La scienza dell'estrazione dell'allumina

L'estrazione dell'alluminio dalla bauxite è un aspetto integrale della scienza e dell'ingegneria che assicura una fornitura costante di questo metallo versatile. A causa dei suoi numerosi utilizzi, da decenni si cerca di trovare mezzi più efficienti per produrlo.

L'estrazione prevede la digestione con idrossido di sodio caldo, seguita dalla precipitazione dell'idrossido di alluminio dalla soluzione e dalla successiva calcinazione per produrre allumina commercialmente pura.

Il processo Bayer

Karl-Josef Bayer inventò il processo Bayer nel 1887 e ancora oggi è il metodo industriale principale per la produzione di allumina. La bauxite frantumata viene mescolata con idrossido di sodio per formare una soluzione di alluminato che serve come punto di partenza per le successive fasi di lavorazione.

La filtrazione rimuove l'acqua libera e le impurità; il panello filtrante viene quindi immesso in una serie di calcinatori per essere riscaldato ad alte temperature fino a quando tutta l'acqua libera e le impurità chimiche sono state eliminate, producendo polvere di allumina da utilizzare in vari processi di alluminio come la fusione e la colata.

Il minerale di ferro viene utilizzato per la produzione di altri metalli, tra cui il magnesio e il calcio. Se combinato con altri elementi, può formare leghe per applicazioni specifiche come i motori degli aerei o le celle a combustibile; inoltre, serve come materiale di supporto per la creazione di catalizzatori utilizzati per controllare altre reazioni chimiche.

L'alluminio non può essere prodotto naturalmente e deve essere estratto dal suo minerale utilizzando varie tecniche di raffinazione. Due processi di estrazione primari sono quelli di Bayer e di Hall-Heroult, che partono entrambi dalla bauxite come materiale di partenza.

La bauxite è una roccia a grana grossa presente in natura che contiene quantità significative di ossido di alluminio (Al2O3). L'allumina costituisce gran parte del suo valore commerciale; l'estrazione dell'alluminio richiede un ampio uso di energia e attrezzature costose; l'industria ha quindi investito molto nella tecnologia di raffinazione della bauxite per soddisfare 30% della produzione totale mondiale.

Il processo di Hall-Heroult

L'alluminio è essenziale in molte industrie e applicazioni, ma per essere utile deve essere prima estratto dal suo stato naturale. Solo pochi luoghi sulla Terra contengono la sua forma elementare in natura - in particolare la bauxite - e quindi devono avvenire diversi processi di raffinazione prima di produrre prodotti finiti di alluminio che vengono utilizzati in molte applicazioni. I produttori di alluminio si affidano in larga misura a processi elettrochimici come quello di Hall-Heroult per convertire le materie prime in prodotti di valore; la comprensione di queste reazioni chimiche chiave offre una panoramica di questo settore vitale.

Il processo Hall-Heroult si basa sulla dissoluzione elettrochimica dell'allumina per produrre alluminio metallico puro e ossigeno gassoso. Trattandosi di un processo estremamente complesso che richiede un controllo preciso per una produzione efficiente, la temperatura, la corrente e la composizione dell'elettrolita devono essere gestite in modo rigoroso per ottenere risultati di successo.

Charles Martin Hall, all'epoca ventenne studente al primo anno dell'Oberlin College dell'Ohio, iniziò a studiare il modo di produrre alluminio nel 1880. Sebbene i suoi primi tentativi di utilizzare la corrente elettrica per estrarre l'alluminio dall'allumina fallissero, nel 1886 Hall fece una scoperta che avrebbe cambiato per sempre la storia dell'alluminio.

Disciolse l'allumina in un minerale di criolite e inserì degli elettrodi di grafite nella soluzione. Quindi fece scorrere una corrente elettrica attraverso gli elettrodi per produrre alluminio fuso sul lato positivo (catodo), mentre la produzione di ossigeno gassoso avveniva sul lato negativo (anodo). Hall ripeté con successo questo processo e alla fine fondò la Pittsburgh Reduction Company nel 1888.

Il processo Hall-Heroult è stato a lungo utilizzato come principale metodo industriale per la produzione di alluminio. Sebbene sia ad alta intensità energetica, negli ultimi 110 anni ha fatto notevoli passi avanti per ridurre l'uso di elettricità durante il processo e la produzione di anidride carbonica, che a sua volta desta qualche preoccupazione come gas serra. Ciononostante, in questo arco di tempo sono stati compiuti continui sforzi per ridurlo il più possibile.

Il processo idrochimico

La bauxite, un minerale naturale ricco di alluminio, ha una domanda sempre crescente e un'applicazione industriale diffusa, che alimenta continui perfezionamenti del processo utilizzato per trasformare questo elemento abbondante in alluminio purificato. Questa procedura complessa e ad alta intensità energetica dipende da molteplici fattori, tra cui l'ubicazione delle riserve, la vicinanza di fonti di energia per le operazioni di fusione, le misure di efficienza e l'impegno verso pratiche sostenibili.

