Alüminyum Ekstraksiyonunun Karmaşıklığı

Boksitten alüminyum madenciliği, dünyanın en karmaşık endüstriyel süreçlerinden biridir ve bu temel metalin kesintisiz olarak tedarik edilmesini sağlayan muazzam bir bilimsel ve mühendislik mükemmelliği görevi içerir.

Asit prosesinde, boksitten demir ve titanyum oksitleri gibi safsızlıkları süzmek için çözücü olarak sülfürik, hidroklorik veya nitrik asitler kullanılır. XRD desenleri, alkali konsantrasyonu arttıkça alümina ekstraksiyon oranının da arttığını göstermiştir.

Sindirim

Alüminyum yeryüzünde en bol bulunan metallerden biridir, ancak saf hali doğal olarak bulunamaz. Bunun yerine, çıkarılması nihai ürün durumuna ulaşmak için çürütme, arıtma, çökeltme ve kalsinasyon içeren birçok aşama gerektirir - bu da alüminyumu dünyanın en enerji yoğun endüstriyel ürünlerinden biri haline getirir.

Çürütme, boksit cevherinden alüminyum elde etmek için Bayer Prosesinin önemli bir adımıdır. Bulamaç sıcaklığı, kostik soda konsantrasyonu ve kostik oranı dahil olmak üzere birçok faktör performansı etkiler; sindirim oranını optimize etmek için sıcaklığı düşürebilir, kostik oranını artırabilir veya daha yüksek kostik konsantrasyonları kullanabilirsiniz, ancak bu önlemler muhtemelen rafineriler için gereğinden fazla maliyetli ve zahmetli olacaktır.

Çürütme sürecinin bir parçası olarak, boksitteki demirin çoğu bağımsız faz ilmenite dönüşürken, manyetik olmayan malzeme diaoyudaoit ve sodyum alüminosilikat olarak kalır. Manyetik olmayan malzemelerin ayrılması alümina sindirimini iyileştirir; ancak, yapısında bulunan kapalı mineraller nedeniyle diaoyudaoit düşük sindirim sıcaklıklarında kolayca sindirilemeyebilir.

Alümina üretimiyle ilişkili ortalama enerji maliyetleri, kullanılan teknoloji türü, kullanılan boksit ve birbirinden büyük ölçüde farklılık gösteren çürütme süreçleri gibi faktörler nedeniyle ülkeler arasında büyük farklılıklar göstermektedir. Bununla birlikte, enerji kullanımının artmasına katkıda bulunan bazı ortak faktörler vardır:

Çürütme işlemi, bulamacı ısıtmak ve karıştırmak için elektrik ve su gerektirdiğinden ve ayrıca içindeki kil kirlerini yıkayarak uzaklaştırdığından, alümina üretimi sırasında enerji kullanımının çoğunu oluşturur. Optimum sindirimin gerçekleşmesi ve enerji israfının azaltılması için bilim insanlarının sindirimin kullanımıyla ilgili mevcut koşulları incelemesi gerekir. Bilim insanları bunu, dokümantasyon merkezinden veri ve bilgi toplayarak ve üretim hattı uzmanlarıyla görüşerek, ardından büyük sapmaları tespit etmek için sindirim sürecinin mevcut durumunu orijinal tasarımıyla karşılaştırarak başarabilir.

Açıklama

Alüminyum ekstraksiyonu karmaşık ve enerji tüketen bir süreç olabilir, ancak birçok ticari ve endüstriyel uygulama için gereklidir. Bu nedenle, bu karmaşık prosedürün başarılı olmasını sağlamak için anlaşılması son derece önemlidir - diyagramlar, üretim sırasında meydana gelen ve bu karmaşık prosedürü oluşturan kimyasal reaksiyonlara ve bunların uygulanması için önemlerine ışık tutmaya yardımcı olabilir.

Kilit adımlardan biri, boksitin elektroliz veya Bayer süreci yoluyla alüminaya ve nihayetinde alüminyum metaline rafine edilmesini içerir. Her iki prosedür de bu işlemler yoluyla güvenilir alüminyum metal tedariği sağlamaktadır. Her ikisi de üretim kaynağı olarak elektrolize dayanır.

Boksit cevheri bol miktarda alüminyum kaynağıdır ve bir sonraki aşamaya hazır alümina bakımından zengin bir çözeltiye dönüştürülmesi için önemli bir işlem gerektirir. Çürütme işlemi boksit cevherinin kırılmasını ve ardından alümina içeriğini çözerek berrak bir sıvı elde etmek için sıcak konsantre sodyum hidroksit çözeltileriyle karıştırılmasını gerektirir. Daha sonra, berraklaştırılmış sıvı üzerinde çökeltme ve kalsinasyon gerçekleşmeden önce safsızlıkların (topluca kırmızı çamur olarak bilinir) ayrıldığı arıtma gelir.

Alüminayı saf alüminyuma dönüştürmek için elektroliz yoluyla eritme gereklidir. Alümina-sodyum hidroksit karışımı daha sonra bir kriyolit çözeltisine (sodyum alüminyum florür) yerleştirilir ve bu durumun korunması için olağanüstü miktarda enerji harcanması gerekir; bir ton alümina üretmek için 14.000-16.000 kilovat saat gerekir.

Bu işlem sırasında ortaya çıkan ısı elektrokimyasal bir reaksiyonu tetikler. Elektrik akımı sistemden geçerken, anotta oksijen üretilir ve karbonla birleşerek karbondioksit gazı oluşturur; kalan erimiş alüminyum grafit veya karbonla kaplı katotta toplanır; periyodik olarak sifonlanır ve bekletme fırınlarına taşınır; daha fazla rafine edildikten ve gerektiğinde alaşım elementleri eklendikten sonra, gelecekteki uygulamalar için külçeler halinde dökülür.

