Bauxit- und Tonerdeabbau

Bauxiterz mit hohen Konzentrationen an Aluminiumoxiden (65% oder mehr) kann nur in tropischen Regionen beiderseits des Äquators wirtschaftlich abgebaut werden; Gibbsit- und Böhmitvorkommen liegen typischerweise in diesen Regionen, während Diaspore vorwiegend in nördlichen Regionen vorkommt.

Das Bayer-Verfahren besteht aus vier Schritten: Aufschluss, Klärung, Fällung und Kalzinierung. Die Ergebnisse des Energieverbrauchs für diese Prozesse werden im Folgenden anhand von LCA-Simulationen am Beispiel von Gibbsit und Böhmit-Diasporen-Bauxit dargestellt.

Verdauung

Aluminium ist das am dritthäufigsten vorkommende Element in der Erdkruste und seine Hauptquelle für die Produktion ist Bauxit (Al2O3), das im Tagebau abgebaut und zu Raffinerien transportiert wird, wo es nach dem Bayer-Verfahren zu Aluminium verarbeitet wird. Der Energieverbrauch bei der Raffination umfasst den Aufschluss von Bauxit und die Kalzinierung von Aluminiumoxid, wobei die Verbrennung von Erdgas für 66% der THG-Emissionen aus diesem Prozess verantwortlich ist.

Der Aufschluss von Bauxit ist der erste Schritt des Bayer-Verfahrens. Die Natronlaugekonzentration spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Aufschlussfähigkeit; die Effizienz steigt mit zunehmender Konzentration bis zu einem Höchstwert von 260 g/L.

Bei der Nassmahlung von Bauxiterz in Stabmühlen, Kugelmühlen oder halbautogenen Mühlen entsteht ein feiner Schlamm, der dann in Aufschlussbehälter geleitet wird, wo er mit heißem Wasser unter hohem Druck und bei hoher Temperatur zu "Grünlauge" vermischt wird. Die Rotschlammrückstände werden abgetrennt und mit Hilfe von groben Zyklonen und Recheneindickern abgewaschen, und ihre Rückstände werden als "verbrauchte Lauge" für einen weiteren Aufschluss zurückgeführt.

Beim Bayer-Aufschluss von nichtmagnetischem Bauxit werden die eisenhaltigen Mineralien durch Reduktionsröstung und magnetische Abtrennung von der Tonerde getrennt, wobei Diaoyudaoit und Natriumaluminiumsilikat bei der Verarbeitung bei niedrigeren Aufschlusstemperaturen die Hauptquellen für die Tonerde sind.

Die Aufschlussphase verbraucht den höchsten Energiebedarf bei der Raffination von Aluminiumoxid, da sie viel Wärmeenergie zum Erhitzen von Natronlauge verbraucht. Außerdem ist der Wasser- und Stromverbrauch in dieser Phase ebenfalls erheblich. Wenn ein durchschnittlicher EU-Energiemix für die Analyse herangezogen wird, zeigen die LCA-Ergebnisse, dass 639 kg CO2-Äquivalente direkt pro Tonne produziert werden, die mit dem Bayer-Verfahren unter Verwendung von Erdgas als Wärmequelle für den Aufschlussprozess erzeugt werden; die Emissionen gingen erheblich zurück, wenn stattdessen Erdgas als Wärmequelle verwendet wurde, was den Einfluss auf die Umweltindikatoren in den LCA-Berechnungen zeigt.

Niederschlag

Aluminium ist ein weiches, silbriges Metall, das in der Natur in Mineralien und Gesteinen wie Bauxit mit Sauerstoff gebunden vorkommt. Zur Herstellung von Aluminium muss Bauxit jedoch zunächst verarbeitet werden - dies erfordert die Zugabe von Wasser und verschiedenen Verunreinigungen wie Eisenoxid, Siliziumdioxid und Eisenoxid; nur Bauxite mit einer Tonerdekonzentration von 30-66% sind für die Verarbeitung wirtschaftlich sinnvoll. Nur bestimmte Länder verfügen über ausreichende Vorkommen mit ausreichender wirtschaftlicher Tonerdekonzentration, um die weltweite Aluminiumnachfrage zu decken.

Zur Herstellung von Aluminiumoxid muss Bauxit zunächst bei hohen Temperaturen durch Aufschluss in Natronlauge aufgelöst werden - dieser Vorgang wird als Aufschluss bezeichnet. Anschließend muss die Lösung in Verdickern geklärt werden, bevor sie in Rotschlamm- und Natriumaluminatlösungen getrennt wird. Rotschlamm ist der unlösliche Rückstand aus der Bauxitverarbeitung, während Natriumaluminatlösungen durch hohe Tanks, so genannte Abscheider, geleitet werden, in denen Aluminiumhydroxidkerne (sehr kleine Partikel) zugesetzt werden, die beim Abkühlen die Bildung fester Aluminiumhydroxidkristalle fördern, die sich am Boden dieser Tanks absetzen, bevor sie entfernt werden und eine weitere Verarbeitung oder Entsorgung ermöglichen.

