Aluminiumutvinningens komplexitet

Aluminiumbrytning från bauxit är en av världens mest komplexa industriprocesser och innebär ett enormt arbete med vetenskaplig och teknisk spetskompetens för att säkerställa en oavbruten tillgång till denna viktiga metall.

I syraprocessen används svavel-, saltsyra eller salpetersyra som lösningsmedel för att laka ur föroreningar som järn- och titanoxider från bauxit. XRD-mönster visade att när alkalikoncentrationen ökade, ökade också extraktionsgraden för aluminiumoxid.

Matsmältning

Aluminium är en av de vanligaste metallerna på jorden, men dess rena form finns inte i naturen. För att utvinna aluminium krävs i stället många olika steg, som uppslutning, rening, utfällning och kalcinering, för att nå slutproduktstatus - detta gör aluminium till en av världens mest energiintensiva industriprodukter.

Rötning är ett viktigt steg i Bayer-processen för att utvinna aluminium ur bauxitmalm. Många faktorer påverkar dess prestanda, inklusive uppslamningens temperatur, kaustiksodakoncentration och kaustikförhållande; för att optimera rötningshastigheten kan man sänka temperaturen, öka kaustikförhållandet eller använda högre kaustikkoncentrationer, men dessa åtgärder skulle sannolikt visa sig vara mer kostsamma och besvärliga för raffinaderierna än nödvändigt.

Som en del av rötningsprocessen omvandlas det mesta av järnet i bauxit till ilmenit i oberoende fas medan icke-magnetiskt material blir kvar som diaoyudaoit och natriumaluminiumsilikat. Separation av icke-magnetiska material förbättrar aluminiumoxiduppslutningen, men på grund av de slutna mineraler som finns i dess struktur kan diaoyudaoite ha svårt att brytas ned vid lägre uppslutningstemperaturer.

De genomsnittliga energikostnaderna i samband med aluminiumoxidproduktion skiljer sig mycket åt mellan olika länder beroende på faktorer som vilken typ av teknik som används, vilken bauxit som används och att nedbrytningsprocesserna varierar mycket. Det finns dock vissa gemensamma faktorer som bidrar till ökad energianvändning, bl.a:

Rötningsprocessen står för merparten av energianvändningen vid aluminiumoxidproduktion, eftersom den kräver el och vatten för uppvärmning och omrörning av uppslamningen samt för att tvätta bort lerföroreningar från den. För att optimera rötningen och minska energislöseriet måste forskarna studera de nuvarande förhållandena kring användningen av den. Forskarna kan uppnå detta genom att samla in data och information från dokumentcentret och intervjua experter på produktionslinjen, och sedan jämföra det nuvarande tillståndet för rötningsprocessen med dess ursprungliga design för att hitta större avvikelser.

Förtydligande

Aluminiumutvinning kan vara en komplex och energikrävande process, men är ändå nödvändig för många kommersiella och industriella tillämpningar. Därför är det av yttersta vikt att förstå denna komplexa process för att säkerställa att den blir framgångsrik - diagram kan hjälpa till att belysa de kemiska reaktioner som sker under produktionen och som utgör denna komplexa process och deras betydelse för dess genomförande.

Ett av de viktigaste stegen är att raffinera bauxit till aluminiumoxid och slutligen till aluminiummetall, antingen genom elektrolys eller Bayer-processen. Båda förfarandena ger tillförlitliga leveranser av aluminiummetall via dessa processer. De är båda beroende av elektrolys som produktionskälla.

Bauxitmalm är en riklig källa till aluminium och kräver betydande bearbetning för att omvandlas till en aluminiumoxidrik lösning som är redo för nästa steg. Rötning innebär att bauxitmalmen krossas innan den blandas med heta koncentrerade lösningar av natriumhydroxid för att lösa upp aluminiumoxidinnehållet, vilket leder till klarlut. Nästa steg är klarning, där föroreningar (kollektivt kända som röd lera) avskiljs innan utfällning och kalcinering kan ske på den klarade vätskan.

För att omvandla aluminiumoxid till rent aluminium krävs smältning via elektrolys. En blandning av aluminiumoxid och natriumhydroxid placeras sedan i en kryolitlösning (natriumaluminiumfluorid), där det går åt oerhört mycket energi för att hålla den i detta tillstånd; för att producera ett ton aluminiumoxid krävs 14.000-16.000 kilowattimmar.

Värmen som genereras under denna process driver en elektrokemisk reaktion. När elektrisk ström passerar genom systemet produceras syre vid anoden och kombineras med kol för att bilda koldioxidgas; kvarvarande smält aluminium samlas vid katoden som är fodrad med grafit eller kol; det sugs av regelbundet och transporteras till hållugnar; när det har raffinerats ytterligare och legeringselement tillsätts efter behov gjuts det till göt för framtida applikationer.

