Proces ťažby bauxitu a oxidu hlinitého

Dr. Donoghue a pán Frisch sú zamestnancami spoločnosti Alcoa of Australia na plný úväzok.

Bauxit je primárnou surovinou na výrobu hliníka a nachádza sa vo veľkých ložiskách po celom svete. Bauxit sa drví a varí v roztoku žieravej sódy, potom sa do neho nasypú semená hydroxidu hlinitého nazývaného gibbsit, aby sa vyvolalo jeho vyzrážanie na odpad z červeného bahna, po ktorom zostáva červený kal škodlivý pre životné prostredie, čo má v mnohých krajinách vážne následky.

Proces Bayer

Bauxitová ruda, ktorá sa ťaží na výrobu hliníka, obsahuje hydroxidy a oxyhydroxidy hliníka2 (gibbsit, bayerit a nordstrandit), oxidy železa2 (ferisit a goethit) a oxid titaničitý2 (rutil a diaspor). Bayerov proces chemicky premieňa túto bauxitovú rudu na oxid hlinitý - prvý krok k výrobe čistého kovového hliníka prostredníctvom Hall-Heroultovho elektrolytického procesu.

V procese Bayer sú veľmi dôležité kroky trávenia a čistenia. Nerozpustný zvyšok, ktorý vzniká počas vyhnívania, sa nazýva červené bahno a musí sa z environmentálnych dôvodov vyčistiť. Okrem toho sa musí čistiť hlinitanový roztok, ktorý zostane po čírení - použitie žieravého roztoku bez NaCl, čistenie iónovou výmenou alebo vysokoteplotné spekanie môžu pomôcť kontrolovať úroveň nečistôt v týchto dvoch prúdoch.

Čírenie roztoku hlinitanu sa uskutočňuje prostredníctvom gravitačného usadzovania a preplachovania vodou v zahusťovačoch (označovaných aj ako hrabľové zahusťovače), čím sa vytvára koncentrovaný roztok hlinitanu sodného vhodný na zrážanie na trihydrát oxidu hlinitého. Hrubé častice sa extrahujú pomocou surových cyklónov, zatiaľ čo jemnejšie pevné častice sa zadržia filtrovaním; potom sa roztok ďalej ochladzuje, aby sa zvýšila presýtenosť, a potom sa prečerpá do vysokých zrážacích zariadení podobných silonu; takto sa vytvorí vyzrážaný hydrát oxidu hlinitého, ktorý sa potom musí premyť, prefiltrovať a vysušiť, kým sa rozloží na komerčne čistý oxid hlinitý2.

Pri Hallovom-Heroultovom elektrolytickom procese sa kovový hliník s malým množstvom feritových prímesí (menšie nečistoty) oddeľuje od roztavenej soli (zmes chloridu sodného a chloridu vápenatého) prechodom elektrického prúdu cez roztok hlinitanu obsahujúci uhlík z anódovej elektródy, kde uhlík reaguje s ostatnými nečistotami za vzniku bielo-kryštalickej zlúčeniny nazývanej hlinitan, ktorá sa prenáša do veľkých udržiavacích pecí, kde sa nečistoty odstraňujú a zároveň sa pridávajú legujúce prvky, aby sa získal čistý hliník.

Udržiavanie úrovne nečistôt v procese Bayer na úrovni nižšej, ako sú vopred stanovené úrovne, je významnou výzvou a zároveň produkuje odpadovú vodu, ktorú možno vypúšťať priamo do prírodných prijímajúcich útvarov bez ďalšieho čistenia. Na dosiahnutie tohto úspechu sa musia harmonicky spojiť faktory ako riadenie zmien mineralogie bauxitu, optimalizácia výrobných rýchlostí, kontrola konkurenčných reakcií, minimalizácia strát z nánosov červeného bahna, aby sa to podarilo.

