Bauxit- und Tonerdeabbau

Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium eines der drei am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. Bauxit-Erz wird durch die Bayer-Raffination zur Gewinnung verarbeitet.

Bauxiterz wird zerkleinert, gewaschen und getrocknet, bevor es mit heißer Natronlauge zu einer mit Natriumaluminat übersättigten Lösung vermischt wird, die gemeinhin als Rotschlamm bezeichnet wird. Diese Lösung wird dann zur Sammlung und Verarbeitung in hohe Behälter gepumpt, die als Abscheider bezeichnet werden.

Bauxit

Bauxit ist eine der wichtigsten Aluminiumquellen der Welt, die für Anwendungen von Flugzeugen und Automobilen bis hin zu Getränkedosen und Zinnfolie verwendet wird. Bauxit ist ein Al2O3-haltiges Erz, das in der Regel in der Nähe von bewaldeten Gebieten in der Nähe der Oberfläche und des Baumbestandes vorkommt. Beim Abbau können Tagebaumethoden angewandt werden, wobei der Boden durch Aufforstung als Teil der Sanierungsverfahren ersetzt wird.

Bauxiterz besteht aus aluminiumhaltigen Mineralien wie Gibbsit, Bohmit und Diasporen, deren Anteil je nach Fundort variiert. Bauxitvorkommen sind auf allen Kontinenten außer der Antarktis zu finden, mit reichen Vorkommen in Guinea (Brasilien), Australien, Indonesien und China. Bauxit entsteht durch chemische Verwitterung durch Wasser in tropischen Klimazonen, wo Regenwasser das Siliziumdioxid aus dem ursprünglichen Eruptivgestein auslaugt, aus dem es entstanden ist.

Nach dem Abbau von Bauxit muss es zu einer Aluminiumoxidraffinerie transportiert werden, wo es zu Tonerde für die Herstellung von Aluminiumprodukten verarbeitet wird. Bauxit kann in der Regel per Zug oder Lkw von den Minen direkt zu einer Aluminiumoxidraffinerie transportiert werden; einige Sendungen können sogar auf dem Seeweg ankommen.

Im Rahmen des Produktionsprozesses muss Bauxit zunächst ausgelaugt werden, um den Tonerdegehalt mit einer Lösung von 15-20% wässrigem Natriumhydroxid unter Druck abzutrennen. Nach diesem Schritt kann das ausgefällte Aluminiumoxid ausgefällt und durch Kalzinierung im Wirbelschicht- oder Drehrohrofen zur Herstellung von Aluminiumoxid mit einem Reinheitsgrad von 99,5% weiterverarbeitet werden.

Das in dieser Mine geförderte Bauxit wird anschließend zur Verwendung in den Raffinerien von Yarwun und Queensland Alumina Ltd in Gladstone, Australien, exportiert, während ein Teil auch nach Übersee (z. B. China) geliefert wird.

Der Bauxitabbau hat in Ländern wie Guinea gravierende Umweltauswirkungen. Eine kürzlich durchgeführte Analyse der Auswirkungen auf die Gemeinden in Guineas größtem Bergbaugebiet, Boke, ergab, dass der Abbau von Bauxit das Leben und die Lebensgrundlage ländlicher Gemeinden durch den Verlust des Zugangs zu Land, die Erschöpfung der Wasserressourcen, die Auswirkungen auf die Gesundheit und gewalttätige Angriffe auf Projektmitarbeiter durch Angehörige der örtlichen Bevölkerung beeinträchtigt.

Roter Schlamm

Die Herstellung von Aluminium ist mit vielen Umweltrisiken verbunden. Der Bauxitabbau dezimiert riesige Gebiete mit altem Baumbestand, während der energieintensive Prozess massive Dämme erfordert, die indigene Gemeinden überfluten. Darüber hinaus stellt der bei der Produktion entstehende giftige Rotschlamm ein ernsthaftes Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar, wenn er nicht ordnungsgemäß eingeschlossen wird.

