Boksyt wydobywany i rafinowany w tlenek glinu

Boksyt jest podstawowym surowcem wykorzystywanym do produkcji aluminium. Ten gliniasty minerał składa się z wodorotlenków glinu, takich jak gibbsyt, boehmit i diaspora, które powstały w wyniku intensywnych procesów wietrzenia laterytowego.

Ruda boksytu jest najpierw kruszona i myta, a następnie rozpuszczana w gorącym roztworze sody kaustycznej, znanym jako "zielony roztwór". Po przeniesieniu tego zielonego roztworu do wysokich zbiorników z wodorotlenkiem glinu dodawanym w celu wytrącenia stałego hydratu tlenku glinu w miarę obniżania temperatury, zbiorniki z osadnikiem mogą być również wykorzystywane do przyspieszenia krzepnięcia.

Proces Bayer

W dużych zakładach przemysłowych cała magia tkwi w procesie Bayer. To tutaj chemia przemysłowa nabiera kształtu, przekształcając surowce w produkty przynoszące korzyści społeczeństwu. Ten wieloetapowy proces wykorzystuje różne urządzenia do filtracji i separacji, a także wiąże się z troską o środowisko; jego produkty uboczne, takie jak czerwone błoto, wymagają starannego postępowania przed utylizacją.

Ruda boksytu jest przetwarzana przy użyciu roztworu sody kaustycznej i trawiona w podwyższonym ciśnieniu i temperaturze w celu wydobycia rozpuszczalnych wartości tlenku glinu, tworząc rozcieńczony roztwór glinianu sodu i nierozpuszczalną żrącą pozostałość znaną jako czerwone błoto. Ten materiał ogniotrwały wymaga specjalnego traktowania, ponieważ może zawierać metale ciężkie, związki alkaliczne i związki fenolowe; stąd jego klasyfikacja jako odpad niebezpieczny przez lokalne organy regulacyjne.

Roztwór sody kaustycznej jest następnie przepuszczany przez serię wysokich na sześć pięter zbiorników strącających, do których dodawane są kryształy hydratu tlenku glinu, które rosną, przyciągając do siebie wszystkie cząsteczki wody w roztworze i tworząc białe ciało stałe wodorotlenku glinu, które będzie później wykorzystywane w procesie wytapiania Hall-Heroult do produkcji aluminium.

Przefiltrowany i wypłukany tlenek glinu jest następnie poddawany dalszej obróbce w celu usunięcia wszelkich pozostałości sody kaustycznej i innych zanieczyszczeń przed suszeniem, a następnie podgrzewany w celu usunięcia nadmiaru wilgoci spowodowanej krystalizacją poprzez kalcynację - niezbędny etap.

Bezwodny tlenek glinu wytwarzany podczas jego przetwarzania staje się natychmiast gotowy do użycia, a następnie jest formowany w różne formy przy użyciu metod takich jak prasowanie na sucho, prasowanie izostatyczne, formowanie rolkowe, formowanie wtryskowe i/lub procesy odlewania ślizgowego. Po uformowaniu może być wytwarzany w postaci odlewów arkuszy i prętów, a także izostatycznie prasowanych materiałów izolacyjnych i uszczelniających stosowanych w różnych gałęziach przemysłu - przy czym większość produkcji służy do celów metalurgicznych, podczas gdy pozostała część znajduje zastosowanie w zastosowaniach specjalistycznych lub jako chemikalia z niego otrzymywane.

Kąpiel kriolitowa

Charles Martin Hall rozpoczął badania nad metodami produkcji aluminium w 1880 roku. Odkrył, że użycie prądu elektrycznego przez tlenek glinu spowodowało jego rozpad na tlen i metal aluminium, a kolejnym odkryciem Halla było to, że roztwór kriolitu może rozpuścić ten materiał i uwolnić jego cenne właściwości; w ten sposób powstał proces elektrolityczny Halla-Heroulta, który stał się podstawową drogą do produkcji pierwotnego aluminium do 1908 roku.

