Těžba a rafinace bauxitu na oxid hlinitý

Bauxit je primární surovinou používanou k výrobě hliníku. Tento jílovitý minerál se skládá z alu-hydroxidů, jako je gibbsit, boehmit a diaspor, které vznikly intenzivním lateritickým zvětráváním.

Bauxitová ruda se nejprve rozdrtí a promyje a poté se rozpustí v horkém roztoku žíravé sody, tzv. "zeleném louhu". Jakmile je tento zelený roztok převeden do vysokých srážecích nádrží s přidanými semeny hydroxidu hlinitého pro vysrážení pevného hydrátu oxidu hlinitého při ochlazení, mohou být srážecí nádrže využity také k urychlení tuhnutí.

Proces Bayer

Ve velkých průmyslových závodech je Bayerův proces tím nejzajímavějším. Právě tady vzniká průmyslová chemie, která přeměňuje suroviny na výrobky prospěšné pro společnost. Tento vícestupňový proces využívá různá filtrační a separační zařízení a zahrnuje také otázky životního prostředí; jeho vedlejší produkty, jako je červené bahno, vyžadují před likvidací pečlivé zacházení.

Bauxitová ruda se zpracovává pomocí roztoku kaustické sody a rozkladem za zvýšených tlaků a teplot se z ní získávají rozpustné hodnoty oxidu hlinitého, přičemž vzniká zředěný roztok hlinitanu sodného a nerozpustný žíravý zbytek známý jako červené bahno. Tento žáruvzdorný materiál vyžaduje zvláštní zacházení, protože může obsahovat těžké kovy, alkalické sloučeniny a fenolové sloučeniny; proto jej místní regulační orgány klasifikují jako nebezpečný odpad.

Roztok hydroxidu sodného pak prochází řadou šestipatrových srážecích nádrží, do nichž se přidávají krystaly hydrátu oxidu hlinitého, které se nechají růst a nakonec k sobě přitáhnou všechny molekuly vody v roztoku, čímž vznikne bílá pevná látka hydroxidu hlinitého, která se později použije v Hall-Heroultově tavicím procesu na výrobu kovového hliníku.

Přefiltrovaný a promytý oxid hlinitý se pak dále zpracovává, aby se odstranila zbývající soda kaustická a další nečistoty, a poté se suší a zahřívá, aby se odstranila přebytečná vlhkost způsobená krystalizací kalcinací - což je nezbytný krok.

Bezvodý oxid hlinitý vyrobený při jeho zpracování je okamžitě připraven k použití a následně je tvarován do různých forem pomocí metod, jako je suché lisování, izostatické lisování, válcování, vstřikování a/nebo kluzné lití. Po vytvarování z něj lze vyrábět odlitky z plechů a tyčí a izostaticky lisované izolační a těsnicí materiály používané v různých průmyslových odvětvích - většina produkce slouží pro metalurgické účely, zatímco zbytek nachází využití ve speciálních aplikacích nebo jako chemikálie z něj odvozené.

Kryolitová koupel

Charles Martin Hall začal v roce 1880 zkoumat metody výroby hliníku. Zjistil, že při průchodu elektrického proudu oxidem hlinitým dochází k jeho rozpadu na kyslík a kovový hliník, přičemž Hallův následný objev spočíval v tom, že kryolitový roztok dokáže tento materiál rozpustit a uvolnit jeho vzácné vlastnosti; vznikl tak Hallův-Heroultův elektrolytický proces, který se do roku 1908 stal základním způsobem výroby primárního hliníku.

Tavení hliníku vyžaduje stálé a rozsáhlé množství elektrické energie. Kryolitová lázeň musí být udržována na ideální provozní teplotě, aby bylo možné ji nepřetržitě vyrábět, přičemž přebytečný hliník, který se nahromadí na katodě, se pravidelně odčerpává a posílá do velkých udržovacích pecí, kde se odstraňují nečistoty, přidávají se legující prvky a poté se odlévá do ingotů.

Aby byl tento proces ekonomicky životaschopný, je nezbytné řídit rychlost přísunu oxidu hlinitého do kryolitové lázně tak, aby se udržovala konstantní koncentrace v optimálním rozmezí. Na tento faktor může mít vliv mnoho faktorů, včetně velikosti částic a míchání.

Provedením rentgenové difrakční analýzy kryolitové lázně lze snadno kontrolovat množství přítomného vápníku a hořčíku. Bohužel však tato rentgenová metoda trpí několika nedostatky, které omezují její přesnost: patří k nim obtížná analýza jejího práškového vzoru a také překrývání analýzy píků semiamorfního kryolitu NaCaAlF6 s analytickými píky chiolitu i weberitu; pouze touto rentgenovou metodou je obtížné odlišit neiborit od neibouritu!

Tavírny používají vysokotlaké difrakční systémy k přesnému sledování teploty kryolitové lázně v reálném čase a k předvídání okamžiku, kdy dojde k jejímu zamrznutí, což jsou zásadní součásti jejich procesu. Tento systém navíc dokáže odhalit nečistoty uhlíku - které představují zdravotní riziko pro pracovníky vystavené jeho působení v dolech, slévárnách a továrnách - a také minerální inkluze, jako je pyrit nebo kalcit, které indikují nečistoty v samotném oxidu hlinitém.

