Mistä alumiinioksidia löytyy?

Bauksiitti (Al2O3) on tärkein raaka-aine, jota käytetään alumiinin tuottamiseen elektrolyysin avulla. Lisäksi bauksiitti tunnetaan myös nimillä alumiinioksidi, alumiinioksidi tai aloksiitti.

Gibbsiittia esiintyy luonnossa eri määriä yhdessä muiden alumiinihydroksidimineraalien, kuten gibbsiitin, böhmiitin ja diaspore-polymorfien kanssa. Tällä erittäin arvostetulla hygroskooppisella mineraalilla on monia kaupallisia sovelluksia sementinvalmistuksessa, kemian-, metallurgian- ja tulenkestävässä teollisuudessa.

Bauxite

Bauksiitti, eri alumiinimineraaleista koostuva kivi, on maailman tärkein alumiinin lähde. Se on saanut nimensä Ranskassa Provencen maakunnassa sijaitsevan Les Bauxin mukaan, josta se löydettiin ensimmäisen kerran. Bauksiitti on tyypillisesti punaruskeaa tai harmaanruskeaa ja saven tai mullan kaltaisen maanläheistä, ja sitä esiintyy sekä pinta- että maanalaisissa esiintymissä; kaivostoiminnassa käytetään yleensä avolouhintamenetelmiä, mutta joissakin kaivostoimissa voidaan käyttää molempia menetelmiä samanaikaisesti.

Bauksiitista voidaan valmistaa alumiinioksidia, joka on olennainen osa alumiinimetallin valmistuksessa. Bayerin prosessissa malmista erotetaan alumiiniyhdisteet ja samalla poistetaan rautaoksidit ja muut epäpuhtaudet. Tämän jälkeen Bayerin prosessissa tuotettu alumiinioksidi voidaan sulattaa raakalumiinimetallin tuottamiseksi. Alumiinioksidin sulattamiseen kuluu kuitenkin noin yhdeksän kertaa enemmän energiaa kuin raakalumiinimetallin tuottamiseen pelkän bauksiittimalmin avulla.

Alumiini on erittäin kestävä metalli, jolla on monia käyttötarkoituksia. Sen monipuolisuus on rajaton aina juomatölkeistä, ilmailu- ja avaruusteollisuudesta ja autoteollisuudesta talonrakentamiseen ja sähkösovelluksiin. Lisäksi noin 85% kaikesta vuodesta 1900 lähtien tuotetusta alumiinista on edelleen käytössä (IAI 2021).

Bauksiitin jalostaminen alumiinioksidiksi edellyttää kahta päävaihetta: louhintaa ja sulatusta. Alumiinioksidia syntyy kuumentamalla bauksiittimalmia paineastiassa natriumhydroksidin kanssa korkeissa lämpötiloissa, kunnes kemialliset reaktiot vapauttavat alumiiniyhdisteitä, jotka voidaan sitten suodattaa ja kuivata varastointia varten; jäljelle jäävät reagoimattomat aineet tunnetaan nimellä "alumiinioksidiliete tai -jäännös", joka sisältää usein rautaoksideja, piidioksidia, kalsiumkarbonaattia tai titaniaa, jotka on uutettava ennen kuin alumiinin valmistusta voidaan jatkaa.

Bauksiitin louhinta ja jalostus aiheuttavat monia terveys- ja turvallisuuskysymyksiä, sillä kaivokset sijaitsevat yleensä syrjäisillä paikoilla, ja ne toimivat lentäen ja lentäen, mikä pakottaa työntekijät pitkiksi ajoiksi pois perheidensä luota. Kaivostoiminnan pölylle altistuminen voi johtaa hengitystiesairauksiin, kuten keuhkokuumeeseen. Kaivostoiminta aiheuttaa myös ympäristövaikutuksia, kuten veden saastumista ja maan pilaantumista, mikä pahentaa näitä ongelmia entisestään.

