Processen för utvinning av bauxit och alumina

Dr Donoghue och Frisch är heltidsanställda vid Alcoa i Australien.

Bauxit är det primära råmaterialet för aluminiumframställning och finns i stora fyndigheter över hela världen. Bauxit krossas och kokas i kaustiksodalösning innan den besås med frön av aluminiumhydroxid, så kallad gibbsit, för att få den att fällas ut till rött slamavfall, vilket lämnar en miljöskadlig röd slamrest som har fått allvarliga återverkningar i många länder.

Bayer-processen

Bauxitmalm, som bryts för produktion av aluminium, innehåller hydroxider och oxyhydroxider av aluminium2 (gibbsit, bayerit och nordstrandit), oxider av järn2 (ferrisit och goethit) och titandioxid2 (rutil och diaspore). Bayerprocessen omvandlar denna bauxitmalm kemiskt till aluminiumoxid - det första steget mot att producera ren aluminiummetall genom Hall-Heroults elektrolytiska process.

Rötning och klarning i Bayer-processen är båda mycket viktiga steg. Eventuella olösliga rester som bildas under rötningen kallas för "red mud" och måste av miljöskäl rensas bort. Dessutom måste en aluminatlösning som blir kvar efter klarningen renas - användning av NaCl-fri kaustik, jonbytesrening eller högtemperatursintring kan alla bidra till att kontrollera föroreningsnivåerna i dessa två strömmar.

Klarning av en aluminatlösning sker genom gravitationsfällning och sköljning med vatten i förtjockare (även kallade krattförtjockare), vilket skapar en koncentrerad natriumaluminatlösning som är lämplig för utfällning till aluminiumoxidtrihydrat. Grova partiklar extraheras med hjälp av råcykloner medan finare fasta partiklar behålls genom filtrering; därefter kyls lösningen ytterligare för att öka övermättnaden innan den pumpas till höga siloliknande fällare; detta ger utfällt aluminiumhydroxid som sedan måste tvättas, filtreras och torkas innan det sönderdelas till kommersiellt ren aluminiumoxid2.

I den elektrolytiska Hall-Heroult-processen separeras metalliskt aluminium med små mängder ferritföroreningar (mindre föroreningar) från smält salt (en blandning av natriumklorid och kalciumklorid) genom att leda en elektrisk ström genom en aluminatlösning som innehåller kol från en anodanodelektrod, där kolet reagerar med andra föroreningar och bildar en vitkristallin förening som kallas aluminat som överförs till stora hållugnar där föroreningar avlägsnas medan legeringselement tillsätts för att producera rent aluminium.

Det är en stor utmaning att hålla föroreningsnivåerna i Bayer-processens utblåsningsström under förutbestämda nivåer, samtidigt som man producerar avloppsvatten som kan släppas ut direkt i naturliga recipienter utan ytterligare behandling. För att lyckas med detta måste faktorer som att hantera förändringar i bauxitmineralogin, optimera produktionshastigheterna, kontrollera konkurrerande reaktioner och minimera förlusterna från röda slamavlagringar samverka på ett harmoniskt sätt.

Smältning

Bauxit, en aluminiumoxidhaltig bergart, kan brytas och raffineras för att producera aluminium. Gruv- och förädlingsprocesserna ger upphov till betydande mängder avfall som innehåller giftiga ämnen som TENORM (Trace Elements of Natural Origin). Aluminiumoxid går sedan till ett aluminiumsmältverk för att omvandlas till metall genom elektrolys; för att minimera avfallet som genereras under denna process skulle det vara fördelaktigt om man kunde hitta metoder för att återanvända så mycket aluminiumoxid som möjligt.

Aluminiumoxid används ofta som råmaterial i industriprodukter som glas, porslin och metallicfärger för bilar. Aluminiumoxid har också många andra användningsområden tack vare sin låga elektriska ledningsförmåga, motståndskraft mot kemiska angrepp, extrema styrka och hårdhet (9 på Mohs hårdhetsskala).

Som en del av gruv- och raffineringsprocesserna för aluminiumoxid är det nödvändigt att rensa marken från vegetation och träd som kan hindra verksamheten. Bauxit bryts sönder med hjälp av sprängning, borrning, rivning och mycket stora bulldozers innan den lastas på lastbilar, järnvägsvagnar eller transportband för transport till raffinaderier i närheten.

I början av aluminiumoxidraffineringsprocessen bryts aluminiumoxid upp och sänks ned i en kaustiksodalösning för att bilda en övermättad natriumaluminatlösning. Den överförs sedan till en uppslamningsreaktor där den upphettas till höga temperaturer för att avlägsna kemiskt bundet vatten genom en process som kallas kalcinering, vilket ger stelnat aluminiumhydroxid som sedan lagras i tegelklädda krukor innan kolanoder införs och en elektrisk ström leds genom dem för att elektrolysera aluminiumoxid till rent aluminium som sedan överförs tillbaka till krukor innan det slutligen överförs tillbaka till gjuterier där billets med olika former formas genom hand-in.