Nederbörd

Ett av de viktigaste stegen vid utvinning av aluminiumoxid är utfällning. Utfällningsreaktioner förekommer i olika former; i syfte att utvinna aluminiumhydroxidkristaller ur avfallsströmmar. Karl Bayer använde finkorniga kristaller som frö för sitt ursprungliga utvecklingsarbete; detta tillvägagångssätt ökar utbytet men kan resultera i högre karbonatkoncentrationer och öka produktionen av föroreningar som kiseldioxid, vilket minskar återvinningsgraden av aluminium.

För att hantera dessa utmaningar pågår för närvarande flera forskningsprojekt som utvärderar effekten av olika jonbyteshartser för att förbättra fällningseffektiviteten. Jonbytarmassor är polymera material med hög molekylvikt som innehåller många jonfunktionella grupper i varje molekyl, vanligtvis antingen sulfonsyragrupper eller karboxylsyragrupper för utbyte. Båda typerna av hartser kan användas för att extrahera soda från kaustiska lösningar, vilket leder till en minskning av både total kaustik (TC) och total alkali (TA). Dessutom kan katjonbytarmassor neutralisera natriumjoner som finns i förbrukad Bayer-sprit, vilket resulterar i en ökning av övermättnaden i förhållande till lösligheten hos aluminiumoxid.

Vid olika karbonatiseringsförhållanden observerades att syrenärvaro hade en gynnsam inverkan på utfällningshastigheten. Mer specifikt ökade temperaturen vid vilken utfällningen inleddes avsevärt medan XRD-analys av utfällningen visade att den innehöll dawsonit enligt termodynamiska beräkningar.

Utfällning av aluminiumoxid är ett av de mest kritiska och svåraste stegen i framställningen av aluminium från bauxit. Utfällningen måste ske för att producera aluminiumhydroxid för användning i aluminiumsmältverkens kalcineringsugnar; följaktligen måste filter- och separationsutrustning som används i processanläggningar fungera under extremt stränga förhållanden.

Filtrerings- och separatorutrustning i aluminiumoxidanläggningar måste vara robust, hållbar, tillförlitlig och långlivad för att fungera i tuffa miljöer, inklusive höga temperaturer och tryck, samtidigt som den rensar bort mycket slipande bauxitrester som kan skada annan utrustning som pumpar, blandare och omrörare. Därför finns några av världens bästa filtrerings- och separatorutrustningar i sådana anläggningar.

Beräkning

Kalcinering är det sista syntetiska steget i processen och har flera influenser på morfologi, fassammansättning och kemisk sammansättning av aluminiumoxid. Temperaturen och reaktionens varaktighet har vanligtvis störst inflytande; temperaturen bör ställas in beroende på önskad morfologi/komposition samt tillverkning eller andra användningsområden för detta aluminiumoxidmaterial; den tid som krävs för att nå detta resultat kommer att diktera dess längd.

Den mest använda kalcineringsmetoden innebär att kaolinleror lakas med saltsyra innan aluminiumkloridhexahydratkristaller fälls ut med saltsyra och sedan kalcineras vid hög temperatur med luft för att producera aluminiumoxid. Detta tillvägagångssätt har många fördelar jämfört med processer som använder svavel- eller salpetersyra eftersom det är lättare att regenerera saltsyra än dess alternativ.

Tidigare kalcineringsprocesser förbrukade avsevärd energi för att höja hexahydratkristaller över 500-1.100degC för aluminiumoxidproduktion, men mycket av denna energi förbrukades under lågtemperatursteg för att extrahera kombinerat vatten och höja mellanliggande kristallformer av den hexahydratkristallina formen. Dessutom förbrukade varje steg endast en del av den totala tillgängliga energin.

En innovativ kalcineringsprocess har utvecklats som avsevärt minskar energianvändningen i både högtemperatur- och kylningsstegen i kalcineringen, vilket avsevärt sänker det totala energibehovet för att producera aluminiumoxid. Kärnan är ett värmeväxlingssystem som använder stegvis uppvärmning av hexahydrat genom flera värmeväxlingssteg till allt högre temperaturer som närmar sig kalcineringstemperaturen innan det matas in i en kalcinator för slutlig omvandling till aluminiumoxid. Hexahydratet kyls ytterligare genom olika värmeväxlingssteg, varvid förnuftig värme överförs från kylstegen till värmestegen vid endast något högre temperaturer än de vid vilka den förbrukas i det aktuella steget.