العلم وراء استخلاص الألومينا

يعد استخراج الألومنيوم من البوكسيت جانباً أساسياً من الجوانب العلمية والهندسية التي تضمن إمدادات ثابتة من هذا المعدن متعدد الاستخدامات. ونظراً للاستخدامات العديدة لهذا المعدن، فقد استمر البحث عن وسائل أكثر كفاءة لإنتاجه لعقود من الزمن.

ينطوي الاستخلاص على الهضم بهيدروكسيد الصوديوم الساخن، يليه ترسيب هيدروكسيد الألومنيوم من محلوله والتكلس اللاحق لإنتاج ألومينا نقية تجاريًا.

عملية باير

اخترع كارل جوزيف باير عملية باير في عام 1887 ولا تزال حتى اليوم الطريقة الصناعية الأساسية لإنتاج الألومينا. يُخلط البوكسيت المسحوق مع هيدروكسيد الصوديوم لتكوين محلول الألومينات الذي يُستخدم كنقطة بداية لخطوات المعالجة الإضافية.

يزيل الترشيح المياه الحرة والشوائب؛ ثم يتم تغذية كعكة المرشح في سلسلة من المكلسات ليتم تسخينها في درجات حرارة عالية حتى يتم التخلص من جميع المياه الحرة والشوائب الكيميائية، مما ينتج مسحوق الألومينا لاستخدامه في عمليات الألومنيوم المختلفة مثل الصهر والصب.

يستخدم خام الحديد في إنتاج معادن أخرى، بما في ذلك المغنيسيوم والكالسيوم. وعندما يتم دمجه مع عناصر أخرى يمكن أن يشكل سبائك لتطبيقات محددة مثل محركات الطائرات أو خلايا الوقود؛ بالإضافة إلى أنه يعمل كمادة داعمة في صنع المحفزات المستخدمة للتحكم في التفاعلات الكيميائية الأخرى.

لا يمكن إنتاج الألمنيوم بشكل طبيعي ويجب استخراجه من خاماته باستخدام تقنيات تكرير مختلفة. وهناك عمليتا استخلاص أساسيتان أساسيتان هما عمليتا باير وهال-هيرولت اللتان تبدآن بالبوكسيت كمادة مصدرية.

البوكسيت عبارة عن صخور خشنة الحبيبات تحدث بشكل طبيعي وتحتوي على كميات كبيرة من أكسيد الألومنيوم (Al2O3). وتشكل الألومينا جزءاً كبيراً من قيمته التجارية؛ ويتطلب استخراج الألومنيوم استخداماً مكثفاً للطاقة ومعدات باهظة الثمن؛ ولذلك استثمرت الصناعة بكثافة في تكنولوجيا تكرير البوكسيت لتلبية 301 تيرابايت من إجمالي الإنتاج العالمي.

عملية هال-هيرولت

يعتبر الألمنيوم ضرورياً في العديد من الصناعات والتطبيقات، إلا أنه يجب استخراجه أولاً من حالته الطبيعية لكي يصبح مفيداً. لا توجد سوى أماكن قليلة على الأرض تحتوي على شكله الأولي في الطبيعة - وعلى الأخص في البوكسيت - لذلك يجب إجراء العديد من عمليات التكرير قبل إنتاج منتجات الألمنيوم النهائية التي تستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات. ويعتمد مصنعو الألمنيوم بشكل كبير على العمليات الكهروكيميائية مثل Hall-Heroult في تحويل المواد الخام إلى سلع قيّمة؛ ويتيح فهم هذه التفاعلات الكيميائية الرئيسية نظرة ثاقبة لهذه الصناعة الحيوية.

وتعتمد عملية Hall-Heroult على الذوبان الكهروكيميائي للألومينا لإنتاج الألومنيوم المعدني النقي وغاز الأكسجين. ونظراً لأن هذه العملية معقدة للغاية وتتطلب تحكماً دقيقاً لتحقيق إنتاج فعال، يجب إدارة درجة الحرارة والتيار وتكوين تركيبة الإلكتروليت بإحكام لتحقيق نتائج ناجحة.

