A complexidade da extração de alumínio

A mineração de alumínio a partir da bauxita é um dos processos industriais mais complexos do mundo, envolvendo uma imensa tarefa de excelência científica e de engenharia que garante o fornecimento ininterrupto desse metal essencial.

O processo ácido utiliza ácidos sulfúrico, clorídrico ou nítrico como solventes para lixiviar impurezas como óxidos de ferro e titânio da bauxita. Os padrões de XRD mostraram que, à medida que a concentração de álcali aumentava, também aumentava a taxa de extração de alumina.

Digestão

O alumínio é um dos metais mais abundantes da Terra, mas sua forma pura não pode ser encontrada naturalmente. Em vez disso, sua extração requer muitos estágios que envolvem digestão, clarificação, precipitação e calcinação para atingir o status de produto final, o que torna o alumínio um dos produtos industriais com maior consumo de energia do mundo.

A digestão é uma etapa fundamental do Processo Bayer para extrair alumínio do minério de bauxita. Muitos fatores afetam seu desempenho, incluindo a temperatura da pasta, a concentração de soda cáustica e a proporção cáustica; para otimizar a taxa de digestão, é possível reduzir a temperatura, aumentar a proporção cáustica ou usar concentrações cáusticas mais altas, mas essas medidas provavelmente seriam mais caras e inconvenientes do que o necessário para as refinarias.

Como parte do processo de digestão, a maior parte do ferro na bauxita é transformada em ilmenita de fase independente, enquanto o material não magnético permanece como diaoyudaoite e aluminossilicato de sódio. A separação dos materiais não magnéticos melhora a digestão da alumina; entretanto, devido aos minerais fechados presentes em sua estrutura, a diaoyudaoita pode não ser digerida facilmente em temperaturas de digestão mais baixas.

Os custos médios de energia associados à produção de alumina diferem muito entre os países devido a fatores como o tipo de tecnologia usada, a bauxita usada e os processos de digestão que variam muito entre si. No entanto, há certos fatores comuns que contribuem para o aumento do uso de energia, incluindo:

O processo de digestão é responsável pela maior parte do uso de energia durante a produção de alumina, pois requer eletricidade e água para aquecer e agitar a lama, além de lavar as impurezas da argila. Para otimizar a digestão e diminuir o desperdício de energia, os cientistas precisam estudar as condições atuais de sua utilização. Os cientistas podem conseguir isso reunindo dados e informações do centro de documentos e entrevistando especialistas da linha de produção e, em seguida, comparando o estado atual do processo de digestão com seu projeto original, a fim de identificar os principais desvios.

Esclarecimento

A extração de alumínio pode ser um processo complexo e que consome muita energia, mas é essencial para muitas aplicações comerciais e industriais. Portanto, compreender esse procedimento complexo para garantir seu sucesso é de extrema importância - os diagramas podem ajudar a esclarecer as reações químicas que ocorrem durante a produção e que compõem esse procedimento complexo e sua importância para sua implementação.

Uma das principais etapas envolve o refino da bauxita em alumina e, por fim, em alumínio metálico, por meio de eletrólise ou do processo Bayer. Ambos os procedimentos fornecem suprimentos confiáveis de alumínio metálico por meio desses processos. Ambos dependem da eletrólise como fonte de produção.

O minério de bauxita é uma fonte abundante de alumínio e requer um processamento significativo para ser convertido em uma solução rica em alumina, pronta para o próximo estágio. A digestão envolve a trituração do minério de bauxita antes de misturá-lo com soluções concentradas a quente de hidróxido de sódio para dissolver seu conteúdo de alumina, resultando em um licor claro. Em seguida, vem a clarificação, em que as impurezas (conhecidas coletivamente como lama vermelha) são separadas antes que a precipitação e a calcinação possam ocorrer no líquido clarificado.

Para converter a alumina em alumínio puro, é necessário realizar a fundição por eletrólise. Uma mistura de alumina e hidróxido de sódio é então colocada em uma solução de criolita (fluoreto de alumínio e sódio), onde uma quantidade extraordinária de energia deve ser gasta para manter esse estado; para produzir uma tonelada de alumina, são necessários de 14.000 a 16.000 quilowatts-hora.

O calor gerado durante esse processo impulsiona uma reação eletroquímica. À medida que a corrente elétrica passa pelo sistema, o oxigênio é produzido no ânodo e combinado com o carbono para formar o gás dióxido de carbono; o alumínio derretido restante é coletado no cátodo, que é revestido com grafite ou carbono; ele é retirado periodicamente e transportado para fornos de retenção; depois de mais refinado e com a adição de elementos de liga, conforme necessário, ele é fundido em lingotes para aplicações futuras.

