Bauxita extrasă și rafinată în alumină

Bauxita este principala materie primă utilizată pentru fabricarea aluminiului. Acest mineral asemănător argilei cuprinde hidroxizi de aluminiu precum gibbsita, boehmite și diasporă, care s-au format prin procese intense de intemperii lateritice.

Minereul de bauxită este mai întâi zdrobit și spălat înainte de a fi dizolvat în soluție fierbinte de sodă caustică, cunoscută sub numele de "licoare verde". Odată ce această soluție verde a fost transferată în rezervoare înalte de precipitare cu semințe de hidroxid de aluminiu adăugate pentru precipitarea hidratului solid de alumină pe măsură ce temperatura se răcește, rezervoarele de precipitare pot fi, de asemenea, utilizate pentru a accelera solidificarea.

Procesul Bayer

La marile uzine industriale, procesul Bayer este locul unde se află toată magia. Aici ia formă chimia industrială prin transformarea materiilor prime în produse care aduc beneficii societății. Acest proces în mai multe etape utilizează diverse echipamente de filtrare și separare și implică, de asemenea, preocupări legate de mediu; subprodusele sale, cum ar fi nămolul roșu, necesită o manipulare atentă înainte de eliminare.

Minereul de bauxită este prelucrat folosind o soluție de sodă caustică și digerat la presiuni și temperaturi ridicate pentru a extrage valorile sale solubile de alumină, creând o soluție diluată de aluminat de sodiu și un reziduu caustic insolubil cunoscut sub numele de nămol roșu. Acest material refractar necesită o manipulare specială, deoarece poate conține metale grele, compuși alcalini și compuși fenolici; de aici și clasificarea sa ca deșeu periculos de către organismele locale de reglementare.

Soluția de sodă caustică este apoi trecută printr-o serie de rezervoare de precipitare înalte de șase etaje, în care se adaugă cristale de semințe de hidrat de alumină și se lasă să crească, atrăgând în cele din urmă toate moleculele de apă din soluție spre ele, creând în cele din urmă un solid alb de hidroxid de alumină care va fi utilizat ulterior în procesul de topire Hall-Heroult pentru producerea aluminiului metalic.

Alumina filtrată și spălată este apoi prelucrată în continuare pentru a îndepărta orice rămășiță de sodă caustică și alte impurități, înainte de uscare, înainte de a fi încălzită pentru a îndepărta excesul de umiditate cauzat de cristalizare prin calcinare - o etapă esențială.

Alumina anhidră produsă în timpul prelucrării sale devine imediat utilizabilă și este apoi modelată în diverse forme prin utilizarea unor metode precum presarea uscată, presarea izostatică, laminarea, turnarea prin injecție și/sau procesele de turnare prin alunecare. Odată formată, alumina poate fi transformată în table și tije turnate, precum și în materiale de izolare și etanșare prin presare izostatică, utilizate în diverse industrii - cea mai mare parte a producției fiind utilizată în scopuri metalurgice, în timp ce restul este utilizat în aplicații speciale sau ca produse chimice derivate din aceasta.

Baia de criolit

Charles Martin Hall a început să cerceteze metodele de producere a aluminiului în 1880. El a descoperit că utilizarea curentului electric prin alumină a dus la descompunerea acesteia în oxigen și aluminiu metalic, descoperirea ulterioară a lui Hall fiind că soluția de criolit poate dizolva acest material și îi poate elibera proprietățile prețioase; astfel, a fost creat procesul electrolitic Hall-Heroult, care a devenit o cale esențială pentru producerea aluminiului primar până în 1908.

Topirea aluminiului necesită cantități mari și constante de energie electrică. O baie de criolit trebuie să rămână la o temperatură de funcționare ideală pentru a permite producția sa continuă, excesul de aluminiu care se acumulează la catod fiind periodic sifonat și trimis în cuptoare mari unde impuritățile pot fi îndepărtate, se pot adăuga elemente de aliere și apoi turnate în lingouri.

Pentru ca acest proces să fie viabil din punct de vedere economic, este esențial ca rata de alimentare cu alumină într-o baie de criolit să fie gestionată astfel încât să se mențină o concentrație constantă într-un interval optim. Mulți factori, inclusiv dimensiunea particulelor și agitarea, pot avea un impact asupra acestui factor.

Prin efectuarea unei analize prin difracție de raze X a băii de criolit, se pot controla cu ușurință cantitățile de calciu și magneziu prezente. Din păcate, însă, această tehnică cu raze X suferă de mai multe dezavantaje care îi limitează precizia: printre acestea se numără dificultatea de a analiza modelul pulberii sale, precum și suprapunerea dintre analiza vârfurilor criolitei semiamorfe NaCaAlF6 cu vârfurile analitice ale chiolitei și weberitei; este dificil de diferențiat neiborita de neibourită numai cu această metodă cu raze X!

Topitorii utilizează sisteme de difracție de înaltă presiune pentru a monitoriza cu exactitate temperaturile băii de criolit în timp real și pentru a prezice momentul în care acesta va îngheța - ambele componente esențiale ale procesului lor. În plus, acest sistem poate detecta impuritățile de carbon - care pun în pericol sănătatea lucrătorilor expuși la acestea în mine, turnătorii și fabrici - precum și incluziunile minerale, cum ar fi pirita sau calcita, care indică impurități în alumina însăși.

