Zložitosť ťažby hliníka

Ťažba hliníka z bauxitu je jedným z najzložitejších priemyselných procesov na svete, ktorý zahŕňa obrovské množstvo vedeckých a technických úloh, ktoré zabezpečujú nepretržité dodávky tohto základného kovu.

Pri kyslom procese sa používajú kyseliny sírová, chlorovodíková alebo dusičná ako rozpúšťadlá na vylúhovanie nečistôt, ako sú oxidy železa a titánu z bauxitu. Vzorky XRD ukázali, že so zvyšujúcou sa koncentráciou alkálií sa zvyšoval aj pomer extrakcie oxidu hlinitého.

Trávenie

Hliník je jedným z najrozšírenejších kovov na Zemi, ale jeho čistá forma sa v prírode nenachádza. Namiesto toho si jeho ťažba vyžaduje mnoho fáz zahŕňajúcich rozklad, čistenie, zrážanie a kalcináciu, aby sa dosiahol konečný stav výrobku - to robí z hliníka jeden z energeticky najnáročnejších priemyselných výrobkov na svete.

Digescia je kľúčovým krokom Bayerovho procesu získavania hliníka z bauxitovej rudy. Na jej výkon má vplyv mnoho faktorov vrátane teploty suspenzie, koncentrácie sódy kaustickej a pomeru kaustických látok; na optimalizáciu rýchlosti vyhnívania by ste mohli znížiť teplotu, zvýšiť pomer kaustických látok alebo použiť vyššie koncentrácie kaustických látok, ale tieto opatrenia by boli pre rafinérie pravdepodobne nákladnejšie a nepohodlnejšie, ako je potrebné.

V rámci procesu rozkladu sa väčšina železa v bauxite mení na nezávislú fázu ilmenitu, zatiaľ čo nemagnetický materiál zostáva vo forme diaoyudaoitu a hlinitokremičitanu sodného. Oddelenie nemagnetických materiálov zlepšuje rozklad oxidu hlinitého, avšak vzhľadom na uzavreté minerály prítomné v jeho štruktúre sa diaoyudaoit nemusí ľahko rozkladať pri nižších teplotách rozkladu.

Priemerné náklady na energiu spojené s výrobou oxidu hlinitého sa v jednotlivých krajinách výrazne líšia v dôsledku faktorov, ako je typ použitej technológie, použitý bauxit a procesy rozkladu, ktoré sa navzájom výrazne líšia. Existujú však určité spoločné faktory, ktoré prispievajú k zvýšenej spotrebe energie, vrátane:

Proces fermentácie predstavuje väčšinu spotreby energie pri výrobe oxidu hlinitého, pretože si vyžaduje elektrickú energiu a vodu na ohrievanie a miešanie kalu a na vyplavovanie ílových nečistôt. Na to, aby prebiehala optimálna digescia a aby sa znížili energetické straty, musia vedci preskúmať súčasné podmienky jej využívania. Vedci to môžu dosiahnuť zhromažďovaním údajov a informácií z dokumentačného centra a rozhovormi s odborníkmi na výrobnú linku, potom porovnaním súčasného stavu procesu vyhnívania s jeho pôvodným návrhom, aby sa určili hlavné odchýlky.

Objasnenie

Získavanie hliníka môže byť zložitý a energeticky náročný proces, ktorý je však nevyhnutný pre mnohé komerčné a priemyselné aplikácie. Preto je pochopenie tohto zložitého postupu na zabezpečenie jeho úspešnosti mimoriadne dôležité - diagramy môžu pomôcť objasniť chemické reakcie prebiehajúce počas výroby, ktoré tvoria tento zložitý postup, a ich význam pre jeho realizáciu.

Jedným z kľúčových krokov je rafinácia bauxitu na oxid hlinitý a nakoniec na kovový hliník, a to buď elektrolýzou, alebo Bayerovým procesom. Oba postupy zabezpečujú spoľahlivé dodávky kovového hliníka prostredníctvom týchto procesov. Oba sú závislé od elektrolýzy ako výrobného zdroja.

Bauxitová ruda je bohatým zdrojom hliníka a vyžaduje si značné spracovanie, aby sa premenila na roztok bohatý na oxid hlinitý pripravený na ďalšiu fázu. Digescia zahŕňa drvenie bauxitovej rudy pred jej zmiešaním s horúcimi koncentrovanými roztokmi hydroxidu sodného s cieľom rozpustiť obsah oxidu hlinitého, čo vedie k získaniu číreho lúhu. Potom nasleduje čírenie, pri ktorom sa oddeľujú nečistoty (súhrnne známe ako červené bahno) pred zrážaním a kalcináciou vyčírenej kvapaliny.

Na premenu oxidu hlinitého na čistý hliník je potrebné tavenie elektrolýzou. Zmes oxidu hlinitého a hydroxidu sodného sa potom umiestni do kryolitového roztoku (fluorid hlinito-hlinitý), pričom na udržanie tohto stavu sa musí vynaložiť mimoriadne veľa energie; na výrobu jednej tony oxidu hlinitého je potrebných 14 000 - 16 000 kilowatthodín.

Teplo vznikajúce počas tohto procesu poháňa elektrochemickú reakciu. Pri prechode elektrického prúdu systémom sa na anóde vytvára kyslík, ktorý sa spája s uhlíkom za vzniku plynného oxidu uhličitého; zvyšný roztavený hliník sa zhromažďuje na katóde, ktorá je vyložená grafitom alebo uhlíkom; pravidelne sa odčerpáva a prepravuje do udržiavacích pecí; po ďalšej rafinácii a pridaní legujúcich prvkov podľa potreby sa odlieva do ingotov na budúce použitie.

