Kompleksnost pridobivanja aluminija

Pridobivanje aluminija iz boksita je eden najbolj zapletenih industrijskih procesov na svetu, ki vključuje ogromno znanstvene in inženirske odličnosti, ki zagotavlja neprekinjeno dobavo te pomembne kovine.

Pri kislinskem postopku se kot topila uporabljajo žveplova, klorovodikova ali dušikova kislina, da se iz boksita izlužijo nečistoče, kot so železovi in titanovi oksidi. Vzorci XRD so pokazali, da se je s povečevanjem koncentracije alkalij povečevalo tudi razmerje ekstrakcije aluminijevega oksida.

Prebava

Aluminij je ena od najbolj razširjenih kovin na Zemlji, vendar njegove čiste oblike ni mogoče najti v naravi. Namesto tega je za njegovo pridobivanje potrebnih več faz, ki vključujejo razkrajanje, bistrenje, obarjanje in kalcinacijo, da se doseže status končnega izdelka - zaradi tega je aluminij eden energetsko najbolj intenzivnih industrijskih izdelkov na svetu.

Digestija je ključni korak Bayerjevega postopka za pridobivanje aluminija iz boksitne rude. Na njeno učinkovitost vplivajo številni dejavniki, vključno s temperaturo suspenzije, koncentracijo kavstične sode in razmerjem kavstičnih snovi; za optimizacijo stopnje digestije bi lahko znižali temperaturo, povečali razmerje kavstičnih snovi ali uporabili višje koncentracije kavstičnih snovi, vendar bi se ti ukrepi verjetno izkazali za dražje in neprijetnejše za rafinerije, kot je potrebno.

V procesu razgradnje se večina železa v boksitu pretvori v neodvisno fazo ilmenita, medtem ko nemagnetni material ostane v obliki diaoyudaoita in natrijevega aluminosilikata. Ločevanje nemagnetnih materialov izboljša razgradnjo aluminijevega oksida, vendar se diaoyudaoit zaradi zaprtih mineralov, ki so v njegovi strukturi, pri nižjih temperaturah razgradnje morda ne bo zlahka razgradil.

Povprečni stroški energije, povezani s proizvodnjo aluminijevega oksida, se med državami zelo razlikujejo zaradi dejavnikov, kot so vrsta uporabljene tehnologije, uporabljeni boksit in postopki razgradnje, ki se med seboj močno razlikujejo. Vendar pa obstajajo nekateri skupni dejavniki, ki prispevajo k večji porabi energije, med drugim:

Postopek fermentacije predstavlja največjo porabo energije pri proizvodnji aluminijevega oksida, saj potrebuje električno energijo in vodo za segrevanje in mešanje suspenzije ter izpiranje glinenih nečistoč iz nje. Za optimalno prebavo in zmanjšanje porabe energije morajo znanstveniki preučiti trenutne pogoje za njeno uporabo. Znanstveniki lahko to dosežejo tako, da zberejo podatke in informacije iz dokumentacijskega centra in opravijo razgovore s strokovnjaki proizvodne linije, nato pa primerjajo trenutno stanje procesa digestije z njeno prvotno zasnovo, da bi ugotovili večja odstopanja.

Pojasnilo

Pridobivanje aluminija je lahko zapleten in energetsko potraten postopek, ki pa je bistvenega pomena za številne komercialne in industrijske aplikacije. Zato je razumevanje tega zapletenega postopka za zagotovitev njegove uspešnosti izredno pomembno - diagrami lahko pomagajo osvetliti kemijske reakcije, ki potekajo med proizvodnjo in sestavljajo ta zapleten postopek, ter njihov pomen za njegovo izvajanje.

Eden od ključnih korakov je prečiščevanje boksita v aluminijev oksid in nazadnje v kovinski aluminij z elektrolizo ali po Bayerjevem postopku. Oba postopka zagotavljata zanesljivo dobavo kovinskega aluminija. Oba sta odvisna od elektrolize kot proizvodnega vira.

Boksitna ruda je bogat vir aluminija, ki ga je treba precej predelati, da se pretvori v raztopino, bogato z aluminijem, ki je pripravljena za naslednjo fazo. Digestacija vključuje drobljenje boksitne rude pred mešanjem z vročimi koncentriranimi raztopinami natrijevega hidroksida, da se raztopi vsebnost aluminijevega oksida in nastane bistra tekočina. Sledi bistrenje, pri katerem se izločijo nečistoče (skupno znane kot rdeče blato), preden se na bistri tekočini lahko začneta obarjanje in kalciniranje.

Za pretvorbo aluminijevega oksida v čisti aluminij je potrebno taljenje z elektrolizo. Mešanica aluminijevega oksida in natrijevega hidroksida se nato namesti v raztopino kriolita (natrijev aluminijev fluorid), pri čemer je treba za vzdrževanje tega stanja porabiti izjemno veliko energije; za proizvodnjo ene tone aluminijevega oksida je potrebnih 14.000-16.000 kilovatnih ur.

Toplota, ki nastane pri tem procesu, poganja elektrokemično reakcijo. Ko skozi sistem teče električni tok, na anodi nastaja kisik, ki se združi z ogljikom v plinski ogljikov dioksid; preostali staljeni aluminij se zbira na katodi, ki je obložena z grafitom ali ogljikom; občasno se odvaja in transportira v peči za shranjevanje; ko se dodatno prečisti in se mu po potrebi dodajo legirni elementi, se ulije v ingote za prihodnjo uporabo.