Es wurden zahlreiche Studien darüber durchgeführt, wie Rotschlamm weniger gefährlich gemacht werden kann, wobei sich die meisten Bemühungen darauf konzentrierten, die Gefahren zu lindern, anstatt sie zu beseitigen. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeiten ist es, gefährliche Metalle, die in den Laugenabfällen vorkommen, in eine feste Form, die sogenannten feuerfesten Mineralien, zu überführen.

Ein Verwendungszweck für Hersteller von Aluminiumoxid könnte die Verstärkung von Metalllegierungen sein, die sie in ihren Produkten mit Seltenerdmetallen wie Aluminiumoxid verwenden. Forscher haben sogar Scandium-Aluminium-Legierungen entwickelt, die 40% fester sind als reines Aluminium. Die Hersteller der Luft- und Raumfahrtindustrie sind begierig darauf, sie zu verwenden, da sie dazu beitragen könnten, den Treibstoffverbrauch und die Emissionen zu senken, indem sie Flugzeuge leichter und treibstoffeffizienter machen; leider verhindert der hohe Preis - $3500 pro Kilogramm - ein Wachstum in diesem Sektor.

Feuerfeste Mineralien haben eine weitere Anwendung in Baumaterialien. Zwar werden derzeit nur etwa 3% Bauxitrückstände auf diese Weise recycelt, doch könnte dieses Material für Wände und andere Bauprojekte verwendet werden; der größte Teil wird in großen Abfallteichen, auf Trockenmauern oder auf Deponien entsorgt.

Die größte Herausforderung, vor der die Industrie heute steht, ist jedoch die Suche nach einer umweltverträglichen Lösung für die Entsorgung der riesigen Mengen an Bauxitrückständen, die jedes Jahr anfallen. Die derzeitigen Methoden, bei denen die Abfälle direkt in die freie Natur gekippt werden, haben sich als teuer und umweltschädlich erwiesen.

Forscher aus China haben eine Technik entwickelt, um die Stabilität und Haltbarkeit von Laugenabfällen zu erhöhen, indem sie sie mit verschiedenen Bindemitteln mischen. Die Bindemittel haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die im Rotschlamm enthaltenen Schadstoffe wie sechswertiges Chrom, Blei, Selen, Fluorid und Arsen binden und so die Auslaugung oder toxische Wirkung verringern; außerdem verlangsamen sie den Abbau und verringern die Durchlässigkeit.

Schwangere Liquor

In diesem Stadium löst heiße Natronlauge (NaOH) die im Bauxit enthaltenen aluminiumhaltigen Mineralien wie Gibbsit, Böhmit und Diaspore auf, so dass eine mit Natriumaluminat übersättigte Lösung entsteht, die als Lauge bezeichnet wird. Alle unlöslichen Rückstände, die nach dem Aufschluss zurückbleiben, werden als Rotschlamm bezeichnet und können Verunreinigungen wie Eisenoxide, Natriumsilikat und Titandioxid enthalten, die entfernt werden müssen, um qualitativ hochwertige Aluminiumoxidprodukte zu gewährleisten.

Die Aluminatlösung wird dann zur weiteren Verarbeitung durch eine Reihe von Behältern, den so genannten Reaktionskreislauf, geleitet, wo sie durch Sicherheitsfilter fließt, um feste Aluminiumoxidpartikel von der Natronlauge zu trennen und übermäßige Verluste dieser teuren Chemikalie zu vermeiden. Schließlich wird die klare, an Aluminiumoxidtrihydroxid reiche Lauge für weitere Fällungsschritte in den Fällungsteil des Bayer-Prozesses zurückgeführt.

Ungefähr 10% bis 25% des ankommenden Laugenstroms werden in einen Agglomerationsbereich geleitet, der aus Tanks besteht, die feine Aluminiumhydroxid-Impfkristalle mit einer mittleren Teilchengröße von 30-60 Mikron enthalten; anschließend lässt man sie sich in diesem Agglomerationsbereich über einen Zeitraum von ungefähr sechs Stunden absetzen und agglomerieren.

Nach der Überführung der Tränkflüssigkeit in den Fällungsabschnitt wird sie in größeren Behältern, den so genannten Wachstumsabschnittstanks, abgelagert, die grobe Impfkristalle aus Aluminiumoxidtrihydroxid mit einer mittleren Größe von 80 bis 100 Mikrometern enthalten.