بدأ تشارلز مارتن هول، الذي كان حينها طالباً في السنة الأولى في كلية أوبرلين في أوهايو، وكان عمره 20 عاماً، في البحث عن طرق لإنتاج الألمنيوم في عام 1880. وعلى الرغم من فشل محاولاته الأولية باستخدام التيار الكهربائي لاستخراج الألمنيوم من الألومينا، إلا أن هول حقق في عام 1886 إنجازاً سيغير تاريخ الألمنيوم إلى الأبد.

حيث قام بإذابة الألومينا في معدن الكريوليت ووضع أقطاب قضبان الجرافيت في المحلول. ثم قام بعد ذلك بتشغيل تيار كهربائي عبر أقطابه لإنتاج الألومنيوم المنصهر على الجانب الموجب (الكاثود) بينما حدث إنتاج غاز الأكسجين على الجانب السالب (الأنود)، وكرر هول هذه العملية بنجاح وأسس في النهاية شركة بيتسبرغ للاختزال في عام 1888.

تُستخدم عملية هال-هيرولت منذ فترة طويلة كطريقة صناعية رئيسية لإنتاج الألومنيوم. وعلى الرغم من أنها كثيفة الاستهلاك للطاقة، إلا أنها قطعت أشواطاً كبيرة على مدى السنوات الـ 110 الماضية للحد من استخدام الكهرباء أثناء عملية الإنتاج، كما أنها تنتج غاز ثاني أكسيد الكربون؛ والذي بدوره يشكل بعض المخاوف كغازات دفيئة. ومع ذلك، بُذلت جهود متواصلة خلال هذا الإطار الزمني لتقليلها قدر الإمكان.

العملية الهيدروكيميائية الكيميائية

يشهد البوكسيت، وهو معدن طبيعي غني بالألمنيوم، طلباً متزايداً واستخداماً صناعياً واسع النطاق، مما يغذي التحسينات المستمرة على العملية المستخدمة لتحويل هذا العنصر الوفير إلى ألمنيوم منقى. وتعتمد هذه العملية المعقدة وكثيفة الاستهلاك للطاقة على عوامل متعددة بما في ذلك موقع الاحتياطيات، وقرب مصادر الطاقة لعمليات الصهر، وتدابير الكفاءة والالتزام بالممارسات المستدامة.

تنطوي عملية باير على خطوات متعددة: الهضم بمادة الصودا الكاوية، وفصل المعادن الحاملة للألمنيوم من المحلول (يسمى الطين الأحمر)، وترسيب بلورات ألومينات الصوديوم، وأخيراً التكليس. ونتيجة لذلك، تعتبر الألومينا عنصراً أساسياً في إنتاج الألمنيوم: كما أن الألومينا مادة خام لا غنى عنها تستخدم في تصنيع الحراريات والمواد الكاشطة القابلة للصب.

بعد عملية باير، يمكن تحويل الألومينا إلى ألومنيوم نقي باستخدام عملية التحليل الكهربائي Hall-Heroult. ويحدث ذلك في وعاء مبطن بالكربون ومزود بحمام كهروليت يقلل من درجة انصهار أكسيد الألومنيوم؛ ويمر تيار كهربائي عبر هذا الحمام بينما يتفاعل الأكسجين من الهواء مع أقطاب القطب السالب لتكوين غاز ثاني أكسيد الكربون والألومنيوم السائل عند أقطاب الأنود؛ ويمكن بعد ذلك تجميع غاز ثاني أكسيد الكربون عند أقطاب الأنود كغاز ثاني أكسيد الكربون، مما ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يشكل بعد ذلك الألومنيوم السائل عند الأنود لاستخدامه من قبل المستخدمين النهائيين؛ للمزيد من المعلومات.

