La ciencia de la extracción de alúmina

La extracción de aluminio de la bauxita es un aspecto integral de la ciencia y la ingeniería que garantiza un suministro constante de este versátil metal. Debido a sus múltiples usos, desde hace décadas se investigan medios más eficaces para producirlo.

La extracción implica la digestión con hidróxido de sodio caliente, seguida de la precipitación del hidróxido de aluminio de su solución y la posterior calcinación para producir alúmina comercialmente pura.

El proceso Bayer

Karl-Josef Bayer inventó el proceso Bayer en 1887 y hoy sigue siendo el principal método industrial de producción de alúmina. La bauxita triturada se mezcla con hidróxido de sodio para formar una solución de aluminato que sirve de punto de partida para las etapas posteriores de procesamiento.

La filtración elimina el agua libre y las impurezas; a continuación, la torta de filtración se introduce en una serie de calcinadores que se calientan a altas temperaturas hasta que toda el agua libre y las impurezas químicas se han eliminado, produciendo polvo de alúmina para su uso en diversos procesos del aluminio, como la fundición y el moldeado.

El mineral de hierro se utiliza en la producción de otros metales, como el magnesio y el calcio. Combinado con otros elementos, puede formar aleaciones para aplicaciones específicas como motores de aviación o pilas de combustible; además, sirve como material de soporte en la creación de catalizadores utilizados para controlar otras reacciones químicas.

El aluminio no puede producirse de forma natural y debe extraerse de su mineral mediante diversas técnicas de refinado. Dos de los principales procesos de extracción son los de Bayer y Hall-Heroult, que parten de la bauxita como materia prima.

La bauxita es una roca natural de grano grueso que contiene cantidades significativas de óxido de aluminio (Al2O3). La alúmina constituye gran parte de su valor comercial; la extracción de aluminio requiere un gran consumo de energía y equipos caros; por ello, la industria ha invertido mucho en tecnología de refinado de la bauxita para satisfacer 30% de la producción total mundial.

El proceso Hall-Heroult

El aluminio es esencial en muchas industrias y aplicaciones, pero primero hay que extraerlo de su estado natural para que sea útil. Sólo un puñado de lugares de la Tierra contienen su forma elemental en la naturaleza -sobre todo en la bauxita-, por lo que deben llevarse a cabo varios procesos de refinado antes de obtener productos acabados de aluminio que se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones. Los fabricantes de aluminio dependen en gran medida de procesos electroquímicos como el de Hall-Heroult para convertir las materias primas en valiosos productos; entender estas reacciones químicas clave permite comprender mejor esta industria vital.

El proceso Hall-Heroult se basa en la disolución electroquímica de la alúmina para producir aluminio metálico puro y gas oxígeno. Como se trata de un proceso extremadamente complejo que requiere un control preciso para una producción eficiente, la temperatura, la corriente y la composición del electrolito deben gestionarse con precisión para obtener resultados satisfactorios.

Charles Martin Hall, que entonces tenía 20 años y era estudiante de primer curso en el Oberlin College de Ohio, empezó a investigar formas de producir aluminio en 1880. Aunque sus primeros intentos de utilizar corriente eléctrica para extraer aluminio de la alúmina fracasaron, en 1886 Hall logró un avance que alteraría la historia del aluminio para siempre.

Disolvió alúmina en mineral de criolita y colocó electrodos de varilla de grafito en la solución. A continuación, hizo pasar una corriente eléctrica por sus electrodos para producir aluminio fundido en el lado positivo (cátodo), mientras que en el lado negativo (ánodo) se producía gas oxígeno. Hall repitió con éxito este proceso y acabó fundando la Pittsburgh Reduction Company en 1888.

El proceso Hall-Heroult se ha utilizado durante mucho tiempo como principal método industrial para producir aluminio. Aunque consume mucha energía, en los últimos 110 años ha avanzado mucho para reducir el uso de electricidad durante su proceso y producir gas de dióxido de carbono, que a su vez plantea algunos problemas como gas de efecto invernadero. No obstante, a lo largo de este tiempo se han realizado esfuerzos continuos para disminuirlo en la medida de lo posible.

El proceso hidroquímico

La bauxita, un mineral natural rico en aluminio, tiene una demanda cada vez mayor y una amplia aplicación industrial, lo que impulsa continuos perfeccionamientos del proceso utilizado para transformar este abundante elemento en aluminio purificado. Este procedimiento complejo y de alto consumo energético depende de múltiples factores, como la ubicación de las reservas, la proximidad de las fuentes de energía para las operaciones de fundición, las medidas de eficiencia y el compromiso con las prácticas sostenibles.

