Bauksit Ditambang dan Dimurnikan Menjadi Alumina

Bauksit adalah bahan baku utama yang digunakan untuk memproduksi aluminium. Mineral yang menyerupai tanah liat ini terdiri dari alu-hidroksida seperti gibbsite, boehmite, dan diaspore yang terbentuk melalui proses pelapukan laterit yang intens.

Bijih bauksit terlebih dahulu dihancurkan dan dicuci sebelum dilarutkan ke dalam larutan soda api panas, yang dikenal sebagai "cairan hijau". Setelah larutan hijau ini dipindahkan ke dalam tangki pengendap yang tinggi dengan penambahan biji aluminium hidroksida untuk pengendapan alumina hidrat padat seiring dengan mendinginnya suhu, tangki pengendap juga dapat digunakan untuk mempercepat pemadatan.

Proses Bayer

Di pabrik-pabrik industri besar, Proses Bayer adalah tempat di mana semua keajaiban berada. Di sinilah kimia industri terbentuk dengan mengubah bahan mentah menjadi produk yang bermanfaat bagi masyarakat. Proses multi-tahap ini menggunakan berbagai peralatan penyaringan dan pemisahan dan juga melibatkan masalah lingkungan; produk sampingannya seperti lumpur merah memerlukan penanganan yang hati-hati sebelum dibuang.

Bijih bauksit diproses menggunakan larutan soda api dan dicerna pada tekanan dan suhu tinggi untuk mengekstraksi nilai alumina yang dapat larut, sehingga menghasilkan cairan natrium aluminat encer dan residu soda api yang tidak dapat larut yang dikenal sebagai lumpur merah. Bahan tahan api ini memerlukan penanganan khusus karena mungkin mengandung logam berat, senyawa alkali, dan senyawa fenolik; sehingga diklasifikasikan sebagai limbah berbahaya oleh badan-badan pengatur setempat.

Larutan soda api kemudian dilewatkan melalui serangkaian tangki pengendapan setinggi enam lantai di mana kristal-kristal benih alumina hidrat ditambahkan dan dibiarkan tumbuh, yang pada akhirnya menarik semua molekul air dalam larutan ke arahnya, yang pada akhirnya menciptakan padatan putih alumina hidroksida yang nantinya akan digunakan dalam proses peleburan Hall-Heroult untuk memproduksi logam aluminium.

Alumina yang telah disaring dan dicuci kemudian diproses lebih lanjut untuk menghilangkan sisa soda api dan pengotor lainnya, sebelum dikeringkan, sebelum dipanaskan untuk menghilangkan kelembapan berlebih yang disebabkan oleh kristalisasi melalui kalsinasi - sebuah langkah yang sangat penting.

Alumina anhidrat yang dihasilkan selama pemrosesan menjadi siap untuk segera digunakan, dan kemudian dibentuk menjadi berbagai bentuk dengan menggunakan metode seperti pengepresan kering, pengepresan isostatik, pembentukan gulungan, pencetakan injeksi, dan/atau proses pengecoran selip. Setelah dibentuk, alumina dapat dibuat menjadi coran lembaran dan batang serta bahan insulasi dan segel yang ditekan secara isostatik yang digunakan di berbagai industri - dengan sebagian besar produksi untuk keperluan metalurgi, sementara sisanya digunakan dalam aplikasi khusus atau sebagai bahan kimia turunannya.

Pemandian Cryolite

Charles Martin Hall mulai meneliti metode produksi aluminium pada tahun 1880. Dia menemukan bahwa menggunakan arus listrik melalui alumina menyebabkan alumina terpecah menjadi oksigen dan logam aluminium, dengan penemuan Hall selanjutnya adalah bahwa larutan kriolit dapat melarutkan bahan ini dan melepaskan sifat-sifatnya yang berharga; sehingga terciptalah proses elektrolitik Hall-Heroult, yang menjadi rute penting untuk memproduksi aluminium primer pada tahun 1908.