Proces tavení

Hliník lze získat (za neekonomických nákladů) z některých jílů, ale většina produkce pochází z těžby a rafinace bauxitu na oxid hlinitý. Hliník pak slouží jako surovina pro výrobu kovového hliníku; tento energeticky náročný proces spotřebovává velké množství elektrické energie. V současné době se celosvětová výroba oxidu hlinitého rychle rozšiřuje pomocí variant technologie Bayerova procesu (i když obtížnější bauxity s vysokým obsahem diasporu mohou vyžadovat jiné varianty).

Jemně rozemletý bauxit se pod tlakem kombinuje ve fermentorech s horkými roztoky kaustické sody (NaOH), aby se minerály obsahující hliník - gibbsit, bohmit a diaspory - rozpustily v přesyceném roztoku hlinitanu sodného známém jako pregnantní louh. Reaktivní oxid křemičitý přítomný v roztoku musí být také odstraněn dalším zpracováním, aby se vytvořila suspenze červeného bahna, označovaná také jako "hlinitý kal", předtím, než se přečerpá do uzavřených přehrad, které obsahují nepropustné materiály, aby se zabránilo úniku a kontaminaci okolního prostředí.

Redukční hrnce kombinují oxid hlinitý (s trochou zbytků žíravé sody) s uhlíkem, čímž vzniká roztavený elektrolyt, kterým prochází elektrický proud, čímž se rozbíjí chemické vazby mezi hliníkem a kyslíkem v oxidu hlinitém, a tím se uvolňuje kyslík, přičemž hliník se nakonec usazuje na dně jako anodový kov, zatímco plynný oxid uhličitý stoupá vzhůru jako katodový kov.

Ve vysokých srážecích nádobách se roztok hydrátu oxidu hlinitého dále odděluje od kaustické sody přidáním malého množství jemného krystalického práškového oxidu hlinitého do kapalného roztoku, což způsobí jeho vysrážení ve formě tvrdého hlinitokřemičitého hydrátu oxidu hlinitého, který lze poté filtrovat, promývat a sušit do formy bílého prášku známého jako "kalcinovaný oxid hlinitý".

Tento práškový oxid hlinitý lze tvarovat do různých výrobků různými technikami - například suchým, izostatickým a horkým lisováním, odléváním do skluzavky nebo odléváním do pásky - s přidáním nebo bez přidání dalších materiálů (pojiv nebo termoplastů) pro usnadnění výroby a výrobních procesů, jako je vstřikování nebo výroba tenkých substrátů pro mikroelektronické obvody. Jeho použití jako plniva navíc pomáhá zlepšit izolační vlastnosti keramiky.

Proces kalcinace

Zbytky bauxitu lze dále zpracovávat kalcinací, která spočívá v tom, že se vloží do rotační pece, kde se vystaví vysokým teplotám, aby se z nich odstranila veškerá zbývající voda a chemicky vázané prvky, čímž vznikne práškový oxid hlinitý, který je vhodný pro tvarování do tvarů nebo použití jako surovina v keramických aplikacích.

Tepelné reakce jsou katalyzovány horkou kaustickou sodou (NaOH). Reaktanty s různým složením - například kombinace diasporu a gibsitu - mohou být také přidávány za účelem kontroly teplotních profilů a výroby různých druhů oxidu hlinitého.

Zatímco většina produkce oxidu hlinitého směřuje do odvětví tavení hliníku, existuje významný trh se speciálními hliníky používanými jako žáruvzdorné materiály a technická keramika. Tyto speciální výrobky se vyznačují jemnou krystalickou strukturou s velmi vysokým specifickým povrchem, který odolává korozivnímu napadení; navíc mají izolační vlastnosti, vysokou pevnost a tepelnou stabilitu, což z nich činí neocenitelné součásti projektů výstavby pecí.

Mezi další využití oxidu hlinitého patří výroba keramiky, jako jsou žáruvzdorné materiály, brusiva a nosiče katalyzátorů. Často mohou být součástí prášku i pojiva; například termoplasty pro vstřikované díly se zahřívají a mísí s oxidem hlinitým předtím, než se vypálí během procesu chlazení. Jiné použití páskového odlitku zahrnuje jeho smíchání s organickou kapalinou pro výrobu tenkých substrátů pro mikroelektronické obvody.

Na rozdíl od jiných keramických materiálů, které bývají měkké a křehké, a proto nemohou odolávat rázovému nebo tahovému namáhání v provozu, je oxid hlinitý tvrdý, odolný a má nízký koeficient roztažnosti - ideální vlastnosti pro ložiska a těsnění. Bohužel jeho jemná struktura může vést k oslabujícím vadám, jako je praskání a rozpad, pokud je vystaven rázovému namáhání nebo nadměrnému tahovému namáhání.

Kalcinace je průmyslová metoda zahřívání, která se používá k dosažení chemické separace pevných materiálů odpařováním vody, odpařováním znečišťujících látek a rozkladem oxidujících částí hmoty. Kalcinace se již dlouho používá jako účinný způsob výroby bezvodého oxidu hlinitého, výroby obkladových desek ze sádrových odpadních materiálů, extrakce vysoce čistého rutilu z anatasu pro výrobu vysoce čistého rutilu, jakož i pro další průmyslové účely.