Bauxitbrytning och raffinering av aluminiumoxid

Den globala bauxitproduktionen på cirka 85% används som råvara för framställning av aluminiumoxid. Australien bryter och förädlar aluminiumoxid i Queensland, Western Australia, Northern Territory och Tasmanien med hjälp av bästa praxis för gruvdrift och förädling som inte medför allvarliga arbetsmiljörisker.

Charles Hall i USA och Paul Heroult i Frankrike utarbetade 1886 oberoende av varandra en ekonomisk process för att framställa aluminium genom elektrolys av smält kryolit; denna blev känd som Bayer-processen.

Gruvdrift

Aluminium är ett av de vanligaste grundämnena i naturen, men det kan inte utvinnas i sin rena form. Istället finns det som olika föreningar i bergarter och sediment, där världens primära källa är bauxit som måste utvinnas och raffineras till aluminiumoxid innan aluminium kan produceras i gruvor över hela världen.

Gruv- och raffineringsprocesserna för aluminium ger upphov till betydande avfallsmängder, där stora volymer giftigt avfall som TENORM förknippas med flera hälsoproblem, bland annat fibros, mesoteliom och lungsjukdomar. Dessutom läcker tungmetaller ut i vattenkällor från avfallshögar och förorenar dem med potentiellt farliga nivåer som hotar miljöintegriteten.

För att minska miljöpåverkan i samband med aluminiumoxidproduktion investeras betydande resurser i gruvrehabilitering och återställande av naturliga livsmiljöer. Tyvärr medför denna verksamhet vissa risker för anställda inom gruv- och raffinaderisektorerna, som kan utsättas för sjukdomar i andningsvägar och hud, inklusive mesoteliom, hud- och njurcancer, degenerativa lungsjukdomar eller samhällsförvärvade infektionssjukdomar som malaria eller denguefeber om det finns myggor.

Bauxitbrytning sker vanligen i dagbrott och Australien, Guinea och Kina står för merparten av världens bauxitproduktion. Eftersom den mesta bauxiten förekommer i tropiska zoner måste den också brytas här, och de stora gruvbolagen driver i allmänhet gruvor nära hamnanläggningar med utbildad arbetskraft i närheten.

Enligt Bayerprocessen krossas, tvättas och mals bauxit innan den löses upp i kaustiksoda under högt tryck och hög temperatur för att skapa en övermättad natriumaluminatlösning, så kallad gravidlut, som sedan pumpas in i höga tankar, så kallade precipitatorer, där aluminiumhydroxidfrön tillsätts för att skapa en utfällning av fasta aluminiumhydroxidkristaller när gravidluten kyls av. Den utfällda aluminiumoxiden filtreras sedan och skickas direkt till lagringsområden för bauxitrester.

Förberedelser

Aluminium är ett av de vanligaste grundämnena på jorden och är känt för sin lätta vikt, smidighet, formbarhet och korrosionsbeständighet. Tyvärr förekommer dock inte aluminium naturligt i metallisk form och måste därför brytas för att framställas. Bauxit måste först bearbetas till aluminiumoxid (alumina). När detta ämne väl har framställts kan det sedan formas till olika former, t.ex. slugs, billets, göt och blooms, för att slutligen ge upphov till produktion av aluminiummetall.

Bauxit är den viktigaste källan till aluminium och förekommer vanligen som ett vittrat täcke, laterit eller duricrust, på olika vulkaniska bergarter och består av aluminiumoxid, järnoxid och kiseldioxid. Endast fyndigheter som innehåller gibbsit och boehmit med 65 respektive 85 procent aluminium kan utnyttjas ekonomiskt för att producera aluminiumoxid; sådana fyndigheter brukar främst finnas på båda sidor om ekvatorn.

Heta kaustiksodalösningar används för att lösa upp de aluminiumhaltiga mineralerna i bauxiten (gibbsit, boehmit och diaspore). Denna process kallas uppslutning eller urlakning och den övermättade natriumaluminatlösningen som uppstår kallas gravidlut. När den olösliga kiseldioxiden i bauxiten har separerats från aluminiumoxid måste den separeras genom filtrering från eventuell röd lera som finns kvar efter filtreringen - som så småningom kommer att kasseras efter filtreringen.

Rötning kräver stora mängder vatten. Vatten krävs också vid tillverkning av vattenbaserad kaustiksoda och andra kemikalier, för tvättning av malm, restprodukter, återvunnet kaustiksodaavfall och avfall samt för dammbindning. Vattenanvändningen varierar mellan anläggningarna beroende på bauxitkvalitet, anläggningsdesign och vattentillgång i regionen.