Tavenie

Bauxit, hornina z oxidu hlinitého, sa môže ťažiť a rafinovať na výrobu hliníka. Pri ťažbe a rafinácii vzniká veľké množstvo odpadového materiálu, ktorý obsahuje toxické prvky, ako napríklad TENORM (stopové prvky prírodného pôvodu). Hliník potom putuje do hlinikárne na elektrolýznu premenu na kov; aby sa minimalizoval odpad vznikajúci počas tohto procesu, bolo by prospešné, keby sa našli metódy na opätovné využitie čo najväčšieho množstva oxidu hlinitého.

Oxid hlinitý sa vo veľkej miere využíva ako surovina v priemyselných výrobkoch, ako je sklo, porcelán a kovové farby na autá. Hliník sa môže pochváliť aj mnohými ďalšími aplikáciami vďaka svojej nízkej elektrickej vodivosti, odolnosti voči chemickým vplyvom, extrémnej pevnosti a tvrdosti (9 na Mohsovej stupnici tvrdosti).

V rámci procesov ťažby a rafinácie oxidu hlinitého je potrebné vyčistiť pôdu od vegetácie a stromov, ktoré by mohli prekážať prevádzke. Bauxit sa rozoberá pomocou trhacích prác, vŕtania, trhania a veľmi veľkých buldozérov, než sa naloží na nákladné autá, železničné vagóny alebo dopravné pásy na prepravu do rafinérií nachádzajúcich sa v blízkosti.

Na začiatku procesu rafinácie oxidu hlinitého sa oxid hlinitý rozdrobí a ponorí do roztoku žieravej sódy, aby sa vytvoril presýtený roztok hlinitanu sodného. Potom sa prenesie do suspenzného reaktora, kde sa zahrieva pri vysokých teplotách s cieľom odstrániť chemicky zlúčenú vodu procesom známym ako kalcinácia, pričom vzniká stuhnutý hydrát oxidu hlinitého, ktorý sa potom uskladní v tehlami obložených nádobách, než sa do nich zavedú uhlíkové anódy a prechádza cez ne elektrický prúd s cieľom elektrolyzovať oxid hlinitý na čistý hliník, ktorý sa potom prenesie späť do nádob a nakoniec sa prenesie späť do odlievarní, kde sa ručným odlievaním formujú polená rôznych tvarov.

Po narezaní polotovarov na ingoty sa z nich valcujú dlhé tyče nazývané armovacie prúty, ktoré sa potom môžu narezať na rôzne dĺžky a podľa toho použiť. Nakoniec sa tieto dlhé tyče roztavia na výrobu ingotov na ďalšie spracovanie.

Odlievanie

Hliník je ústredným prvkom dnešného moderného sveta, ktorý sa používa všade, od budov a automobilov až po obaly a športové vybavenie. Hliník sa však nevyskytuje v prírode ako čistý kov, ale prechádza zložitým procesom premeny z pôvodnej bauxitovej rudy na ľahký kov, ktorý dnes všetci poznáme a využívame.

Najprv sa bauxit ťaží zo zeme pomocou techník, ako sú vŕtanie, odstrely a trhanie veľkými buldozérmi. Následne sa drví a premýva pred prepravou do neďalekej rafinérie oxidu hlinitého, ktorá na výrobu oxidu hlinitého používa Bayerov rafinačný proces.

Horúci roztok hydroxidu sodného sa používa na rozpustenie minerálov obsahujúcich hliník, ktoré sa nachádzajú v bauxite (gibbit, bohmit a diaspor), za vzniku presýteného roztoku hlinitanu sodného známeho ako tehotenský lúh, ktorý sa potom posiela na kalcináciu v peci na oxid hlinitý (Al2O3), aby sa kalcinoval, a potom sa premyje, vysuší a opäť zahreje, aby sa z neho vytlačila všetka zvyšná kryštalizačná voda, čím sa získa vysoko čistý oxid hlinitý, ktorý potom tvorí suchý biely piesčitý materiál známy ako hydrát hliníka.

