Complexitatea extracției aluminiului

Extracția aluminiului din bauxită este unul dintre cele mai complexe procese industriale din lume, implicând o sarcină imensă de excelență științifică și inginerească care asigură o aprovizionare neîntreruptă cu acest metal esențial.

Procesul acid utilizează acizii sulfuric, clorhidric sau nitric ca solvenți pentru a extrage impuritățile din bauxită, cum ar fi oxizii de fier și titan. Modelele XRD au arătat că rata de extracție a aluminei crește pe măsură ce crește concentrația alcalină.

Digestie

Aluminiul este unul dintre cele mai abundente metale de pe Pământ, însă forma sa pură nu poate fi găsită în natură. În schimb, extracția sa necesită mai multe etape care implică digestia, clarificarea, precipitarea și calcinarea pentru a ajunge la stadiul de produs final - aceasta face din aluminiu unul dintre produsele industriale cu cel mai mare consum de energie din lume.

Digestia este o etapă cheie a procesului Bayer de extracție a aluminiului din minereul de bauxită. Pentru a optimiza rata de digestie, se poate scădea temperatura, crește raportul de sodă caustică sau utiliza concentrații mai mari de sodă caustică, însă aceste măsuri s-ar dovedi mai costisitoare și mai incomode decât este necesar pentru rafinării.

Ca parte a procesului de digestie, cea mai mare parte a fierului din bauxită este transformată în ilmenită în fază independentă, în timp ce materialul nemagnetic rămâne sub formă de diaoyudaoită și aluminosilicat de sodiu. Separarea materialelor nemagnetice îmbunătățește digestia aluminei; cu toate acestea, datorită mineralelor închise prezente în structura sa, diaoyudaoitul poate să nu se digere ușor la temperaturi de digestie mai scăzute.

Costurile medii ale energiei asociate producției de alumină diferă foarte mult de la o țară la alta din cauza unor factori precum tipul de tehnologie utilizat, bauxita utilizată și procesele de digestie care variază foarte mult între ele. Cu toate acestea, există anumiți factori comuni care contribuie la creșterea consumului de energie, inclusiv:

Procesul de digestie reprezintă cea mai mare parte a consumului de energie în timpul producției de alumină, deoarece necesită energie electrică și apă pentru încălzirea și agitarea suspensiei, precum și pentru spălarea impurităților argiloase din aceasta. Pentru ca digestia să aibă loc în condiții optime și pentru a reduce risipa de energie, oamenii de știință trebuie să studieze condițiile actuale privind utilizarea acesteia. Oamenii de știință pot realiza acest lucru prin colectarea de date și informații de la centrul de documente și prin intervievarea experților din linia de producție, comparând apoi starea actuală a procesului de digestie cu proiectul său inițial, pentru a identifica abaterile majore.

Clarificare

Extracția aluminiului poate fi un proces complex și consumator de energie, dar esențial pentru multe aplicații comerciale și industriale. Prin urmare, înțelegerea acestei proceduri complexe pentru a-i asigura succesul este extrem de importantă - diagramele pot contribui la clarificarea reacțiilor chimice care au loc în timpul producției și care alcătuiesc această procedură complexă, precum și a semnificației acestora pentru punerea sa în aplicare.

Una dintre etapele cheie implică rafinarea bauxitei în alumină și, în cele din urmă, în aluminiu metalic, fie prin electroliză, fie prin procesul Bayer. Ambele proceduri asigură o aprovizionare fiabilă cu aluminiu metalic prin intermediul acestor procese. Ambele depind de electroliză ca sursă de producție.

Minereul de bauxită este o sursă abundentă de aluminiu și necesită o prelucrare semnificativă pentru a fi transformat într-o soluție bogată în alumină, pregătită pentru etapa următoare. Digestia presupune zdrobirea minereului de bauxită înainte de a-l amesteca cu soluții fierbinți concentrate de hidroxid de sodiu pentru a dizolva conținutul său de alumină, rezultând o licoare limpede. Urmează clarificarea, în cadrul căreia impuritățile (cunoscute sub denumirea colectivă de nămol roșu) sunt separate înainte ca precipitarea și calcinarea să aibă loc pe lichidul clarificat.

Pentru a transforma alumina în aluminiu pur, este necesară topirea prin electroliză. Un amestec de alumină și hidroxid de sodiu este apoi plasat într-o soluție de criolit (fluorură de sodiu și aluminiu), în care trebuie cheltuită o cantitate extraordinară de energie pentru a menține această stare; pentru a produce o tonă de alumină, este nevoie de 14 000-16 000 kilowați oră.

Căldura generată în timpul acestui proces antrenează o reacție electrochimică. Pe măsură ce curentul electric trece prin sistem, oxigenul este produs la anod și combinat cu carbonul pentru a forma dioxid de carbon gazos; aluminiul topit rămas se colectează la catod, care este căptușit cu grafit sau carbon; acesta este sifonat periodic și transportat în cuptoare de păstrare; după ce este rafinat și i se adaugă elemente de aliere, după caz, este turnat în lingouri pentru aplicații viitoare.