Wytapianie aluminium wymaga stałych i dużych ilości energii elektrycznej. Kąpiel kriolitowa musi pozostawać w idealnej temperaturze roboczej, aby umożliwić ciągłą produkcję, a nadmiar aluminium, który gromadzi się na katodzie, jest okresowo odsysany i wysyłany do dużych pieców podtrzymujących, gdzie można usunąć zanieczyszczenia, dodać pierwiastki stopowe, a następnie odlać do wlewków.

Aby proces ten był ekonomicznie opłacalny, konieczne jest zarządzanie szybkością podawania tlenku glinu do kąpieli kriolitowej w celu utrzymania stałego stężenia w optymalnym zakresie. Wiele czynników, w tym wielkość cząstek i mieszanie, może mieć wpływ na ten czynnik.

Przeprowadzając analizę dyfrakcji rentgenowskiej kąpieli kriolitowej, można łatwo kontrolować ilości obecnego wapnia i magnezu. Niestety, ta technika rentgenowska ma kilka wad, które ograniczają jej dokładność: obejmują one trudności z analizą wzoru proszku, a także nakładanie się analizy piku półmorficznego kriolitu NaCaAlF6 z pikami analitycznymi chiolitu i weberytu; trudno jest odróżnić neiboryt od neiburytu tylko za pomocą tej metody rentgenowskiej!

Huty wykorzystują systemy dyfrakcji wysokociśnieniowej do dokładnego monitorowania temperatury kąpieli kriolitowej w czasie rzeczywistym i przewidywania momentu jej zamarznięcia - oba te elementy są niezbędne w ich procesie. Ponadto system ten może wykrywać zanieczyszczenia węglowe - które stanowią zagrożenie dla zdrowia pracowników narażonych na ich działanie w kopalniach, odlewniach i fabrykach - a także wtrącenia mineralne, takie jak piryt lub kalcyt, które wskazują na zanieczyszczenia w samym tlenku glinu.

Proces wytapiania

Aluminium może być wydobywane (po nieekonomicznych kosztach) z niektórych glin, ale większość produkcji pochodzi z wydobycia i rafinacji boksytu do tlenku glinu (tlenku glinu). Tlenek glinu służy następnie jako surowiec do produkcji aluminium; ten energochłonny proces zużywa duże ilości energii elektrycznej. Na dzień dzisiejszy globalna produkcja tlenku glinu szybko się rozwija, wykorzystując odmiany technologii procesowej Bayer (chociaż trudniejsze boksyty o wysokiej zawartości diaspor mogą wymagać innych odmian).

Drobno zmielony boksyt jest łączony pod ciśnieniem w komorach fermentacyjnych z gorącymi roztworami sody kaustycznej (NaOH) w celu rozpuszczenia minerałów zawierających aluminium - gibbsytu, bohmitu i diaspory - w przesyconym roztworze glinianu sodu, znanym jako ciecz robocza. Reaktywna krzemionka obecna w roztworze musi również zostać wyeliminowana poprzez dalsze przetwarzanie w celu utworzenia zawiesiny czerwonego błota, zwanej również "szlamem tlenku glinu", przed przepompowaniem do szczelnych zapór, które zawierają nieprzepuszczalne materiały, aby zapobiec wyciekom i zanieczyszczeniu otaczającego środowiska.

Garnki redukcyjne łączą tlenek glinu (z resztkami sody kaustycznej) z węglem, tworząc stopiony elektrolit, a prąd elektryczny przepływa przez ten elektrolit, rozrywając wiązania chemiczne między aluminium i tlenem w tlenku glinu, uwalniając w ten sposób tlen, przy czym aluminium ostatecznie osadza się na dnie jako metal anodowy, podczas gdy dwutlenek węgla unosi się jako metal katodowy.

