Postopek pridobivanja boksita in aluminijevega oksida

Dr. Donoghue in g. Frisch sta redno zaposlena v podjetju Alcoa of Australia.

Boksit je primarna surovina za proizvodnjo aluminija in se nahaja v velikih nahajališčih po vsem svetu. Boksit se zdrobi in skuha v raztopini kavstične sode, nato pa se posuje s semeni aluminijevega hidroksida, imenovanega gibsit, da se obori v odpadno rdeče blato, ki pušča okolju škodljive ostanke rdeče sluzi, kar je imelo resne posledice v številnih državah.

Proces Bayer

Boksitova ruda, ki jo kopljejo za proizvodnjo aluminija, vsebuje hidrokside in oksi-hidrokside aluminija2 (gibbit, bajerit in nordstrandit), okside železa2 (ferisit in getit) ter titanov dioksid2 (rutil in diaspor). Bayerjev postopek kemično pretvori boksitno rudo v aluminijev oksid - prvi korak k proizvodnji čistega kovinskega aluminija z Hall-Heroultovim elektrolitskim postopkom.

V Bayerjevem postopku sta ključnega pomena faza prebave in bistrenja. Vse netopne ostanke, ki nastanejo med prebavo, imenujemo rdeče blato in jih je treba zaradi okoljskih razlogov očistiti. Poleg tega je treba raztopino aluminata, ki ostane po čiščenju, očistiti - uporaba kavstične raztopine brez NaCl, čiščenje z ionsko izmenjavo ali visokotemperaturno sintranje lahko pomagajo pri nadzoru ravni nečistoč v teh dveh tokovih.

Raztopina aluminijevega oksida se bistri z gravitacijskim usedanjem in izpiranjem z vodo v zgoščevalnikih (imenovanih tudi zgoščevalniki z grabljenjem), pri čemer nastane koncentrirana raztopina natrijevega aluminata, primerna za obarjanje v aluminijev trihidrat. Grobi delci se izločijo s surovimi cikloni, medtem ko se drobnejše trdne snovi zadržijo s filtriranjem; nato se raztopina dodatno ohladi, da se poveča prenasičenost, preden se prečrpa v visoke silosne usedalnike; tako nastane oborjeni aluminijev hidrat, ki se mora nato oprati, filtrirati in posušiti, preden se razgradi v komercialno čist aluminijev oksid2.

Pri Hall-Heroultovem elektrolitskem postopku se kovinski aluminij z majhnimi količinami feritnih primesi (manjše nečistoče) loči od staljene soli (mešanica natrijevega in kalcijevega klorida) tako, da električni tok teče skozi raztopino aluminata, ki vsebuje ogljik iz anodne elektrode, pri čemer ogljik reagira z drugimi nečistočami in tvori belokristalno zmes, imenovano aluminat, ki se prenese v velike peči, kjer se nečistoče odstranijo, medtem ko se dodajo legirni elementi, da nastane čisti aluminij.

Vzdrževanje ravni nečistoč v Bayerjevem postopku izpihovanja v toku pod vnaprej določenimi ravnmi je velik izziv, hkrati pa proizvaja odpadno vodo, ki se lahko odvaja neposredno v naravna sprejemna telesa brez dodatnega čiščenja. Da bi dosegli ta dosežek, se morajo dejavniki, kot so obvladovanje sprememb mineralogije boksita, optimizacija proizvodnih hitrosti, nadzor konkurenčnih reakcij in zmanjšanje izgub zaradi usedlin rdečega blata, usklajevati, da bi bil projekt uspešen.

Taljenje

Boksit, kamnino iz aluminijevega oksida, je mogoče kopati in rafinirati za proizvodnjo aluminija. Pri rudarjenju in rafiniranju nastaja veliko odpadnega materiala, ki vsebuje strupene elemente, kot je TENORM (Elementi v sledovih naravnega izvora). Aluminij se nato v talilnici aluminija z elektrolizo pretvori v kovino; da bi zmanjšali količino odpadkov, ki nastanejo pri tem postopku, bi bilo koristno najti metode za ponovno uporabo čim večje količine aluminijevega oksida.

Aluminij se pogosto uporablja kot surovina v industrijskih izdelkih, kot so steklo, porcelan in kovinske barve za avtomobile. Aluminij se zaradi svoje nizke električne prevodnosti, odpornosti na kemične napade, izjemne trdnosti in trdote (9 po Mohsovi lestvici trdote) lahko uporablja tudi za številne druge namene.

Pri rudarjenju in rafiniranju aluminijevega oksida je treba zemljišča očistiti vegetacije in dreves, ki bi lahko ovirala postopke. Boksit se razbije z razstreljevanjem, vrtanjem, trganjem in zelo velikimi buldožerji, preden se naloži na tovornjake, železniške vagone ali tekoče trakove za prevoz v rafinerije v bližini.

Na začetku postopka rafiniranja aluminijevega oksida se aluminijev oksid razbije in potopi v raztopino kavstične sode, da nastane prenasičena raztopina natrijevega aluminata. Ta se nato prenese v reaktor za suspenzijo, kjer se segreva pri visokih temperaturah, da se s postopkom, znanim kot kalcinacija, odstrani kemično združena voda, pri čemer nastane strjen aluminijev hidrat, ki se nato shranjuje v z opeko obloženih posodah, preden se uvedejo ogljikove anode, skozi katere teče električni tok, da se aluminijev oksid elektrolizira v čisti aluminij, ki se nato prenese nazaj v posode, preden se končno prenese nazaj v livarne, kjer se z ročnim vgrajevanjem oblikujejo polizdelki različnih oblik.