Bayerin prosessi

Bayerin prosessia käytetään alumiinioksidin tuottamiseen bauksiitista. Bauksiittimalmi mädätetään kuumassa natriumhydroksidiliuoksessa (NaOH) ja valmistetaan lietteeksi, joka sisältää alumiinia sisältäviä mineraaleja, kuten gibbsiittia, böhmiittia ja diasporia; tässä vaiheessa poistetaan myös kaikki epäpuhtaudet, kuten piidioksidi, jotka haittaavat alumiinioksidin tuotantoa. Kun suodatuskakku on valmis, se kuumennetaan 1100 celsiusasteeseen, jotta vapaat vesiliitokset saadaan poistettua, ennen kuin siitä tulee kaupallisesti puhdasta kaupallista alumiinioksidihydroksidijauhetta, joka tunnetaan tällä nimellä.

Alumiinioksidi on erittäin arvostettu teollisuustuote, josta suurin osa käytetään alumiinin alkutuotannossa. Alumiinioksidin primaarialumiinin tuotannon lisäksi alumiinioksidilla on kuitenkin olennainen merkitys myös massatuotetuissa teknisissä komponenteissa sekä kemianteollisuuden prosesseissa, joissa tarvitaan sekä hapettavia että pelkistäviä ominaisuuksia, mukaan lukien autotermiset reformointiprosessit, joissa käytetään autotermisiä reformointiadsorbentteja.

Alumiinioksidin korkea puristuslujuus, kovuus ja kulutuskestävyys tekevät siitä erinomaisen ehdokkaan heterogeenisten katalyyttien tukimateriaaliksi teollisessa petrokemiallisessa prosessoinnissa. Alumiinioksiditukiaineilla ja katalyytteillä on useita yhteisiä merkittäviä ominaisuuksia; esimerkiksi molemmilla on suuri pinta-alan ja tilavuuden suhde, joka mahdollistaa reagoivien aineiden adsorboitumisen useisiin kohtiin samanaikaisesti, ja molemmilla on Bronstedin happo- ja Lewisin happo-ominaisuudet.

Bayer Processin tuottaman alumiinioksidin poikkeuksellinen laatu tekee siitä erinomaisen raaka-aineen tulenkestävien tuotteiden raaka-aineeksi - erityisesti teollisuuskaasusovelluksissa, joissa niiden on kestettävä haastavia termokemiallisia ja termomekaanisia prosesseja. Koska näissä tulenkestävissä materiaaleissa on erittäin puhdasta ja vakaata alumiinioksidia, niiden puhtaus ja vakaus mahdollistavat hapettavat ja pelkistävät reaktiot samankaltaisissa olosuhteissa ilman murtumisvaaraa. Alumiinioksidi on olennainen osa katalyyttejä, joita käytetään hiilivetypolttoaineiden, kuten maakaasun ja petrolikoksin, höyryreformoinnissa, koska näissä reaktoreissa on runsaasti alumiinioksidia sisältäviä tulenkestäviä materiaaleja, jotka mahdollistavat sekä hapettavat että pelkistävät reaktiot samanaikaisesti pienemmällä energiankulutuksella.

Sintraus

Sintrausprosesseissa tuotetaan erityyppistä alumiinioksidia, joka voidaan sitten muuntaa erilaisiksi tuotteiksi sulattamalla, valamalla tai muilla menetelmillä. Joitakin alumiinioksidin muotoja käytetään ruostumattomien terästen, kuten 300-sarjan teräksen (304L ja 316L), valmistuksessa tai kirurgisten työkalujen saranoissa ja kiinnikkeissä, sillä usein tarvitaan 630-luokan ruostumatonta terästä.

Alumiinioksidin sintraus tuottaa tiheitä materiaaleja, joilla on suuri ominaislujuus ja joita käytetään usein muun muassa ilmailu- ja avaruusalalla, autoteollisuudessa ja sähkökomponenteissa. Lisäksi tämä alumiinioksidipulverien muoto voidaan sulattaa ja valaa erilaisiin muotoihin keramiikan valmistamiseksi.

Alumiinioksidiin voidaan lisätä lisäaineita, kuten talkkia ja piidioksidipitoisia eutektisia seoksia, edistämään tiivistyneisyyttä, esimerkiksi luomalla enemmän tyhjiä paikkoja sen ristikkorakenteeseen, mikä vähentää hiukkasten välistä kitkaa ja lisää diffuusionopeutta; tällaiset lisäaineet voivat kuitenkin johtaa tummanvärisiin keraamisiin tuotteisiin.