Oxid hlinitý sa používa v rôznych výrobkoch vrátane žiaruvzdorných materiálov, chemických výrobkov a surovín, ako je sadra a oxid kremičitý; časť sa dokonca recykluje späť do samotného procesu rafinácie.

Pri rafinácii oxidu hlinitého vznikajú dve až tri tony odpadu na každú vyrobenú tonu; s týmito materiálmi, známymi ako červené bahno, sa musí zaobchádzať opatrne, aby sa minimalizoval vplyv na životné prostredie.

Po rafinácii sa oxid hlinitý odlieva do ingotov na použitie v rôznych aplikáciách. Môžu sa z nich valcovať plechy, fólie a tyče, ťahať do drôtu, ktorý sa splieta do káblov pre elektrické prenosové vedenia, formovať do zložitých tvarov alebo vytláčať profily, ako sú okenné rámy, a dokonca sa môžu opäť recyklovať do ingotov - hliník je teda nekonečne recyklovateľný kov! Okrem toho existujú rôzne zliatiny, ktoré ponúkajú špecifické vlastnosti na splnenie rôznych požiadaviek zákazníkov.

Recyklácia

Hliník je jedným z najrozšírenejších kovov používaných v mnohých výrobkoch, od plechoviek na sódu až po súčiastky do automobilov, ale v prírode sa nevyskytuje v čistej forme. Namiesto toho sa musí získavať z bauxitových hornín obsahujúcich rôzne formy oxidov hliníka a rafinovať na oxid hlinitý, kým sa z neho nakoniec stane hliník v tomto trojstupňovom procese, ktorý si vyžaduje zdroje energie a vody.

V rámci ťažobného procesu si ťažba oxidu hlinitého vyžaduje najprv odstránenie nadložia - vrstiev horniny a ílu, ktoré pokrývajú bauxit - pomocou trhacích alebo vŕtacích metód. Po uvoľnení sa tento materiál môže naložiť na nákladné autá a prepraviť do závodu na spracovanie oxidu hlinitého.

V závode na spracovanie bauxitu sa ruda rozdrví, aby sa zmenšila jej veľkosť, a potom sa ponorí do horúcej žieravej sódy, ktorá rozpustí minerály obsahujúce hliník, ako je gibbsit a bohmit, a potom sa oddelí od oxidu kremičitého, aby sa z nej stal presýtený roztok hlinitanu sodného, známy ako tehotný lúh.

Časť tehotného lúhu sa spracuje na hydroxid hlinitý, bežne označovaný ako hasené vápno, zatiaľ čo zvyšok sa posiela priamo do rafinérie oxidu hlinitého, kde jeho zložky prejdú chemickými reakciami, ktoré ho premenia na kovový hliník.

Oxid hlinitý je nenahraditeľný priemyselný materiál, ktorý sa používa v mnohých rôznych priemyselných odvetviach od výroby plastov až po brúsne materiály. Hliník zohráva kľúčovú úlohu aj v mnohých typoch spomaľovačov horenia.

Hoci ťažba a rafinácia oxidu hlinitého môže byť vysoko recyklovateľná, s jeho ťažbou a rafináciou sú naďalej spojené určité environmentálne problémy. Patrí medzi ne hluk, ergonomické problémy, riziko úrazu a postriekanie pokožky alebo očí žieravou sódou. Okrem toho sa bauxitový prach aj prášok oxidu hlinitého spájajú s respiračnými komplikáciami vrátane podráždenia alebo zápalu pľúc.

Niektorí pracovníci hlásili zdravotné problémy, ako sú rakovina, ochorenia obličiek a poškodenie pečene, ktoré sa pripisujú vystaveniu bauxitovému prachu a prachu z oxidu hlinitého, ako aj rôznym kontaminantom; vykonané štúdie však ukázali, že súčasné osvedčené postupy pri ťažbe a rafinácii zrejme nezvyšujú riziko týchto problémov.