Ko so polizdelki razrezani v ingoti, se iz njih valjajo dolge palice, imenovane armaturne palice, ki se nato lahko razrežejo na različne dolžine in ustrezno uporabijo. Na koncu se te dolge palice stopijo in iz njih nastanejo ingoti za nadaljnjo predelavo.

Odlivanje

Aluminij je osrednji element sodobnega sveta, ki se uporablja povsod, od zgradb in avtomobilov do embalaže in športne opreme. Vendar aluminij ne nastane v naravi kot čista kovina, temveč je treba iz boksitne rude izvesti zapleten proces pretvorbe, da postane lahka kovina, ki jo danes vsi poznamo in uživamo.

Najprej se boksit izkoplje iz zemlje z uporabo tehnik, kot so vrtanje, razstreljevanje in trganje z velikimi buldožerji. Bortitus se nato zdrobi in opere, preden se prepelje v bližnjo rafinerijo aluminijevega oksida, ki za proizvodnjo aluminijevega oksida uporablja Bayerjev postopek rafiniranja.

Vroča raztopina kavstične sode se uporablja za raztapljanje mineralov, ki vsebujejo aluminij in se nahajajo v boksitu (gibbit, bohmit in diaspor), da nastane prenasičena raztopina natrijevega aluminata, znana kot noseča raztopina, ki se nato pošlje v kalcinacijo v peči za kalcinacijo aluminijevega oksida (Al2O3), preden se opere, posuši in ponovno segreje, da se odstrani preostala kristalizacijska voda, da nastane visoko čist aluminij, ki nato tvori suh bel peščen material, znan kot aluminijev hidrat.

Aluminijev oksid se uporablja v različnih izdelkih, vključno z ognjevarnimi materiali, kemičnimi izdelki in surovinami, kot sta mavec in silicijev dioksid; nekaj se ga celo reciklira nazaj v sam postopek rafiniranja.

Pri rafiniranju aluminijevega oksida na vsako proizvedeno tono nastaneta dve do tri tone odpadkov; s temi materiali, znanimi kot rdeče blato, je treba ravnati previdno, da se čim bolj zmanjša vpliv na okolje.

Ko je aluminijev oksid rafiniran, se odlije v ingote za uporabo v različnih aplikacijah. Lahko se valjajo v pločevine, folije in palice, vlečejo v žico, ki se spleta v kable za električne daljnovode, oblikujejo v kompleksne oblike ali ekstrudirajo v profile, kot so okenski okvirji, lahko pa se celo ponovno reciklirajo v ingote - aluminij je tako neskončno reciklabilna kovina! Poleg tega obstajajo različne zlitine, ki imajo specifične lastnosti, da izpolnjujejo različne zahteve strank.

Recikliranje

Aluminij je ena najbolj razširjenih kovin, ki se uporablja v številnih izdelkih, od pločevink do avtomobilskih delov, vendar se v naravi ne pojavlja v čisti obliki. Namesto tega ga je treba pridobivati iz boksita, ki vsebuje različne oblike aluminijevih oksidov, in ga rafinirati v aluminijev oksid, preden končno postane aluminij v tem tristopenjskem postopku, ki zahteva veliko energije in vode.

Pri rudarjenju aluminijevega oksida je treba najprej odstraniti nadgradnjo - plasti kamenja in gline, ki prekrivajo boksit - z razstreljevanjem ali vrtanjem. Ko se ta material razrahlja, se lahko naloži na tovornjake, ki ga prepeljejo v obrat za predelavo aluminijevega oksida in ga predelajo.

V obratu za predelavo boksita se ruda zdrobi, da se zmanjša njena velikost, nato pa se potopi v vročo kavstično sodo, ki raztopi minerale, ki vsebujejo aluminij, kot sta gibbit in bohmit, in se nato loči od silicijevega dioksida v prenasičeno raztopino natrijevega aluminata, znano kot noseča lužina.

Nekaj tekočine se predela v aluminijev hidroksid, ki se pogosteje imenuje gašeno apno, preostanek pa se pošlje neposredno v rafinerijo aluminijevega oksida, kjer njegove sestavine preidejo v kemične reakcije, ki jih spremenijo v kovinski aluminij.

Aluminij je nepogrešljiv industrijski material, ki se uporablja za številne različne aplikacije v industriji, od proizvodnje plastike do abrazivov. Aluminij ima tudi ključno vlogo v številnih vrstah zaviralcev gorenja.

Čeprav je pridobivanje in rafiniranje aluminijevega oksida mogoče v veliki meri reciklirati, so z njegovim pridobivanjem in rafiniranjem še vedno povezani nekateri okoljski pomisleki. Ti vključujejo hrup, ergonomska vprašanja, tveganja za poškodbe in škropljenje kože ali oči s jedko sodo. Poleg tega sta boksitni prah in aluminijev prah povezana z zapleti dihal, vključno z draženjem ali vnetjem pljuč.

Nekateri delavci so poročali o zdravstvenih težavah, kot so rak, bolezni ledvic in poškodbe jeter, ki jih pripisujejo izpostavljenosti boksitnemu in aluminijevemu prahu ter različnim onesnaževalcem; vendar je bilo v opravljenih študijah ugotovljeno, da trenutne najboljše prakse v rudarstvu in rafiniranju ne povečujejo tveganja za te težave.