تقدم المخططات البيانية نظرة ثاقبة على التفاعلات الكهروكيميائية التي تتألف منها عملية هال-هيرولت. تسمح لنا معادلة استخلاص الألومينا بملاحظة أن عملياتها الرئيسية تتضمن:

يُعد النض بحمض الهيدروكلوريك الخطوة الأولية في استخلاص البوكسيت. وتصل معدلات النض إلى ذروتها عند التركيزات المثالية ونسبة الحجم إلى الكتلة/درجات حرارة التفاعل.

ثم يتم ضخ الألومينا في صهاريج الترسيب، ثم تترسب الألومينا وتترسب لتنتج هيدروكسيد الألومنيوم الصلب، قبل أن يتم نقلها أو ضخها مباشرةً إلى غرفة الصهر ليتم تسخينها حتى ينصهر منها الألومنيوم المعدني ثم يتم صبها في سبائك يمكن بعد ذلك تشكيلها أو دحرجتها أو سحبها إلى أشكال أو أحجام مختلفة لاستخدامات محددة.

يمكن استخدام الألمنيوم في مجموعة متنوعة من المنتجات النهائية، من السيارات إلى الطائرات. كما تتميز سبائك الألمنيوم أيضاً بخصائص محددة لاستخدامات محددة، بما في ذلك القوة ومقاومة التآكل والتوصيل - ويمكن بعد ذلك صهر هذه السبائك أو صبها أو سحبها في صفائح لإنتاج مكونات للآلات الحديثة أو مواد البناء أو السلع الاستهلاكية.

عملية الأكسدة

الألومنيوم هو أحد العناصر الثلاثة الأكثر وفرة على القشرة الأرضية ولكنه لا يوجد بشكل طبيعي في شكله النقي. وبدلاً من ذلك، يجب استخلاص الألمنيوم باستخدام عمليات كهروكيميائية متقدمة من مادة البوكسيت الخام الأولية لكي يتم إنتاجه تجارياً. يلعب الألمنيوم دوراً أساسياً في العديد من التطبيقات الصناعية في جميع أنحاء العالم.

تعد عملية Hall-Heroult خطوة أساسية في استخلاص الألومنيوم. تتضمن هذه الطريقة استخدام تيار كهربائي لبدء تفاعلات كيميائية تفصل الألومينا عن أكسيد الألومنيوم. يجب على الطلاب دراسة كيفية عمل هذه الطريقة لأنها توفر نظرة ثاقبة في كل من الكيمياء والتحديات التقنية التي تنطوي عليها.

وكما هو الحال مع طريقة باير، تبدأ هذه العملية باستخدام البوكسيت كمادة خام، وهي عملية غنية بأكسيد الألمنيوم وتحتاج إلى تكرير الألمنيوم إلى معدن نقي. وعلى الرغم من أنها عملية مكثفة وكثيفة الموارد، إلا أنها مكنت الصناعات في جميع أنحاء العالم من استخدام الألمنيوم.

في بداية هذه العملية، يجب أولاً سحق البوكسيت وتنقيته لإنتاج الألومينا (Al2O3)، قبل خلطه مع الكريوليت (Na3AlF6) لتقليل درجة انصهاره وتعزيز التوصيل. وبمجرد خلطه، يوضع هذا الخليط في وعاء من الكربون أو الجرافيت كخلية إلكتروليتية ويتم استخدام الكهرباء؛ حيث يتشكل الأكسجين عند القطب السالب بينما يتم اختزال الألومينا إلى ألومنيوم سائل عند القطب الموجب.

يتم استخدام الترشيح والطرد المركزي لفصل الألومينا عن محلولها، وضخها إلى عدة خزانات ترسيب بطول ستة طوابق حيث تضاف بلورات البذور الصلبة من هيدرات الألومينا كبلورات بذور صلبة للترسيب. وبمجرد وضعها في هذه الخزانات، يتم تخفيفها بالماء حتى يمكن تركيزها للترسيب - ثم يتم نقعها في الماء لإزالة الشوائب قبل تسخينها إلى حوالي 1200 درجة مئوية لتفاعلها؛ وبمجرد اكتمالها يتم ترشيحها مرة أخرى قبل أن يتم نقعها بالبخار في ملاط الألومينا لإنتاجها.