От боксит до двуалуминиев оксид: процесът на Байер
Бокситът е основната руда на алуминия, скала, съдържаща 40% до 60% алуминиев оксид заедно с железен оксид, силициев диоксид и други примеси. Първият етап на екстракция, процесът на Байер, отделя алуминиевия оксид от тези примеси.
Натрошеният боксит се смесва с горещ, концентриран разтвор на натриев хидроксид и се смила под налягане при температури около 150 до 250 градуса по Целзий. Алуминиевият оксид се разтваря, за да образува натриев алуминат, докато железният оксид, силициевият диоксид и други примеси остават като твърд остатък, наречен червена кал. Суспензията се филтрира, за да се отстрани червената кал, оставяйки бистър разтвор на натриев алуминат.
След това алуминиевият хидроксид се утаява от разтвора чрез зародиш и охлаждане, а утайката се промива и калцинира във въртящи се пещи или калцинатори с-кипящ слой при около 1000 градуса по Целзий, за да се изгони водата. Продуктът е бял алуминиев прах, почти чист алуминиев оксид.
От алуминий до алуминий: Процесът на Хол-Хероулт
Алуминиевият оксид има точка на топене над 2000 градуса по Целзий, което би направило директното топене неикономично. Процесът на Hall-Heroult разтваря двуалуминиев оксид в разтопен криолит, флуориден минерал, понижавайки работната температура до около 950 градуса по Целзий.
Силен постоянен ток, обикновено от 150 000 до 600 000 ампера, преминава през клетката между въглеродните аноди и въглеродния -катод. На катода се образува течен алуминий и се събира на дъното на клетката; при анодите кислородът реагира с въглерода, за да освободи въглероден диоксид. Течният алуминий се изцежда от клетката и се отлива в слитъци, заготовки или плочи за по-нататъшна обработка.
Енергийни и екологични съображения
Електролизата е енергийно интензивна: производството на един тон първичен алуминий изисква приблизително 13 до 15 мегават-часа електроенергия, поради което топилните заводи са разположени близо до евтини-източници на енергия, включително водноелектрически централи. Процесът също отделя въглероден диоксид от анодите, а червената кал от процеса на Байер трябва да се управлява внимателно в проектирани съоръжения за съхранение.
Тези въздействия обясняват силния екологичен аргумент за рециклиране: топенето на скрап от алуминий използва около 5% от енергията на първичното производство и напълно избягва цикъла на боксит и червена кал, поради което рециклираният алуминий вече доставя голям дял от глобалното търсене.
Алтернативни и нововъзникващи маршрути
Съществуват алтернативни пътища за добив, но са по-рядко срещани. Киселинното извличане може да извлече алуминий от определени руди и промишлени отпадъци, но като цяло е по-скъпо и сложно от процеса на Байер. Продължават изследванията върху инертни аноди, които биха елиминирали емисиите на въглероден диоксид от електролизата, както и върху по-ефективни дизайни на клетки, но процесите на Bayer и Hall-Heroult остават индустриалният гръбнак на производството на алуминий.
Често задавани въпроси
В: Какво е боксит и откъде идва?
Бокситът е червеникава седиментна руда, съдържаща 40-60% алуминиев оксид (алуминиев оксид) като гибзит, бемит или диаспорни минерали, добивани главно в Австралия, Гвинея, Китай, Бразилия и Индия; приблизително 4-6 тона боксит са необходими за производството на 1 тон алуминий.
Въпрос: Какво се случва в клетката за електролиза на Hall-Heroult?
Двуалуминиевият оксид се разтваря в разтопен криолит при около 950-970 градуса и се разделя от електрически ток на разтопен алуминий при въглеродния катод и въглероден диоксид при въглеродния анод; процесът протича непрекъснато с подаване на алуминиев оксид и смяна на анода.
Въпрос: Колко електроенергия консумира първичното производство на алуминий?
Етапът на електролиза обикновено консумира 13-15 kWh на килограм алуминий, а съвременните топилни пещи средно около 14 000-15 500 kWh на тон; ето защо заводите за топене на алуминий винаги се разполагат до евтина енергия, като водноелектрически централи.
Въпрос: Какво е червена кал и какво се случва с нея?
Червената кал е богатият на желязо-алкален остатък, останал след процеса на Байер, около 1-1,5 тона на тон алуминиев оксид; то се съхранява в внимателно управлявани хвостохранилища, а новите процеси възстановяват желязото, редкоземните елементи или го използват в цимент и строителни материали за намаляване на депонирането.
Въпрос: Как производството на алуминий стана по-чисто?
Съвременните топилни пещи използват инертни или предварително изпечени аноди с третиране с дим за намаляване на емисиите, хидроенергия и възобновяема енергия за намаляване на въглеродните отпечатъци, а индустрията рециклира скрап от процеса вътрешно; производството на алуминий от рециклиран метал използва само около 5% от енергията на първичното производство.
Въпрос: Колко боксит е нужен за производството на един тон алуминий?
Като правило, около 4-5 тона боксит се рафинират в приблизително 2 тона алуминий, който след това се топи в около 1 тон първичен алуминий. Точното съотношение зависи от качеството на рудата и ефективността на рафинерията и топилната.