از بوکسیت تا آلومینا: فرآیند بایر
بوکسیت سنگ معدن اصلی آلومینیوم است، سنگی حاوی 40 تا 60 درصد اکسید آلومینیوم همراه با اکسید آهن، سیلیس و سایر ناخالصی ها. مرحله اول استخراج، فرآیند بایر، اکسید آلومینیوم را از این ناخالصی ها جدا می کند.
بوکسیت خرد شده با محلول گرم و غلیظ هیدروکسید سدیم مخلوط شده و تحت فشار در دمای حدود 150 تا 250 درجه سانتیگراد هضم می شود. اکسید آلومینیوم حل می‌شود و آلومینات سدیم را تشکیل می‌دهد، در حالی که اکسید آهن، سیلیس و سایر ناخالصی‌ها به صورت باقیمانده جامد به نام گل قرمز باقی می‌مانند. دوغاب برای حذف گل قرمز فیلتر شده و محلول آلومینات سدیم شفاف باقی می ماند.
سپس هیدروکسید آلومینیوم از محلول با کاشت و سرد کردن رسوب می‌کند و رسوب در کوره‌های دوار یا کلسینه‌کننده‌های بستر سیال در حدود 1000 درجه سانتیگراد شسته و کلسینه می‌شود تا آب را خارج کند. محصول پودر آلومینا سفید، اکسید آلومینیوم تقریبا خالص است.
از آلومینا تا آلومینیوم: هال-فرایند هرولت
آلومینا دارای نقطه ذوب بالای 2000 درجه سانتیگراد است که ذوب مستقیم را غیراقتصادی می کند. فرآیند هال{2}}هروولت آلومینا را در کرایولیت مذاب، یک کانی فلوراید، حل می‌کند و دمای عملیاتی را تا حدود 950 درجه سانتیگراد کاهش می‌دهد.
یک جریان مستقیم قوی، معمولاً 150000 تا 600000 آمپر، از سلول بین آندهای کربن و یک کاتد{4} با پوشش کربن عبور می کند. در کاتد، آلومینیوم مایع تشکیل می شود و در پایین سلول جمع می شود. در آندها، اکسیژن با کربن واکنش داده و دی اکسید کربن آزاد می کند. آلومینیوم مایع از سلول سیفون می شود و برای پردازش بیشتر به شمش، بیلت یا اسلب ریخته می شود.
ملاحظات انرژی و زیست محیطی
الکترولیز انرژی بر است: تولید یک تن آلومینیوم اولیه به حدود 13 تا 15 مگاوات{2}}ساعت الکتریسیته نیاز دارد، به همین دلیل است که کارخانه‌های ذوب در نزدیکی منابع انرژی ارزان-، از جمله نیروگاه‌های برق آبی، قرار دارند. این فرآیند همچنین دی اکسید کربن را از آندها ساطع می کند و گل قرمز حاصل از فرآیند بایر باید در تاسیسات ذخیره سازی مهندسی شده به دقت مدیریت شود.
این تأثیرات دلیل قوی زیست‌محیطی بازیافت را توضیح می‌دهد: ذوب ضایعات آلومینیوم حدود 5 درصد از انرژی تولید اولیه را مصرف می‌کند و به طور کامل از چرخه بوکسیت و گل قرمز اجتناب می‌کند، به همین دلیل است که آلومینیوم بازیافتی سهم بزرگی از تقاضای جهانی را تامین می‌کند.
مسیرهای جایگزین و نوظهور
مسیرهای استخراج جایگزین وجود دارد اما کمتر رایج است. اسیدشویی می تواند آلومینیوم را از سنگ معدن و ضایعات صنعتی خاص استخراج کند، اما به طور کلی گران تر و پیچیده تر از فرآیند بایر است. تحقیقات بر روی آندهای بی اثر که انتشار دی اکسید کربن ناشی از الکترولیز را حذف می کنند و روی طرح های سلولی کارآمدتر ادامه دارد، اما فرآیندهای بایر و هال{2}}هروولت ستون فقرات صنعتی تولید آلومینیوم هستند.
سوالات متداول
س: بوکسیت چیست و از کجا می آید؟
بوکسیت یک سنگ معدنی رسوبی مایل به قرمز است که حاوی 40-60٪ اکسید آلومینیوم (آلومینا) به عنوان کانی های گیبسیت، بوهمیت یا دیاسپور است که عمدتاً در استرالیا، گینه، چین، برزیل و هند استخراج می شود. برای تولید 1 تن آلومینیوم تقریباً 4 تا 6 تن بوکسیت مورد نیاز است.
س: در داخل سلول الکترولیز هال-هروولت چه اتفاقی می‌افتد؟
آلومینا در کرایولیت مذاب در حدود 950-970 درجه حل می شود و توسط جریان الکتریکی به آلومینیوم مذاب در کاتد کربن و دی اکسید کربن در آند کربن تقسیم می شود. فرآیند به طور مداوم با تغذیه آلومینا و تغییرات آند اجرا می شود.
س: تولید آلومینیوم اولیه چقدر برق مصرف می کند؟
مرحله الکترولیز معمولاً 13-15 کیلووات ساعت به ازای هر کیلوگرم آلومینیوم مصرف می کند و کارخانه های ذوب مدرن به طور متوسط حدود 14000-15500 کیلووات ساعت در هر تن مصرف می کنند. به همین دلیل است که کارخانه های ذوب آلومینیوم همیشه در کنار برق ارزان قیمت مانند ایستگاه های برق آبی قرار دارند.
س: گل سرخ چیست و چه اتفاقی برای آن می افتد؟
گل قرمز بقایای قلیایی{0} غنی آهنی است که پس از فرآیند بایر باقی می‌ماند، حدود 1-1.5 تن در هر تن آلومینا. در حوضچه‌های باطله با مدیریت دقیق ذخیره می‌شود و فرآیندهای جدید آهن، خاک‌های کمیاب را بازیابی می‌کنند یا از آن در سیمان و مصالح ساختمانی برای کاهش دفن زباله استفاده می‌کنند.
س: چگونه تولید آلومینیوم تمیزتر شده است؟
کارخانه های ذوب مدرن از آندهای بی اثر یا از پیش پخته شده با تصفیه دود برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، برق آبی و تجدیدپذیر برای کاهش ردپای کربن استفاده می کنند و صنعت ضایعات فرآیند را در داخل بازیافت می کند. تولید آلومینیوم از فلز بازیافتی تنها حدود 5 درصد از انرژی تولید اولیه را مصرف می کند.
س: برای تولید یک تن آلومینیوم چقدر بوکسیت لازم است؟
به عنوان یک قاعده کلی، حدود 4 تا 5 تن بوکسیت به تقریباً 2 تن آلومینا تصفیه می شود، که سپس به حدود 1 تن آلومینیوم اولیه ذوب می شود. نسبت دقیق به عیار سنگ معدن و راندمان پالایشگاه و ذوب بستگی دارد.