Traditionella metoder innebar att kalciumfluorid tillsattes under kalcineringen för att minska natriumhalten i aluminiumoxidråvaran, men på grund av oro för fluoridutsläpp i atmosfären har denna metod övergivits. På grund av dessa krav har man varit tvungen att skapa nya processtekniker för aluminiumoxid med låg natriumhalt. Aluminiumoxid som produceras med denna metod mals i en attritionskvarn med ättiksyra för att avlägsna soda och producera produkter med låg natriumhalt. För att fälla ut aluminiumoxiden krävs saltsyragas för att bilda aluminiumoxidkloridhexahydratkristaller som sedan filtreras, centrifugeras, tvättas med saltsyra, filtreras igen innan de löses upp i hett vatten för att ge en aluminiumoxidslurry (ALO) som är lämplig för vidare bearbetning.

Raffinering

Aluminium som vi använder varje dag produceras genom en komplex serie av kemiska reaktioner som börjar med raffinering av bauxit. Aluminiumoxid (Al2O3) fungerar som råmaterial för primär aluminiumproduktion genom elektrolytiska metoder, men dess andra användningsområden sträcker sig också långt bortom primärproduktionen; cirka två ton krävs för att producera ett ton primär aluminium; i själva verket spelar det också en viktig roll i många andra kemikalier som eldfasta material som används för att fodra roterande ugnar och ugnar med hög temperatur, som ett slipande material, som ett slipande ämne och till och med vattenreningsprocesser.

Den största delen av bauxitbrytningen sker i dagbrott, och tre länder - Australien, Kina och Guinea - står för 72% av den globala produktionen. Bauxit avlägsnas från marken med hjälp av metoder som sprängning, borrning och rivning med stora bulldozers innan den transporteras direkt till närliggande aluminiumoxidraffinaderier för vidare bearbetning.

Raffinering av aluminiumoxid är en komplex process i fyra steg. Först måste bauxiten tvättas och filtreras för att avlägsna orenheter som kiseldioxid. Därefter värms grönluten upp till höga temperaturer i en ugn med kaustiksoda för blandning tills kristallisering sker i utfällningskärl med fröpartiklar av aluminiumhydroxidlösning som såtts ut av såmaskiner; utfällningen stimulerar sedan ytterligare tillväxt av ytterligare aluminiumhydroxidlösning innan den går vidare till efterföljande steg i raffineringen.

Svetsning sker ofta i aluminiumoxidraffinaderier och gruvverkstäder, vilket leder till exponering för rök och damm som kan leda till sjukdomar och skador i andningsvägarna. Därför bör kontroller finnas på plats för att minimera denna risk, vibrationsexponering och exponering för farliga ämnen som andra frågor om arbetshälsa uppstår i tropiska regioner där utomhusarbete är normen, vilket potentiellt ökar exponeringen för värmestress för arbetstagarna medan trötthet på grund av helkroppsvibrationer har förknippats med maskiner som skrapor, borriggar, lastbilar eller grävmaskiner som driver maskiner som dessa.

Smältning

Aluminiumoxid är det primära råmaterialet som krävs för att tillverka aluminium. Den framställs i en fyrstegsprocess som kallas Bayerprocessen - uppkallad efter dess utvecklare Karl Josef Bayer. Bauxitmalm finmals och matas in i en ånguppvärmd kokare där den under tryck blandas med kaustiksodalösning för att bilda natriumaluminatlösning (grönlut) medan kaustiksodaavfall återvinns tillbaka till kokningsprocessen som råmaterial; aluminiumoxid kan sedan utvinnas genom indunstning och kristallisering för att producera vitt pulver som kallas gibbsit.

Reducering av aluminiumoxid till tackor >>Under reduktionsfasen av produktionen löses aluminiumoxid upp i så kallade reduktionskrukor - djupa rektangulära stålskal fodrade med kol eller grafit som innehåller kryolitelektrolyt. En elektrisk ström passerar genom denna blandning medan kolanoder fungerar som katoder; aluminium och syre från aluminiumoxid reagerar med kolanoden för att producera koldioxidgas som sedan reagerar med metalliska aluminiumanoder som katod och producerar koldioxidgas med kvarvarande metalliska aluminiumanoder som endast lämnar metalliskt aluminium vid katoden; den går sedan in i hållugnar där föroreningar avlägsnas, legeringselement tillsätts och gjuts till göt.

Aluminiumoxidgöt används för att tillverka en rad olika produkter. De kan valsas till plåt, folie och stänger, extruderas till långa stänger som används för trådtillverkning eller pressas isostatiskt eller gjutas för att producera långa stänger som används för trådtillverkning. Aluminiumgöt kan också formas till olika former genom varm- eller kallvalsning, glidgjutning, formsprutning eller formsprutningsteknik.

Gruv-, raffinaderi- och smältverksamheterna strävar efter att minimera sin miljöpåverkan genom att använda energieffektiv utrustning och utveckla återvinningsprocesser. När gruvdriften har avslutats görs ansträngningar för att återställa marken till dess ursprungliga skick så snart som gruvdriften upphör. Luftföroreningar kan kontrolleras genom adekvata ventilationssystem samt luftföroreningskontrollanordningar som skrubbrar. Vattenföroreningar kan minskas genom återvinning av slagg, avfallsvätskor och gaser för återanvändning.