Boksiidist alumiiniumoksiidini: Bayeri protsess
Boksiit on alumiiniumi peamine maak, kivim, mis sisaldab 40–60% alumiiniumoksiidi koos raudoksiidi, ränidioksiidi ja muude lisanditega. Esimeses ekstraheerimise etapis, Bayeri protsessis, eraldatakse alumiiniumoksiid nendest lisanditest.
Purustatud boksiit segatakse kuuma kontsentreeritud naatriumhüdroksiidi lahusega ja lagundatakse rõhu all temperatuuril umbes 150–250 kraadi Celsiuse järgi. Alumiiniumoksiid lahustub, moodustades naatriumaluminaadi, samal ajal kui raudoksiid, ränidioksiid ja muud lisandid jäävad tahkeks jäägiks, mida nimetatakse punaseks mudaks. Suspensioon filtreeritakse punase muda eemaldamiseks, jättes järele selge naatriumaluminaadi lahuse.
Alumiiniumhüdroksiid sadestatakse lahusest külvamise ja jahutamise teel ning sadet pestakse ja kaltsineeritakse pöördpõletusahjudes või keevkihtkaltsineerimisseadmetes umbes 1000 kraadi Celsiuse järgi, et vesi välja juhtida. Toode on valge alumiiniumoksiidi pulber, peaaegu puhas alumiiniumoksiid.
Alumiiniumist alumiiniumini: Hall{0}}Heroulti protsess
Alumiiniumoksiidi sulamistemperatuur on üle 2000 kraadi Celsiuse järgi, mis muudaks otsese sulamise ebaökonoomseks. Hall-Heroulti protsess lahustab alumiiniumoksiidi sulas krüoliidis, mis on fluoriidmineraal, alandades töötemperatuuri umbes 950 kraadini Celsiuse järgi.
Tugev alalisvool, tavaliselt 150 000 kuni 600 000 amprit, läbib elementi süsinikanoodide ja süsiniku{4}}vooderdusega katoodi vahel. Katoodil moodustub vedel alumiinium ja koguneb elemendi põhja; anoodidel reageerib hapnik süsinikuga, vabastades süsinikdioksiidi. Vedel alumiinium sifoonitakse rakust välja ja valatakse edasiseks töötlemiseks valuplokkideks, kangideks või plaatideks.
Energia- ja keskkonnakaalutlused
Elektrolüüs on energiamahukas: ühe tonni primaaralumiiniumi tootmiseks kulub ligikaudu 13–15 megavatt-tundi elektrit, mistõttu asuvad sulatustehased odavate-energiaallikate, sealhulgas hüdroelektrijaamade läheduses. Protsess eraldab anoodidest ka süsihappegaasi ja Bayeri protsessist pärinevat punast muda tuleb kavandatud hoidlates hoolikalt hallata.
Need mõjud selgitavad ringlussevõtu tugevat keskkonnaaspekti: alumiiniumijäätmete sulatamine kasutab umbes 5% esmatootmise energiast ning väldib täielikult boksiidi ja punase muda tsüklit, mistõttu ringlussevõetud alumiinium katab juba suure osa ülemaailmsest nõudlusest.
Alternatiivsed ja esilekerkivad marsruudid
Alternatiivsed kaevandamisviisid on olemas, kuid need on vähem levinud. Happega leostumine võib eraldada alumiiniumi teatud maakidest ja tööstusjäätmetest, kuid see on üldiselt kallim ja keerulisem kui Bayeri protsess. Jätkuvad uuringud inertsete anoodide alal, mis kõrvaldaksid elektrolüüsist tekkivad süsinikdioksiidi heitkogused, ja tõhusamate elementide konstruktsioonide kohta, kuid Bayeri ja Hall{2}}Heroulti protsessid jäävad alumiiniumi tootmise tööstuslikuks selgrooks.
Korduma kippuvad küsimused
K: Mis on boksiit ja kust see tuleb?
Boksiit on punakas settemaak, mis sisaldab 40-60% alumiiniumoksiidi (alumiiniumoksiidi) gibbsiidi, böömiidi või diaspoorsete mineraalidena, mida kaevandatakse peamiselt Austraalias, Guineas, Hiinas, Brasiilias ja Indias; 1 tonni alumiiniumi tootmiseks kulub ligikaudu 4-6 tonni boksiidi.
K: Mis juhtub Hall{0}}Heroulti elektrolüüsikambris?
Alumiiniumoksiid lahustatakse sulas krüoliidis umbes 950–970 kraadi juures ja jagatakse elektrivoolu toimel süsinikkatoodil sula alumiiniumiks ja süsinikanoodil süsinikdioksiidiks; protsess töötab pidevalt alumiiniumoksiidi etteande ja anoodivahetustega.
K: Kui palju elektrit primaaralumiiniumi tootmine tarbib?
Elektrolüüsietapp kulutab tavaliselt 13–15 kWh alumiiniumi kilogrammi kohta ja tänapäevased sulatustehased keskmiselt umbes 14 000–15 500 kWh tonni kohta; see on põhjus, miks alumiiniumsulatusahjud asuvad alati odava energia, näiteks hüdroelektrijaamade kõrval.
K: Mis on punane muda ja mis sellega juhtub?
Punamuda on raua{0}}rikas leeliseline jääk, mis jääb pärast Bayeri protsessi alles, umbes 1–1,5 tonni tonni alumiiniumoksiidi kohta; seda hoitakse hoolikalt hallatud aherainetiikides ning uute protsessidega kogutakse rauda, haruldasi muldmetallisid või kasutatakse seda prügilasse ladestamise vähendamiseks tsemendis ja ehitusmaterjalides.
K: Kuidas on alumiiniumi tootmine muutunud puhtamaks?
Kaasaegsed sulatustehased kasutavad heitgaaside vähendamiseks inertseid või eelküpsetatud anoode koos aurutöötlusega, hüdro- ja taastuvenergiat süsiniku jalajälgede vähendamiseks ning tööstus taaskasutab protsessijäägid sisemiselt; ringlussevõetud metallist alumiiniumi tootmine kasutab vaid umbes 5% esmatootmise energiast.
K: Kui palju boksiidi kulub ühe tonni alumiiniumi valmistamiseks?
Rusikareeglina rafineeritakse umbes 4-5 tonni boksiidi umbes 2 tonniks alumiiniumoksiidiks, mis seejärel sulatatakse umbes 1 tonniks primaarseks alumiiniumiks. Täpne suhe sõltub maagi kvaliteedist ning rafineerimistehase ja sulatustehase efektiivsusest.