Peleburan aluminium membutuhkan energi listrik dalam jumlah yang konstan dan besar. Rendaman kriolit harus tetap berada pada suhu operasi yang ideal untuk memungkinkan produksi yang berkelanjutan, dengan kelebihan aluminium yang terakumulasi di katoda disedot secara berkala dan dikirim ke tungku penampung yang besar di mana pengotor dapat dihilangkan, elemen paduan ditambahkan, dan kemudian dilemparkan ke dalam ingot.

Agar proses ini layak secara ekonomi, sangat penting bahwa laju pengumpanan alumina ke dalam rendaman kriolit harus diatur sedemikian rupa sehingga dapat mempertahankan konsentrasi yang konstan dalam kisaran yang optimal. Banyak faktor, termasuk ukuran partikel dan pengadukan dapat berdampak pada faktor ini.

Dengan melakukan analisis difraksi sinar-X pada rendaman kriolit, kita dapat dengan mudah mengontrol jumlah kalsium dan magnesium yang ada. Sayangnya, bagaimanapun, teknik sinar-X ini memiliki beberapa kekurangan yang membatasi keakuratannya: ini termasuk kesulitan dalam menganalisis pola serbuknya serta tumpang tindih antara analisis puncak kriolit semiamorf NaCaAlF6 dengan puncak analisis chiolit dan weberit; sulit untuk membedakan neiborit dari neiborit hanya dengan metode sinar-X ini!

Smelter menggunakan sistem difraksi tekanan tinggi untuk secara akurat memonitor suhu rendaman kriolit secara real time dan memprediksi kapan kriolit akan membeku - keduanya merupakan komponen penting dalam proses mereka. Selain itu, sistem ini dapat mendeteksi pengotor karbon - yang menimbulkan bahaya kesehatan bagi pekerja yang terpapar di tambang, pengecoran, dan pabrik - serta inklusi mineral seperti pirit atau kalsit yang mengindikasikan pengotor di dalam alumina itu sendiri.

Proses Peleburan

Aluminium dapat diekstraksi (dengan biaya yang tidak ekonomis) dari beberapa tanah liat, tetapi sebagian besar produksi berasal dari penambangan dan pemurnian bauksit menjadi alumina (aluminium oksida). Alumina kemudian berfungsi sebagai bahan baku untuk membuat logam aluminium; proses yang intensif energi ini menggunakan listrik dalam jumlah besar. Saat ini, produksi alumina global berkembang dengan cepat dengan menggunakan variasi teknologi proses Bayer (meskipun bauksit yang lebih sulit dengan kandungan diaspore yang tinggi mungkin memerlukan variasi lain).

Bauksit yang telah digiling halus digabungkan di bawah tekanan di dalam digester dengan larutan soda api (NaOH) untuk melarutkan mineral yang mengandung aluminium - gibbsite, bohmite, dan diaspore - ke dalam larutan jenuh natrium aluminat yang dikenal dengan sebutan cairan hamil. Silika reaktif yang terdapat dalam larutan tersebut juga harus dihilangkan melalui proses lebih lanjut untuk menghasilkan suspensi lumpur merah, yang juga disebut sebagai "lumpur alumina", sebelum dipompa ke dalam bendungan tertutup yang mengandung bahan kedap air untuk mencegah kebocoran dan kontaminasi terhadap lingkungan sekitar.

Pot reduksi menggabungkan alumina (dengan sedikit sisa soda api) dengan karbon untuk membentuk elektrolit cair, dan arus listrik melewati elektrolit ini, memutus ikatan kimiawi antara aluminium dan oksigen di dalam alumina, sehingga membebaskan oksigen, dengan aluminium yang pada akhirnya mengendap di bagian bawah sebagai logam anoda sementara gas karbon dioksida naik ke atas sebagai logam katoda.