Zrážky

Jedným z kľúčových krokov pri získavaní oxidu hlinitého je zrážanie. Zrážacie reakcie majú rôzne formy; na účely extrakcie kryštálov hydroxidu hlinitého z odpadových tokov. Karl Bayer pri svojej pôvodnej vývojovej práci použil ako semeno jemnozrnné kryštály; tento prístup zvyšuje výťažnosť, ale môže mať za následok vyššie koncentrácie uhličitanov a zvyšuje produkciu nečistôt, ako je oxid kremičitý, ktorý znižuje mieru výťažnosti hliníka.

Na riešenie týchto výziev sa v súčasnosti v rámci niekoľkých výskumných projektov hodnotí účinnosť rôznych iónovo-výmenných živíc pri zlepšovaní účinnosti zrážania. Živice na výmenu iónov sú vysokomolekulové polymérne materiály obsahujúce v každej molekule množstvo iónových funkčných skupín, ktoré zvyčajne zahŕňajú buď skupiny kyseliny sulfónovej, alebo skupiny kyseliny karboxylovej na výmenu. Oba typy živíc sa môžu použiť na extrakciu sódy zo žieravých roztokov, čo vedie k zníženiu celkového obsahu žieraviny (TC) aj celkového obsahu alkálií (TA). Okrem toho môžu živice na výmenu katiónov neutralizovať sodné ióny prítomné v použitom bayerovom lúhu, čo vedie k zvýšeniu presýtenia v porovnaní s rozpustnosťou oxidu hlinitého.

Pri rôznych podmienkach karbonizácie sa zistilo, že prítomnosť kyslíka má priaznivý vplyv na rýchlosť zrážania. Presnejšie, teplota, pri ktorej sa zrážanie začalo, sa výrazne zvýšila, zatiaľ čo XRD analýza zrazeniny ukázala, že obsahuje dawsonit, ako sa predpokladalo na základe termodynamických výpočtov.

Zrážanie oxidu hlinitého je jednou z najkritickejších a najťažších fáz výroby hliníka z bauxitu. Zrážanie sa musí uskutočniť, aby sa vyrobil hydroxid hlinitý, ktorý sa spotrebuje v kalcinačných peciach hlinikární; preto filtračné a separačné zariadenia používané v spracovateľských závodoch musia pracovať za mimoriadne prísnych podmienok.

Filtračné a odlučovacie zariadenia v závodoch na výrobu oxidu hlinitého musia byť robustné, odolné, spoľahlivé a s dlhou životnosťou, aby mohli správne fungovať v náročných podmienkach vrátane vysokých teplôt a tlakov a zároveň odstraňovať vysoko abrazívne zvyšky bauxitu, ktoré môžu poškodiť iné zariadenia, ako sú čerpadlá, miešačky a miešadlá. V takýchto zariadeniach sa preto nachádzajú niektoré z najlepších filtračných a odlučovacích zariadení na svete.

Kalcinácia

Kalcinácia je posledným syntetickým krokom v procese a má viacero vplyvov na morfológiu, fázové zloženie a chemické zloženie oxidu hlinitého. Teplota a trvanie reakcie majú zvyčajne najväčší vplyv; teplota by sa mala nastaviť v závislosti od požadovaných cieľov morfológie/zloženia, ako aj od výrobných alebo iných použití tohto materiálu oxidu hlinitého; čas potrebný na dosiahnutie tohto výsledku bude určovať jeho dĺžku.

Najrozšírenejšia metóda kalcinácie zahŕňa lúhovanie kaolínových ílov kyselinou chlorovodíkovou pred vyzrážaním kryštálov hexahydrátu chloridu hlinitého kyselinou chlorovodíkovou a následným kalcinovaním pri vysokej teplote so vzduchom na výrobu oxidu hlinitého. Tento prístup má mnoho výhod oproti procesom, pri ktorých sa využíva kyselina sírová alebo dusičná, pretože je jednoduchšie regenerovať kyselinu chlorovodíkovú ako jej alternatívy.

Predchádzajúce kalcinačné procesy spotrebovali značné množstvo energie na zvýšenie teploty kryštálov hexahydrátu nad 500 - 1 100 °C na výrobu oxidu hlinitého, ale veľká časť tejto energie sa spotrebovala počas nízkoteplotných fáz na extrakciu kombinovanej vody a zvýšenie medziproduktov kryštalickej formy hexahydrátu. Okrem toho sa v každej fáze spotrebovala len časť celkovej dostupnej energie.

Bol vyvinutý inovatívny proces kalcinácie, ktorý výrazne znižuje spotrebu energie vo vysokoteplotných aj chladiacich fázach kalcinácie, čím sa výrazne znižujú celkové energetické požiadavky na výrobu oxidu hlinitého. Jeho základom je systém výmeny tepla, ktorý využíva postupné zahrievanie hexahydrátu cez viaceré stupne výmeny tepla na postupne vyššie teploty blížiace sa k teplote kalcinácie pred jeho dodaním do kalcinátora na konečnú premenu na oxid hlinitý. Hexahydrát sa ďalej ochladzuje cez rôzne stupne výmeny tepla, pričom citeľné teplo sa odovzdáva z chladiacich stupňov do ohrievacích stupňov len pri mierne vyšších teplotách, ako sú teploty, pri ktorých sa spotrebúva v danom stupni.