Wenn die Fällungsbecken abkühlen, bilden sich Aluminiumoxidkristalle, die nach und nach in verschiedene Größenbereiche getrennt werden. Große Kristalle werden als feuerfeste Produkte eingestuft, während kleinere Partikel kalziniert werden; während dieses Prozesses werden alle Spuren von Schlammrückständen weggewaschen, um ein Qualitätsprodukt zu gewährleisten.

Nach dem gründlichen Mischen und Trocknen in einem Rotationstrockner wird das Aluminiumoxid für die weitere Verarbeitung kalziniert, d. h. seine Zusammensetzung und Kristallstruktur werden verändert, ohne dass sich die Partikelgröße ändert.

Niederschlag

Bauxiterz wird nach dem Bayer-Verfahren zu Aluminiumoxid (Al2O3) raffiniert, wobei ein weißes, kristallines Pulver entsteht, das Aluminiumoxid [Al2O3] genannt wird. Aus dieser raffinierten Form kann dann geschmolzenes Aluminiummetall hergestellt werden. Vier Tonnen Bauxit ergeben zwei Tonnen Tonerde, die in vielen Bereichen wie Schleifmittel und Keramik verwendet wird.

Bauxiterz wird in Stab- oder Kugelmühlen zu einer feinen Aufschlämmung gemahlen, die dann in Druckbehältern unter Druck und bei Temperaturen zwischen 145 und 265 °C mit Natronlauge in Konzentrationen von bis zu 170 g/l aufgeschlossen wird - dieser Prozess wird als Schwangerenaufschluss bezeichnet. Die Reaktion verläuft durch Zugabe von Natronlauge in eine Richtung; es bilden sich übersättigte Lösungen, die dann in hohe siloähnliche Abscheider gepumpt werden, bevor bei kontrollierter Abkühlung Böhmitkristalle ausfallen und eine Aluminiumoxid enthaltende Schlacke bilden, während überschüssige Natronlauge zum Aufschluss zurückgeführt wird.

Rohzyklone werden zur Abtrennung grober Partikel aus tonerdehaltiger Schlacke eingesetzt, während feinere Partikel mit Recheneindickern mit synthetischen Flockungsmitteln abgesetzt werden. Beide Eindicker arbeiten unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen und gehören damit zu den fortschrittlichsten Anlagen auf dem heutigen Markt.

Wie alle Bergbaubetriebe sind auch Tonerdeanlagen mit Umwelt- und Gesundheitsrisiken konfrontiert. Ihr Raffinierungsprozess ist energieintensiv und erzeugt beträchtliche Abfallstoffe, so dass die Anlagenbetreiber bestrebt sein müssen, den Brennstoff- und Ätznatronverbrauch zu minimieren und gleichzeitig die Produktionseffizienz zu steigern.

Gesundheitsrisiken in Aluminiumoxidraffinerien können ebenfalls ein großes Problem darstellen, insbesondere im Hinblick auf Atemwegs- und Magen-Darm-Erkrankungen. Darüber hinaus sind einige Standorte anfällig für Tropenkrankheiten wie Malaria und Dengue-Fieber; die Arbeitnehmer werden daher in dieser Hinsicht geschult und erhalten Impfungen gegen solche Krankheiten.

Arbeiter in Bauxitminen und Aluminiumoxidraffinerien sind einem erhöhten Risiko durch Asbest und andere giftige Chemikalien ausgesetzt, obwohl die Aluminiumindustrie im Vergleich zu einigen anderen Branchen in der Regel eine geringere berufsbedingte Asbestexposition aufweist. Mesotheliome wurden mit australischen Bauxitminen und -hütten in Verbindung gebracht. Die in der Aluminiumoxidraffinerie Pinjarra erhobenen Positions- und persönlichen Überwachungsdaten weisen darauf hin, dass die Quecksilberwerte im Urin der Beschäftigten weit unter den aktuellen australischen Richtlinien von 20 mg/g Kreatinin liegen.