Yağış

Alüminanın çıkarılmasındaki kilit adımlardan biri çökeltmedir. Atık akışlarından alüminyum hidroksit kristallerinin çıkarılması amacıyla çökeltme reaksiyonları çeşitli şekillerde gerçekleşir. Karl Bayer orijinal geliştirme çalışmasında tohum olarak ince taneli kristaller kullanmıştır; bu yaklaşım verimi artırır ancak daha yüksek karbonat konsantrasyonlarına neden olabilir ve alüminyumun geri kazanım oranını azaltan silika gibi safsızlık üretimini artırabilir.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için, şu anda farklı iyon değişim reçinelerinin çökeltme verimliliğini artırmadaki etkinliğini değerlendiren çeşitli araştırma projeleri yürütülmektedir. İyon değişim reçineleri, her molekülde çok sayıda iyonik fonksiyonel grup içeren yüksek moleküler ağırlıklı polimerik malzemelerdir ve tipik olarak değişim için sülfonik asit grupları veya karboksilik asit grupları içerir. Her iki reçine türü de kostik çözeltilerinden soda ekstrakte etmek için kullanılabilir, bu da hem toplam kostik (TC) hem de toplam alkali (TA) miktarında azalmaya yol açar. Ayrıca, katyon değişim reçineleri kullanılmış Bayer liköründe bulunan sodyum iyonlarını nötralize edebilir ve bu da alümina çözünürlüğüne göre aşırı doygunlukta bir artışa neden olur.

Çeşitli karbonatlaşma koşullarında, oksijen varlığının çökelme oranları üzerinde faydalı bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Daha spesifik olarak, çökelmenin başladığı sıcaklık önemli ölçüde artarken, çökeltinin XRD analizi, termodinamik hesaplamalarla tahmin edildiği gibi dawsonit içerdiğini gösterdi.

Alümina çökeltme, boksit sindiriminden alüminyum üretiminde en kritik ve zor aşamalardan biridir. Alüminyum izabe tesislerinin kalsinasyon fırınlarında tüketilmek üzere alümina hidroksit üretmek için çökelme gerçekleşmelidir; dolayısıyla işleme tesislerinde kullanılan filtre ve ayırma ekipmanlarının son derece katı koşullar altında çalışması gerekir.

Alümina tesislerinde bulunan filtrasyon ve separatör ekipmanları, pompalar, mikserler ve karıştırıcılar gibi diğer ekipmanlara zarar verebilecek yüksek derecede aşındırıcı boksit kalıntılarını temizlerken, yüksek sıcaklıklar ve basınçlar da dahil olmak üzere zorlu ortamlarda düzgün çalışması için sağlam, dayanıklı, güvenilir ve uzun ömürlü olmalıdır. Bu nedenle, dünyanın en iyi filtrasyon ve ayırıcı ekipmanlarından bazıları bu tür tesislerde bulunabilir.

Kalsinasyon

Kalsinasyon, süreçteki son sentetik adımdır ve alüminanın morfolojisi, faz bileşimi ve kimyasal bileşimi üzerinde çok sayıda etkiye sahiptir. Sıcaklık ve reaksiyon süresi tipik olarak en büyük etkiye sahiptir; sıcaklık, istenen morfoloji/kompozisyon hedeflerinin yanı sıra bu alümina malzemenin üretim veya diğer kullanımlarına bağlı olarak ayarlanmalıdır; bu sonuca ulaşmak için gereken süre, uzunluğunu belirleyecektir.

En yaygın olarak kullanılan kalsinasyon yöntemi, alüminyum klorür hekzahidrat kristallerini hidroklorik asitle çökeltmeden önce kaolin killerinin hidroklorik asitle liç edilmesini ve ardından alümina üretmek için hava ile yüksek sıcaklıkta kalsine edilmesini içerir. Bu yaklaşım, hidroklorik asidin yeniden üretilmesi alternatiflerine göre daha kolay olduğundan, sülfürik veya nitrik asit kullanan proseslere göre birçok avantaja sahiptir.

Önceki kalsinasyon süreçleri, alümina üretimi için hekzahidrat kristallerini 500-1.100 dereceC'nin üzerine çıkarmak için önemli miktarda enerji tüketiyordu, ancak bu enerjinin çoğu, birleşik suyu çıkarmak ve hekzahidrat kristal formunun ara kristal formlarını yükseltmek için düşük sıcaklık aşamalarında tüketiliyordu. Ayrıca, her aşama mevcut toplam enerjinin yalnızca bir kısmını tüketmiştir.

Kalsinasyonun hem yüksek sıcaklık hem de soğutma aşamalarında enerji kullanımını önemli ölçüde azaltan ve alümina üretimi için toplam enerji gereksinimlerini önemli ölçüde düşüren yenilikçi bir kalsinasyon prosesi geliştirilmiştir. Bu prosesin merkezinde, alüminaya nihai dönüşüm için bir kalsinatöre beslenmeden önce hekzahidratın çoklu ısı değişim aşamaları yoluyla kalsinasyon sıcaklığına yaklaşan kademeli olarak daha yüksek sıcaklıklara ısıtılmasını kullanan bir ısı değişim sistemi yatmaktadır. Hekzahidrat çeşitli ısı değişim aşamaları aracılığıyla soğutulur ve duyulur ısı, soğutma aşamalarından ısıtma aşamalarına, söz konusu aşamada tüketildiğinden yalnızca biraz daha yüksek sıcaklıklarda aktarılır.