Il processo Bayer prevede diverse fasi: digestione con soda caustica, separazione dei minerali contenenti alluminio dalla soluzione (chiamata fango rosso), precipitazione dei cristalli di alluminato di sodio e infine calcinazione. Di conseguenza, un ingrediente essenziale per la produzione di alluminio: L'allumina è anche una materia prima indispensabile per la produzione di refrattari e abrasivi colabili.

Dopo il processo di Bayer, l'allumina può essere convertita in alluminio puro mediante il processo elettrolitico di Hall-Heroult. Questo avviene in una pentola rivestita di carbone e dotata di un bagno di criolite che riduce il punto di fusione dell'ossido di alluminio; una corrente elettrica passa attraverso questo bagno mentre l'ossigeno dell'aria interagisce con gli elettrodi catodici per formare anidride carbonica gassosa e alluminio liquido agli elettrodi anodici; l'anidride carbonica gassosa può quindi essere raccolta agli elettrodi anodici come gas di anidride carbonica, producendo anidride carbonica gassosa che poi forma alluminio liquido agli anodi per l'uso da parte degli utenti finali; maggiori informazioni.

I diagrammi offrono una visione delle reazioni elettrochimiche che compongono il processo di Hall-Heroult. Un'equazione per l'estrazione dell'allumina ci permette di osservare che i processi principali coinvolgono:

La lisciviazione con acido cloridrico è la fase iniziale dell'estrazione della bauxite. Alle concentrazioni ideali e al rapporto volume-massa/temperature di reazione, i tassi di lisciviazione raggiungono il massimo.

Pompata in vasche di precipitazione, l'allumina si deposita e si deposita per produrre idrossido di alluminio solido, prima di essere trasferita o pompata direttamente in una camera di fusione per essere riscaldata fino alla fusione dell'alluminio metallico, che viene poi versato in lingotti che possono essere forgiati, laminati e trafilati in varie forme o dimensioni per usi specifici.

L'alluminio può essere utilizzato in un assortimento di prodotti finiti, dalle automobili agli aerei. Le leghe di alluminio hanno anche proprietà specifiche per usi particolari, tra cui la forza, la resistenza alla corrosione e la conduttività. Queste leghe possono essere fuse, colate o trafilate in fogli per produrre componenti per macchinari moderni, materiali da costruzione o beni di consumo.

Il processo di ossidazione

L'alluminio è uno dei tre elementi più abbondanti sulla crosta terrestre, ma non è presente in natura nella sua forma pura. Per essere prodotto a livello commerciale, l'alluminio deve essere estratto con processi elettrochimici avanzati dalla materia prima primaria, la bauxite. L'alluminio è parte integrante di molte applicazioni industriali in tutto il mondo.

Il processo Hall-Heroult è una fase fondamentale dell'estrazione dell'alluminio. Questo metodo prevede l'impiego di corrente elettrica per avviare reazioni chimiche che separano l'allumina dall'ossido di alluminio. Gli studenti dovrebbero studiare il funzionamento di questo metodo, in quanto fornisce un'idea della chimica e delle sfide tecniche che esso comporta.

Come il metodo Bayer, questo processo inizia con la bauxite come materia prima, ricca di ossido di alluminio che deve essere raffinato per diventare metallo puro. Sebbene sia un processo intensivo e ad alta intensità di risorse, ha permesso alle industrie di tutto il mondo di utilizzare l'alluminio.

Per iniziare il processo, la bauxite deve essere prima frantumata e purificata per produrre allumina (Al2O3), prima di essere mescolata con criolite (Na3AlF6) per ridurre il suo punto di fusione e migliorare la conduttività. Una volta miscelata, questa miscela viene posta in un vaso di carbonio o grafite come una cella elettrolitica e viene applicata l'elettricità; l'ossigeno si forma al catodo, mentre l'allumina si riduce in alluminio liquido all'anodo.

La filtrazione e la centrifugazione vengono utilizzate per separare l'allumina dalla sua soluzione e pomparla in diversi serbatoi di precipitazione alti sei piani, dove vengono aggiunti cristalli solidi di allumina idrata come semi solidi per la precipitazione. Una volta in queste vasche, l'allumina viene diluita con acqua fino a quando non si concentra per la precipitazione, quindi viene fatta scorrere in acqua per rimuovere le impurità prima di essere riscaldata a circa 1.200 gradi centigradi per la reazione; una volta completata, viene nuovamente filtrata prima di essere fatta scorrere con il vapore in un impasto di allumina per la produzione.