappen om te voldoen aan verschillende eisen van klanten.

Recycling

Aluminium is een van de meest gebruikte metalen in tal van producten, van frisdrankblikjes tot auto-onderdelen, maar komt van nature niet in zuivere vorm voor. In plaats daarvan moet het worden gewonnen uit bauxietrotsen die verschillende vormen van aluminiumoxiden bevatten en worden geraffineerd tot aluminiumoxide voordat het uiteindelijk aluminium wordt in dit proces dat uit drie stappen bestaat en energie- en waterbronnen vergt.

Als onderdeel van het ontginningsproces moet bij aluminiumoxidewinning eerst de deklaag - lagen gesteente en klei die het bauxiet bedekken - worden verwijderd door middel van opblazen of boren. Als dit materiaal eenmaal los is, kan het op vrachtwagens geladen worden om naar een aluminiumfabriek vervoerd te worden voor verwerking.

In een bauxietverwerkingsfabriek wordt het erts gebroken om het te verkleinen voordat het wordt ondergedompeld in heet natronloog om aluminiumhoudende mineralen zoals gibbsiet en bohmiet op te lossen voordat het van silica wordt gescheiden tot een oververzadigde oplossing van natriumaluminaat die bekend staat als drijfvloeistof.

Een deel van de drijfvloeistof wordt verwerkt tot aluminiumhydroxide, beter bekend als gebluste kalk, terwijl de rest rechtstreeks naar een aluminiumoxideraffinaderij wordt gestuurd waar de componenten chemische reacties ondergaan die er aluminiummetaal van maken.

Aluminiumoxide is een onmisbaar industrieel materiaal dat wordt gebruikt voor veel verschillende toepassingen in industrieën van kunststofproductie tot schuurmiddelen. Aluminiumoxide speelt ook een sleutelrol in veel soorten brandvertragers.

Hoewel de winning en raffinage van aluminiumoxide in hoge mate recyclebaar is, zijn er nog steeds enkele milieukwesties die verband houden met de winning en raffinage. Deze omvatten geluidsoverlast, ergonomische problemen, trauma risico's en spatten van natronloog in de huid of ogen. Bovendien worden zowel bauxietstof als aluminiumoxidepoeder in verband gebracht met ademhalingscomplicaties, waaronder irritatie of ontsteking van de longen.

Sommige arbeiders hebben melding gemaakt van gezondheidsproblemen zoals kanker, nieraandoeningen en leverschade die worden toegeschreven aan blootstelling aan bauxiet- en aluminiumoxidestof en diverse verontreinigende stoffen; uitgevoerde studies hebben echter aangetoond dat de huidige beste praktijken in de mijnbouw en de raffinage het risico op deze problemen niet lijken te verhogen.