Padavine

Eden ključnih korakov pri pridobivanju aluminijevega oksida je obarjanje. Reakcije obarjanja potekajo v različnih oblikah; za namen pridobivanja kristalov aluminijevega hidroksida iz tokov odpadkov. Karl Bayer je pri svojem prvotnem razvojnem delu uporabil drobnozrnate kristale kot seme; ta pristop poveča izkoristek, vendar lahko povzroči višje koncentracije karbonata in poveča proizvodnjo nečistoč, kot je silicijev dioksid, kar zmanjša stopnjo pridobivanja aluminija.

Za reševanje teh izzivov se v več raziskovalnih projektih trenutno ocenjuje učinkovitost različnih smol za ionsko izmenjavo pri izboljšanju učinkovitosti obarjanja. Smole za ionsko izmenjavo so polimerni materiali z visoko molekulsko maso, ki vsebujejo številne ionske funkcionalne skupine v vsaki molekuli, običajno vključujejo skupine sulfonske kisline ali skupine karboksilne kisline za izmenjavo. Obe vrsti smol se lahko uporabljata za ekstrakcijo sode iz kavstičnih raztopin, kar vodi k zmanjšanju skupne kavstičnosti (TC) in skupne alkalnosti (TA). Poleg tega lahko smole za izmenjavo kationov nevtralizirajo natrijeve ione, ki so prisotni v izrabljeni bayerjevi tekočini, kar povzroči povečanje prenasičenosti glede na topnost aluminijevega oksida.

Pri različnih pogojih karbonizacije je bilo ugotovljeno, da prisotnost kisika ugodno vpliva na hitrost obarjanja. Natančneje, temperatura, pri kateri se je obarjanje začelo, se je znatno povečala, medtem ko je analiza XRD oborine pokazala, da vsebuje dawsonit, kot je bilo predvideno s termodinamičnimi izračuni.

Obarjanje aluminijevega oksida je ena najbolj kritičnih in zahtevnih faz pri proizvodnji aluminija iz boksita. Obarjanje mora potekati za proizvodnjo aluminijevega hidroksida, ki se porabi v kalcinacijskih pečeh talilnic aluminija; zato mora oprema za filtriranje in ločevanje, ki se uporablja v predelovalnih obratih, delovati pod izredno strogimi pogoji.

Oprema za filtriranje in ločevanje v obratih za proizvodnjo aluminijevega oksida mora biti robustna, trpežna, zanesljiva in dolgotrajna za pravilno delovanje v zahtevnih okoljih, vključno z visokimi temperaturami in tlaki, hkrati pa mora odstranjevati zelo abrazivne ostanke boksita, ki lahko poškodujejo drugo opremo, kot so črpalke, mešalniki in mešala. Zato je v takšnih obratih mogoče najti najboljšo opremo za filtriranje in ločevanje na svetu.

Kalcinacija

Kalcinacija je zadnja sintetična stopnja v postopku in ima številne vplive na morfologijo, fazno sestavo in kemično sestavo aluminijevega oksida. Temperatura in trajanje reakcije imata običajno največji vpliv; temperaturo je treba določiti glede na želeno morfologijo/skladbo ter proizvodnjo ali druge uporabe tega materiala iz aluminijevega oksida; čas, potreben za dosego tega rezultata, bo določil njeno dolžino.

Najbolj razširjena metoda kalcinacije vključuje luženje kaolinskih glin s klorovodikovo kislino pred obarjanjem kristalov aluminijevega klorida heksahidrata s klorovodikovo kislino in nato kalcinacijo pri visoki temperaturi z zrakom, da nastane aluminijev oksid. Ta pristop ima veliko prednosti pred postopki, ki uporabljajo žveplovo ali dušikovo kislino, saj je klorovodikovo kislino lažje regenerirati kot njene alternative.

Predhodni postopki kalcinacije so porabili veliko energije za dvig kristalov heksahidrata nad 500-1.100 stopinj Celzija za proizvodnjo aluminijevega oksida, vendar se je veliko te energije porabilo v nizkotemperaturnih fazah za ekstrakcijo kombinirane vode in dvig vmesnih kristalnih oblik heksahidratne kristalinične oblike. Poleg tega se je za vsako stopnjo porabil le del celotne razpoložljive energije.

Razvit je bil inovativen postopek kalcinacije, ki znatno zmanjša porabo energije v visokotemperaturnih in hladilnih fazah kalcinacije, kar znatno zmanjša skupne potrebe po energiji za proizvodnjo aluminijevega oksida. Osnova je sistem izmenjave toplote, ki uporablja postopno segrevanje heksahidrata skozi več stopenj izmenjave toplote do vedno višjih temperatur, ki se približujejo kalcinacijski temperaturi, preden se ta začne dovajati v kalcinator za končno pretvorbo v aluminijev oksid. Heksahidrat se nadalje hladi skozi različne stopnje toplotne izmenjave, pri čemer se občutljiva toplota prenaša iz stopenj hlajenja v stopnje ogrevanja pri temperaturah, ki so le nekoliko višje od tistih, pri katerih se porablja v posamezni stopnji.