Precipitații

Una dintre etapele cheie în extragerea aluminei este precipitarea. Reacțiile de precipitare se prezintă sub diferite forme; în scopul extragerii cristalelor de hidroxid de aluminiu din fluxurile reziduale. Karl Bayer a utilizat cristale cu granulație fină ca semințe pentru lucrările sale inițiale de dezvoltare; această abordare crește randamentul, dar poate duce la concentrații mai mari de carbonat și la creșterea producției de impurități, cum ar fi siliciul, care reduce rata de recuperare a aluminiului.

Pentru a face față acestor provocări, mai multe proiecte de cercetare evaluează în prezent eficacitatea diferitelor rășini schimbătoare de ioni în îmbunătățirea eficienței precipitării. Rășinile schimbătoare de ioni sunt materiale polimerice cu greutate moleculară mare care conțin numeroase grupe funcționale ionice în fiecare moleculă, incluzând de obicei fie grupe de acid sulfonic, fie grupe de acid carboxilic pentru schimb. Ambele tipuri de rășini pot fi utilizate pentru a extrage soda din soluțiile caustice, ceea ce duce la o scădere atât a cauzei totale (TC), cât și a alcalinității totale (TA). În plus, rășinile schimbătoare de cationi pot neutraliza ionii de sodiu prezenți în lichiorul Bayer uzat, ducând la o creștere a suprasaturării în raport cu solubilitatea aluminei.

La diferite condiții de carbonatare, s-a observat că prezența oxigenului a avut un impact benefic asupra ratelor de precipitare. Mai precis, temperatura la care a început precipitarea a crescut considerabil, în timp ce analiza XRD a precipitatului a arătat că acesta conținea dawsonită, așa cum s-a prezis prin calcule termodinamice.

Precipitarea aluminei este una dintre cele mai critice și dificile etape ale producției de aluminiu din digestia bauxitei. Precipitarea trebuie să aibă loc pentru a produce hidroxid de alumină destinat cuptoarelor de calcinare ale topitoriilor de aluminiu; în consecință, echipamentele de filtrare și separare utilizate în fabricile de prelucrare trebuie să funcționeze în condiții extrem de stricte.

Echipamentele de filtrare și separare din fabricile de alumină trebuie să fie robuste, durabile, fiabile și de lungă durată pentru a funcționa corect în medii dificile, inclusiv la temperaturi și presiuni ridicate, eliminând în același timp reziduurile de bauxită extrem de abrazive care pot deteriora alte echipamente precum pompele, malaxoarele și agitatoarele. Astfel, unele dintre cele mai bune echipamente de filtrare și separare din lume pot fi găsite în cadrul acestor instalații.

Calcinare

Calcinarea este etapa sintetică finală a procesului și are influențe multiple asupra morfologiei, compoziției fazelor și compoziției chimice a aluminei. Temperatura și durata reacției au, de obicei, cea mai mare influență; temperatura ar trebui stabilită în funcție de obiectivele dorite în materie de morfologie/compoziție, precum și de fabricarea sau alte utilizări ale acestui material de alumină; timpul necesar pentru atingerea acestui rezultat va dicta durata acestuia.

Cea mai utilizată metodă de calcinare implică levigarea argilelor de caolin cu acid clorhidric înainte de precipitarea cristalelor de hexahidrat de clorură de aluminiu cu acid clorhidric și apoi calcinarea la temperaturi ridicate cu aer pentru a produce alumină. Această abordare are multe avantaje față de procesele care utilizează acizi sulfurici sau azotați, deoarece este mai ușor de regenerat acidul clorhidric decât alternativele sale.

Procesele de calcinare anterioare consumau o cantitate considerabilă de energie pentru a ridica cristalele de hexahidrat la peste 500-1 100degC pentru producția de alumină, dar o mare parte din această energie era consumată în timpul etapelor de temperatură scăzută pentru extragerea apei combinate și creșterea formelor cristaline intermediare ale formei cristaline de hexahidrat. În plus, fiecare etapă a consumat doar o parte din energia totală disponibilă.

A fost dezvoltat un proces inovator de calcinare care reduce semnificativ consumul de energie atât în etapele de temperatură ridicată, cât și în etapele de răcire ale calcinării, reducând semnificativ necesarul total de energie pentru producerea aluminei. La baza acestuia se află un sistem de schimb de căldură care utilizează încălzirea treptată a hexahidratului prin mai multe etape de schimb de căldură la temperaturi din ce în ce mai ridicate, apropiindu-se de temperatura de calcinare, înainte de a-l introduce într-un calcinator pentru transformarea finală în alumină. De asemenea, hexahidratul este răcit prin mai multe etape de schimb de căldură, căldura sensibilă fiind transferată de la etapele de răcire la etapele de încălzire la temperaturi doar puțin mai ridicate decât cele la care este consumată în etapa respectivă.