Dalam bejana pengendap tinggi, larutan alumina hidrat dipisahkan lebih lanjut dari soda api dengan menambahkan sejumlah kecil bubuk alumina kristal halus ke dalam larutan cair, yang menyebabkannya mengendap sebagai padatan alumina hidrat aluminosilikat keras yang kemudian dapat disaring, dicuci, dan dikeringkan ke dalam bentuk bubuk putih yang dikenal sebagai "alumina yang dikalsinasi."

Serbuk alumina ini dapat dibentuk menjadi berbagai produk dengan menggunakan teknik yang berbeda - pengepresan kering, isostatik dan pengepresan dengan tekanan panas, pengecoran selip atau pengecoran pita, misalnya - dengan atau tanpa bahan tambahan (pengikat atau termoplastik) yang ditambahkan untuk memudahkan proses fabrikasi dan produksi seperti pencetakan injeksi atau pembuatan substrat tipis untuk sirkuit mikroelektronika. Selain itu, penggunaannya sebagai bahan pengisi membantu meningkatkan sifat isolasi keramik.

Proses Kalsinasi

Residu bauksit dapat diproses lebih lanjut dengan menggunakan kalsinasi, yang melibatkan pengumpanan ke dalam tanur putar di mana residu tersebut akan terpapar pada suhu tinggi untuk menghilangkan sisa air dan unsur-unsur yang terikat secara kimiawi, sehingga menghasilkan produk serbuk alumina yang sesuai untuk dibentuk menjadi berbagai bentuk atau digunakan sebagai bahan baku dalam aplikasi keramik.

Reaksi yang menghasilkan panas dikatalisis oleh soda api (NaOH) panas. Reaktan yang bervariasi dalam komposisi - misalnya menggabungkan diaspore dengan gibbsite - juga dapat ditambahkan untuk mengontrol profil temperatur dan menghasilkan berbagai tingkat alumina.

Meskipun sebagian besar produksi alumina ditujukan untuk industri peleburan aluminium, terdapat pasar yang signifikan untuk alumina khusus yang digunakan sebagai bahan tahan api dan keramik teknis. Produk khusus ini memiliki struktur kristal yang halus dengan luas permukaan spesifik yang sangat tinggi untuk menahan serangan korosif; selain itu, produk ini juga memiliki sifat insulasi, tingkat kekuatan yang tinggi, dan stabilitas termal yang membuatnya menjadi komponen yang tak ternilai dalam proyek-proyek konstruksi tungku.

Aplikasi lain untuk alumina termasuk fabrikasi keramik seperti refraktori, abrasif, dan pendukung katalis. Pengikat sering kali dapat disertakan dengan bubuk; termoplastik untuk komponen cetakan injeksi, misalnya, dipanaskan dan dicampur dengan alumina sebelum dibakar selama proses pendinginan. Penggunaan lain untuk pengecoran pita melibatkan pencampuran dengan cairan organik untuk menghasilkan substrat tipis untuk sirkuit mikroelektronik.

Berlawanan dengan bahan keramik lain yang cenderung lunak dan rapuh sehingga tidak dapat menahan tekanan benturan atau tegangan tarik dalam layanan, alumina bersifat keras, tahan lama, dan memiliki koefisien muai yang rendah - kualitas yang ideal untuk bearing dan seal. Sayangnya, strukturnya yang halus dapat menyebabkan cacat yang melemahkan seperti retak dan disintegrasi ketika mengalami tekanan benturan atau regangan tarik yang berlebihan.

Kalsinasi adalah metode pemanasan industri yang digunakan untuk mencapai pemisahan kimiawi bahan padat dengan menguapkan air, menguapkan kontaminan, dan menguraikan bagian massa yang teroksidasi. Kalsinasi telah lama digunakan sebagai cara yang efisien untuk memproduksi alumina anhidrat; memproduksi papan dinding dari bahan limbah gipsum; mengekstraksi rutil dengan kemurnian tinggi dari anatase untuk produksi rutil dengan kemurnian tinggi, serta untuk keperluan industri lainnya.