Alumiinijauheet olisi jauhettava alle 0,074 mm:n paksuisiksi, jotta ne eivät häiritse sintrausprosessia, ja ne olisi puristettava vihreiksi kappaleiksi, jotta saadaan alumiinioksidipohjaista keramiikkaa, jota voidaan sitten edelleen muovata suulakepuristamalla, nauhavalamalla tai yksiakselisella puristuksella eri sovellusten tarpeisiin. Tämä mahdollistaa loputtomat suunnittelumahdollisuudet tätä monipuolista materiaalia hyödyntäen!

Mallirakeiden kasvuprosessit voivat auttaa lisäämään sintrattujen seosten läpäisevyyttä käyttämällä hiukkasten alkuperäistä jakautumista ja kohdistamista, jota seuraavat sintraus- ja muodostumisprosessit, jotka johtavat mallihiukkasten suuntautumiseen; sen jälkeen ne kuluttavat mahdolliset ei-suuntautuneet matriisirakeet, jotka ovat läsnä, mikä johtaa teksturoituun mikrorakenteeseen.

Alumiinijauheiden sintraus tapahtuu pintadiffuusion avulla, jonka aktivoitumisenergia on Q= 580 kJ/mol; tämä prosessi on paljon nopeampi kuin rakeiden tiivistyminen liuoksessa, joka tapahtuu hiladiffuusion avulla, jonka aktivoitumisenergia on 230-280 kJ/mol.

Alumiinin tuotannossa käytetään Bayerin prosessia, joka vaatii valtavia määriä punalietettä. Koska tämä jäte sisältää raskasmetalleja, emäksiä ja muita myrkyllisiä aineita, jotka voivat saastuttaa vesivarastoja, sen hävittäminen on hoidettava vastuullisesti. Alan ammattilaiset kehittävät parhaillaan kierrätysjärjestelmiä punalietejätteelle.

Casting

Alumiini on erittäin mukautuva metalli, jota käytetään lukuisissa kuluttaja- ja teollisuustuotteissa, rakennusmateriaaleista, kuten ovien ja ikkunoiden kehyksistä, keittiötuotteiden valmistukseen ja laitteisiin, kuten käsityökaluihin tai ruohonleikkureihin. Ylivoimaisen sähkönjohtavuutensa ja keveytensä ansiosta alumiinia on jo pitkään arvostettu tietotekniikkateollisuuden komponenteissa, kuten tietokoneen osissa tai kannettavien tietokoneiden koteloissa; lisäksi se on olennainen osa lentokoneita tai laivoja, ja se tarjoaa astronauttien avaruusmatkoilla tarvitseman lujuuden.

Alumiinivalujen valmistus vaatii lukuisia tekniikoita. Eräässä menetelmässä käytetään hiekan kaltaisesta rakeisesta materiaalista valmistettua muotia, johon kaadetaan nestemäistä alumiinia, joka jäähdytetään, jotta neste jähmettyy ja muotoutuu muottiinsa. Valmistuttuaan alumiinivalukappaleet voidaan myydä valmistajille, jotka käyttävät niitä omien tuotteidensa valmistukseen.

Koska puhtaalla alumiinilla ei ole voimakasta vetolujuutta, se on usein seostettava muiden materiaalien kanssa, jotta se saisi ne ominaisuudet, joita tiettyyn sovellukseen tarvitaan. Yleisiä seosaineita ovat pii, rauta, magnesium, kromi ja sinkki; niiden lisääminen voi parantaa viimeistelyn laatua, lisätä lujuutta ja parantaa raekoon hienojakoisuutta.

Valuprosessin avulla valmistajat voivat valmistaa erilaisia muotoja ja kokoja, jopa monimutkaisia geometrioita ja tarkkoja malleja. Valuja käytetään eri teollisuudenaloilla: ilmailu- ja avaruusteollisuus käyttää sitä lentokoneiden ja avaruusalusten rakentamiseen, kun taas autoteollisuus käyttää sitä autonosien, kuten runkojen ja konepeltien, valmistuksessa.

Alumiinivalujen valmistaminen alumiinioksidista vaatii huomattavaa energiankulutusta. Siksi alumiinisulatot sijoitetaan yleensä paikkoihin, joissa on runsaasti ja kohtuuhintaista sähköä, kuten Etelä-Amerikkaan, Afrikkaan ja Aasiaan, joissa alumiinin kysyntä tekee siitä houkuttelevan vientituotteen.