Procesul de topire

Aluminiul poate fi extras (la un cost neeconomic) din unele argile, dar cea mai mare parte a producției provine din extracția și rafinarea bauxitei în alumină (oxid de aluminiu). Alumina servește apoi drept materie primă pentru fabricarea aluminiului metalic; acest proces intensiv din punct de vedere energetic utilizează cantități mari de energie electrică. În prezent, producția mondială de alumină se extinde rapid folosind variații ale tehnologiei procesului Bayer (deși bauxitele mai dificile, cu conținut ridicat de diasporă, pot necesita alte variații).

Bauxita fin măcinată este combinată sub presiune în digestori cu soluții fierbinți de sodă caustică (NaOH) pentru a dizolva mineralele sale purtătoare de aluminiu - gibbsită, bohmite și diasporă - într-o soluție suprasaturată de aluminat de sodiu, cunoscută sub numele de lichid pregnant. Siliciul reactiv prezent în soluție trebuie, de asemenea, eliminat prin prelucrare suplimentară pentru a crea o suspensie de nămol roșu, denumit și "nămol de alumină", înainte de a fi pompat în baraje etanșe care conțin materiale impermeabile pentru a preveni scurgerile și contaminarea mediului înconjurător.

Oalele de reducere combină alumina (cu unele resturi de sodă caustică) cu carbonul pentru a forma un electrolit topit, iar un curent electric trece prin acest electrolit, rupând legăturile chimice dintre aluminiu și oxigenul din alumină, eliberând astfel oxigen, aluminiul depunându-se în cele din urmă la fund ca metal anodic, în timp ce dioxidul de carbon gazos se ridică ca metal catodic.

În vasele înalte de precipitare, soluția de hidrat de alumină este separată în continuare de soda caustică prin adăugarea unor cantități mici de pulbere fină de alumină cristalină în soluția lichidă, ceea ce determină precipitarea acesteia sub formă de solide dure de hidrat de alumină aluminosilicată care pot fi apoi filtrate, spălate și uscate sub formă de pulbere albă cunoscută sub denumirea de "alumină calcinată".

Această pulbere de alumină poate fi transformată în diverse produse folosind tehnici diferite - presare uscată, izostatică și la cald, turnare prin alunecare sau turnare cu bandă, de exemplu - cu sau fără adăugarea de materiale suplimentare (lianți sau materiale termoplastice) pentru a facilita fabricarea și procesele de producție, cum ar fi turnarea prin injecție sau producerea de substraturi subțiri pentru circuite microelectronice. În plus, utilizarea sa ca umplutură contribuie la îmbunătățirea proprietăților izolatoare ale ceramicii.

Procesul de calcinare

Reziduurile de bauxită pot fi prelucrate în continuare prin calcinare, ceea ce presupune introducerea lor într-un cuptor rotativ, unde vor fi expuse la temperaturi ridicate pentru a îndepărta apa rămasă și elementele legate chimic, obținându-se un produs sub formă de pulbere de alumină care este potrivit pentru modelarea în forme sau utilizarea ca materie primă în aplicații ceramice.

Reacțiile generatoare de căldură sunt catalizate de sodă caustică fierbinte (NaOH). De asemenea, se pot adăuga reactivi cu compoziție diferită - de exemplu, combinarea diasporei cu gibbsita - pentru a controla profilurile de temperatură și a produce diferite tipuri de alumină.

În timp ce cea mai mare parte a producției de alumină este destinată industriei de topire a aluminiului, există o piață semnificativă pentru aluminele speciale utilizate ca materiale refractare și ceramică tehnică. Aceste produse de specialitate au structuri fine, cristaline, cu suprafețe specifice foarte mari pentru a rezista atacurilor corozive; în plus, au proprietăți de izolare, niveluri ridicate de rezistență și stabilitate termică, ceea ce le face componente inestimabile ale proiectelor de construcție a cuptoarelor.

Alte aplicații pentru alumină includ fabricarea ceramicii, cum ar fi materialele refractare, abrazivele și suporturile pentru catalizatori. Pudra poate fi adesea însoțită de lianți; termoplasticele pentru piesele turnate prin injecție, de exemplu, sunt încălzite și amestecate cu alumină înainte de a fi arse în timpul proceselor de răcire. O altă utilizare a turnării de bandă constă în amestecarea acesteia cu un lichid organic pentru a produce substraturi subțiri pentru circuite microelectronice.

Spre deosebire de alte materiale ceramice care au tendința de a fi moi și fragile și, prin urmare, nu pot rezista solicitărilor de impact sau de tracțiune în exploatare, alumina este dură, durabilă și are un coeficient scăzut de dilatare - calități ideale pentru rulmenți și garnituri. Din păcate, structura sa fină poate duce la defecte de slăbire, cum ar fi fisurarea și dezintegrarea, atunci când este supusă la solicitări de impact sau la tensiuni excesive de tracțiune.

Calcinarea este o metodă industrială de încălzire utilizată pentru a realiza separarea chimică a materialelor solide prin vaporizarea apei, volatilizarea contaminanților și descompunerea părților oxidante ale masei. Calcinarea este utilizată de mult timp ca metodă eficientă de producere a aluminei anhidre; de producere a plăcilor de perete din deșeuri de gips; de extragere a rutilului de înaltă puritate din anatasă pentru producerea rutilului de înaltă puritate, precum și în alte scopuri industriale.