El proceso Bayer implica múltiples etapas: digestión con material de sosa cáustica, separación de los minerales que contienen aluminio de la solución (llamada lodo rojo), precipitación de los cristales de aluminato sódico y, por último, calcinación. El resultado es un ingrediente esencial de la producción de aluminio: La alúmina es también una materia prima indispensable para la fabricación de refractarios moldeables y abrasivos.

Tras el proceso Bayer, la alúmina puede convertirse en aluminio puro mediante el proceso electrolítico Hall-Heroult. Este tiene lugar en una olla revestida de carbono equipada con un baño de criolita que reduce el punto de fusión del óxido de aluminio; una corriente eléctrica pasa a través de este baño mientras el oxígeno del aire interactúa con los electrodos catódicos para formar gas de dióxido de carbono y aluminio líquido en los electrodos anódicos; el gas de dióxido de carbono puede entonces recogerse en los electrodos anódicos como gas de dióxido de carbono, produciendo gas de dióxido de carbono que luego forma aluminio líquido en los ánodos para su uso por los usuarios finales; más información.

Los diagramas permiten comprender las reacciones electroquímicas que componen el proceso Hall-Heroult. Una ecuación para la extracción de alúmina permite observar que sus principales procesos implican:

La lixiviación con ácido clorhídrico es la etapa inicial de la extracción de bauxita. En sus concentraciones ideales y relación volumen-masa/temperaturas de reacción, las tasas de lixiviación alcanzan su punto máximo.

La alúmina, bombeada a tanques precipitadores, se asienta y se siembra para producir hidróxido de aluminio sólido, antes de ser transferida o bombeada directamente a una cámara de fundición para ser calentada hasta que el aluminio metálico se funde a partir de ella y se vierte en lingotes que pueden ser forjados, laminados, estirados en diversas formas o tamaños para usos específicos.

El aluminio puede utilizarse en una gran variedad de productos acabados, desde automóviles hasta aviones. Las aleaciones de aluminio también tienen propiedades específicas para usos concretos, como la solidez, la resistencia a la corrosión y la conductividad. Estas aleaciones pueden fundirse, moldearse o estirarse en láminas para producir componentes de maquinaria moderna, materiales de construcción o bienes de consumo.

El proceso de oxidación

El aluminio es uno de los tres elementos más abundantes de la corteza terrestre, pero no se encuentra en estado puro en la naturaleza. El aluminio debe extraerse mediante procesos electroquímicos avanzados a partir de la materia prima bauxita para poder producirse comercialmente. El aluminio desempeña un papel fundamental en muchas aplicaciones industriales de todo el mundo.

El proceso Hall-Heroult es un paso integral en la extracción del aluminio. Este método consiste en emplear corriente eléctrica para iniciar reacciones químicas que separan la alúmina del óxido de aluminio. Los alumnos deberían estudiar el funcionamiento de este método, ya que permite comprender tanto su química como los retos técnicos que plantea.

Al igual que el método Bayer, este proceso comienza con la bauxita como materia prima, rica en óxido de aluminio y que necesita ser refinada para convertirse en metal puro. Aunque es un proceso intensivo y que requiere muchos recursos, ha permitido a industrias de todo el mundo utilizar el aluminio.

Para iniciar el proceso, primero hay que triturar y purificar la bauxita para producir alúmina (Al2O3), antes de mezclarla con criolita (Na3AlF6) para reducir su punto de fusión y mejorar la conductividad. Una vez mezclada, esta mezcla se introduce en un recipiente de carbono o grafito a modo de célula electrolítica y se le aplica electricidad; en su cátodo se forma oxígeno, mientras que en su ánodo la alúmina se reduce a aluminio líquido.

La alúmina se separa de la solución mediante filtración y centrifugación, y se bombea a varios tanques de precipitación de seis pisos de altura donde se añaden cristales sólidos de hidrato de alúmina como semilla sólida para la precipitación. Una vez en estos tanques, se diluye con agua hasta que puede producirse la concentración para la precipitación; a continuación, se mezcla con agua para eliminar impurezas antes de calentarse a unos 1.200 ºC para su reacción; una vez completada, se filtra de nuevo antes de mezclarse con vapor en una pasta de alúmina para la producción.