W wysokich zbiornikach strącających roztwór hydratu tlenku glinu jest dalej oddzielany od sody kaustycznej poprzez dodanie niewielkich ilości drobnego krystalicznego proszku tlenku glinu do ciekłego roztworu, co powoduje jego wytrącenie w postaci twardych glinokrzemianowych ciał stałych hydratu tlenku glinu, które można następnie przefiltrować, umyć i wysuszyć do postaci białego proszku znanego jako "kalcynowany tlenek glinu".

Ten proszek tlenku glinu może być formowany w różne produkty przy użyciu różnych technik - na przykład prasowania na sucho, izostatycznego i na gorąco, odlewania ślizgowego lub odlewania taśmowego - z lub bez dodawania dodatkowych materiałów (spoiw lub tworzyw termoplastycznych) w celu ułatwienia produkcji i procesów produkcyjnych, takich jak formowanie wtryskowe lub wytwarzanie cienkich podłoży do obwodów mikroelektronicznych. Ponadto jego zastosowanie jako wypełniacza pomaga poprawić właściwości izolacyjne ceramiki.

Proces kalcynacji

Pozostałości boksytu mogą być dalej przetwarzane za pomocą kalcynacji, która polega na wprowadzeniu ich do pieca obrotowego, gdzie zostaną wystawione na działanie wysokich temperatur w celu usunięcia pozostałej wody i pierwiastków związanych chemicznie, wytwarzając produkt w postaci proszku tlenku glinu, który nadaje się do formowania kształtów lub wykorzystania jako surowiec w zastosowaniach ceramicznych.

Reakcje generujące ciepło są katalizowane przez gorącą sodę kaustyczną (NaOH). Reagenty różniące się składem - na przykład łączące diasporę z gibbsytem - mogą być również dodawane w celu kontrolowania profili temperaturowych i wytwarzania różnych gatunków tlenku glinu.

Podczas gdy większość produkcji tlenku glinu trafia do przemysłu wytopu aluminium, istnieje znaczący rynek specjalistycznych tlenków glinu wykorzystywanych jako materiały ogniotrwałe i ceramika techniczna. Te specjalistyczne produkty charakteryzują się drobnymi, krystalicznymi strukturami o bardzo wysokiej powierzchni właściwej, dzięki czemu są odporne na korozję; dodatkowo posiadają właściwości izolacyjne, wysoki poziom wytrzymałości i stabilność termiczną, co czyni je nieocenionymi elementami projektów budowy pieców.

Inne zastosowania tlenku glinu obejmują produkcję ceramiki, takiej jak materiały ogniotrwałe, materiały ścierne i nośniki katalizatorów. Spoiwa mogą być często zawarte w proszku; na przykład tworzywa termoplastyczne do części formowanych wtryskowo są podgrzewane i mieszane z tlenkiem glinu przed spaleniem podczas procesów chłodzenia. Innym zastosowaniem odlewania taśmowego jest mieszanie go z cieczą organiczną w celu wytworzenia cienkich podłoży dla obwodów mikroelektronicznych.

W przeciwieństwie do innych materiałów ceramicznych, które są zwykle miękkie i kruche, a zatem nie są w stanie wytrzymać naprężeń udarowych lub rozciągających podczas pracy, tlenek glinu jest twardy, trwały i ma niski współczynnik rozszerzalności - idealne właściwości dla łożysk i uszczelek. Niestety, jego drobnoziarnista struktura może prowadzić do wad osłabiających, takich jak pękanie i dezintegracja, gdy jest poddawany naprężeniom udarowym lub nadmiernemu naprężeniu rozciągającemu.

Kalcynacja to przemysłowa metoda ogrzewania stosowana w celu uzyskania chemicznej separacji materiałów stałych poprzez odparowanie wody, ulatnianie zanieczyszczeń i rozkład utleniających części masy. Kalcynacja jest od dawna stosowana jako skuteczny sposób produkcji bezwodnego tlenku glinu; produkcji płyt ściennych z odpadów gipsowych; ekstrakcji rutylu o wysokiej czystości z anatazu do produkcji rutylu o wysokiej czystości, a także do innych celów przemysłowych.