Efter att ämnena har skurits till göt används de sedan för att rulla långa stänger som kallas armeringsjärn, som sedan kan skäras i olika längder och användas på lämpligt sätt. Slutligen smälts dessa långa stänger för att producera göt för vidare bearbetning.

Gjutning

Aluminium är ett centralt element i dagens moderna värld och används överallt, från byggnader och bilar till förpackningar och sportutrustning. Men aluminium förekommer inte naturligt som ren metall, utan genomgår en komplicerad omvandlingsprocess från sitt ursprung som bauxitmalm till den lättviktsmetall som vi alla känner till och uppskattar idag.

Först bryts bauxit ur jorden med hjälp av tekniker som borrning, sprängning och rivning med stora bulldozers. Därefter sker krossning och tvättning innan den transporteras till ett aluminaraffinaderi i närheten som använder Bayers raffineringsprocess för att producera alumina.

Varm kaustiksodalösning används för att lösa upp de aluminiumhaltiga mineraler som finns i bauxit (gibbsite, bohmite och diaspore) för att bilda en övermättad natriumaluminatlösning som kallas gravidlut, som sedan skickas iväg för att kalcineras i en aluminiumoxidugn (Al2O3) för kalcinering innan den tvättas, torkas och värms upp igen för att driva bort eventuellt kvarvarande kristallvatten för att producera aluminiumoxid med hög renhet som sedan bildar torrt vitt sandmaterial som kallas aluminiumhydroxid.

Aluminiumoxid används i olika produkter, bland annat eldfasta material, kemiska produkter och råmaterial som gips och kiseldioxid; en del återvinns till och med i själva raffineringsprocessen.

Raffinering av aluminiumoxid genererar två till tre ton avfall för varje ton som produceras; dessa material, som kallas röd lera, måste hanteras varsamt för att minimera miljöpåverkan.

När aluminiumoxiden har raffinerats gjuts den till göt som används i olika applikationer. De kan valsas till plåt, folie och stänger, dras till tråd som sedan strängas till kabel för elektriska överföringsledningar, gjutas till komplexa former eller extruderade profiler som fönsterkarmar, de kan till och med återvinnas till göt igen - vilket gör aluminium till en oändligt återvinningsbar metall! Dessutom finns det olika legeringar som har specifika egenskaper för att uppfylla olika kundkrav.

Återvinning

Aluminium är en av de mest utbredda metallerna som används i många produkter, från läskburkar till bilkomponenter, men förekommer inte naturligt i sin rena form. Istället måste den utvinnas ur bergarten bauxit som innehåller olika former av aluminiumoxider och raffineras till aluminiumoxid innan den slutligen blir aluminium i denna trestegsprocess som tar både energi- och vattenresurser i anspråk.

Som en del av gruvdriftsprocessen i aluminagruvor måste man först avlägsna överliggande berg - lager av sten och lera som täcker bauxiten - med hjälp av sprängnings- eller borrningsmetoder. När materialet har lossnat kan det lastas på lastbilar för transport till en anläggning för bearbetning av aluminiumoxid.

I ett bauxitbearbetningsverk krossas malmen för att minska dess storlek innan den sänks ned i het kaustiksoda för att lösa upp aluminiumhaltiga mineraler som gibbsit och bohmit innan den separeras från kiseldioxid för att bli en övermättad natriumaluminatlösning som kallas gravidlut.

En del av den gravida vätskan bearbetas för att skapa aluminiumhydroxid, mer känt som släckt kalk, medan resten av den skickas direkt till ett aluminiumoxidraffinaderi där dess komponenter genomgår kemiska reaktioner som omvandlar dem till aluminiummetall.

Aluminiumoxid är ett oumbärligt industriellt material som används för många olika tillämpningar inom allt från plasttillverkning till slipmedel. Aluminiumoxid spelar också en nyckelroll i många typer av brandskyddsmedel.

Även om brytning och raffinering av aluminiumoxid kan vara mycket återvinningsbart finns det fortfarande vissa miljöproblem förknippade med brytning och raffinering. Dessa omfattar buller, ergonomiska problem, traumarisker och stänk av kaustiksoda på huden eller i ögonen. Dessutom har både bauxitdamm och aluminiumoxidpulver förknippats med luftvägskomplikationer, inklusive irritation eller inflammation i lungorna.

Vissa arbetstagare har rapporterat hälsoproblem som cancer, njursjukdom och leverskador till följd av exponering för bauxitdamm och aluminiumoxiddamm samt olika föroreningar. Studier har dock visat att nuvarande bästa praxis inom gruvdrift och raffinering inte verkar öka risken för dessa problem.