Precipitação

Uma das principais etapas da extração de alumina é a precipitação. As reações de precipitação ocorrem de várias formas, com o objetivo de extrair cristais de hidróxido de alumínio de fluxos de resíduos. Karl Bayer usou cristais de granulação fina como semente em seu trabalho de desenvolvimento original; essa abordagem aumenta o rendimento, mas pode resultar em concentrações mais altas de carbonato e aumenta a produção de impurezas, como a sílica, que reduz a taxa de recuperação do alumínio.

Para enfrentar esses desafios, vários projetos de pesquisa estão atualmente avaliando a eficácia de diferentes resinas de troca iônica para melhorar a eficiência da precipitação. As resinas de troca iônica são materiais poliméricos de alto peso molecular que contêm vários grupos funcionais iônicos em cada molécula, geralmente incluindo grupos de ácido sulfônico ou grupos de ácido carboxílico para troca. Ambos os tipos de resina podem ser utilizados para extrair soda de soluções cáusticas, levando a uma diminuição do cáustico total (TC) e do álcali total (TA). Além disso, as resinas de troca catiônica podem neutralizar os íons de sódio presentes no licor Bayer gasto, resultando em um aumento da supersaturação em relação à solubilidade da alumina.

Em várias condições de carbonatação, observou-se que a presença de oxigênio teve um impacto benéfico nas taxas de precipitação. Mais especificamente, a temperatura na qual a precipitação começou aumentou consideravelmente, enquanto a análise de XRD do precipitado mostrou que ele continha dawsonita, conforme previsto pelos cálculos termodinâmicos.

A precipitação da alumina é um dos estágios mais críticos e difíceis na produção de alumínio a partir da digestão da bauxita. A precipitação deve ocorrer para produzir hidróxido de alumina para consumo nos fornos de calcinação das fundições de alumínio; consequentemente, os equipamentos de filtragem e separação usados nas plantas de processamento devem operar sob condições extremamente rigorosas.

Os equipamentos de filtragem e separação encontrados nas fábricas de alumina devem ser robustos, duráveis, confiáveis e de longa duração para a operação adequada em ambientes adversos, incluindo altas temperaturas e pressões, ao mesmo tempo em que eliminam resíduos de bauxita altamente abrasivos que podem danificar outros equipamentos, como bombas, misturadores e agitadores. Por isso, alguns dos melhores equipamentos de filtragem e separação do mundo podem ser encontrados nessas plantas.

Calcinação

A calcinação é a etapa sintética final do processo e tem várias influências sobre a morfologia, a composição da fase e a composição química da alumina. A temperatura e a duração da reação costumam ter a maior influência; a temperatura deve ser definida de acordo com as metas de morfologia/composição desejadas, bem como com a fabricação ou outros usos desse material de alumina; o tempo necessário para alcançar esse resultado ditará sua duração.

O método de calcinação mais amplamente utilizado envolve a lixiviação de argilas de caulim com ácido clorídrico antes de precipitar cristais de cloreto de alumínio hexa-hidratado com ácido clorídrico e, em seguida, calcinar em alta temperatura com ar para produzir alumina. Essa abordagem tem muitas vantagens sobre os processos que utilizam ácidos sulfúrico ou nítrico, pois é mais fácil regenerar o ácido clorídrico do que suas alternativas.

Os processos de calcinação anteriores consumiam uma energia considerável para elevar os cristais hexahidratados acima de 500-1.100degC para a produção de alumina, mas grande parte dessa energia era consumida durante os estágios de baixa temperatura para extrair a água combinada e elevar as formas cristalinas intermediárias da forma cristalina hexahidratada. Além disso, cada estágio consumiu apenas uma parte da energia total disponível.

Foi desenvolvido um processo inovador de calcinação que reduz significativamente o uso de energia nos estágios de alta temperatura e de resfriamento da calcinação, diminuindo significativamente os requisitos totais de energia para a produção de alumina. Em seu cerne está um sistema de troca de calor que usa o aquecimento gradual do hexahidrato por meio de vários estágios de troca de calor até temperaturas cada vez mais altas, próximas à temperatura de calcinação, antes de alimentá-lo em um calcinador para a conversão final em alumina. O hexahidrato é resfriado ainda mais por meio de vários estágios de troca de calor, com o calor sensível sendo transferido de seus estágios de resfriamento para os estágios de aquecimento em temperaturas apenas ligeiramente mais altas do que aquelas em que é consumido naquele estágio específico.