Für jede produzierte Tonne Aluminium fallen mindestens zwei Tonnen Abfall an, darunter Abfälle aus dem Bergbau, Produktionsrückstände aus der Tonerdegewinnung und andere Schrottmaterialien oder feste Abfälle. Bei der Verhüttung werden auch Treibhausgase freigesetzt.

Der Bauxitabbau ist ein arbeitsintensiver Prozess, bei dem schwere Maschinen in steilem, unnachgiebigem Gelände zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann der Betrieb von Geräten wie Schabern und Bohrern Ganzkörpervibrationen verursachen, die zu Muskel-Skelett-Erkrankungen und Wirbelsäulenbeschwerden führen, sowie Hand-Arm-Vibrationen durch vibrierende Werkzeuge wie Hämmer und Elektrowerkzeuge - was das Risiko noch erhöht.

Es gibt zwar saure und elektrothermische Verfahren zur Gewinnung von Tonerde, aber sie sind teuer. Das Bayer-Verfahren ist die vorherrschende Raffinationsmethode und besteht aus vier Schritten - Aufschluss, Klärung, Ausfällung und Kalzinierung -, die zur Raffination verwendet werden. Australien verfügt über Minen und Raffinerien in Westaustralien (Kwinana und Wagerup) und Queensland sowie über Aluminiumhütten in Tasmanien, Queensland und Yarwun, während China für seine Produktion stark auf Einfuhren aus Australien, Brasilien, Guinea usw. angewiesen ist.

Kalzinierung

Bauxit, das Haupterz des Aluminiums, bildet oft verwitterte Decken, die als Laterit oder Duricrust bekannt sind, über verschiedenen Gesteinsarten, die tonerdehaltige Mineralien enthalten, darunter Eisenoxide, Siliziumdioxid und Titanoxid. Tonerde kann durch Aufschluss und Ausfällung von Laterit-/Durikrustschichten gewonnen werden.

Durch Kalzinierung von Aluminiumoxid wird handelsübliches reines Aluminiumoxid hergestellt. Es wird gefiltert und gewaschen, um mitgerissene Lauge und Lösung zu entfernen, und dann entweder in Drehrohröfen oder stationären Wirbelschichtkalzinatoren auf bis zu 960 Grad Celsius erhitzt, um diesen Prozess abzuschließen.

Gibbsit und Böhmit werden während der Kalzinierung durch Freisetzung von OH-Gruppen mit einem Wasserverlust von bis zu 30% in Alpha-Aluminiumoxid umgewandelt, was zu hervorragenden Umwandlungsraten und Produkteigenschaften führt. Für maximale Effektivität und optimale Umwandlungsraten sollte Gibbsit im Vergleich zu Böhmit eine größere mittlere Teilchengröße aufweisen, um die besten Umwandlungsraten und Produkteigenschaften zu erzielen. Dies wird dadurch unterstützt, dass seine Oberfläche fast 280-mal größer ist als die seines Gegenstücks, des GB-Vorläufers.

Diese Texturparameter sind entscheidend für die Herstellung von Aluminiumoxidpulvern, die für die Verwendung als Katalysatoren und Absorptionsmittel maßgeschneidert sind, sowie für die Bestimmung der Abriebfestigkeit und des niedrigen LOI-Wertes. Nach der Herstellung wird diese Tonerde dann eingeschmolzen, um metallisches Aluminium zu erzeugen.

Beim Schmelzen wird Tonerde bei hohen Temperaturen in einem Lichtbogenofen erhitzt, um geschmolzenes Aluminium zu erzeugen, während Verunreinigungen wie Eisen und Silizium über elektrochemische Anoden entfernt werden, so dass nur reines Aluminium auf den Kathoden zurückbleibt, das dann in Barren zur weiteren Verarbeitung gegossen wird.

Tonerde kann dann zu Bauxit weiterverarbeitet werden, das zur Herstellung verschiedener Produkte mit einem Aluminiumgehalt von 10%-30% nach Gewicht verwendet wird. Kunststoff ist ein außergewöhnlich flexibles Material mit zahlreichen physikalischen Eigenschaften wie Festigkeit, Härte und elektrischer Leitfähigkeit. Er findet sich in Baumaterialien wie Fenstern und Türen ebenso wie in Automobilanwendungen wie Bremsbelägen und Getriebekomponenten. Bauxit ist weithin als ungiftiges Mineral anerkannt, das keine nennenswerten Gefahren für Mensch und Umwelt mit sich bringt. Allerdings muss die Bergbauindustrie die Umweltrisiken, auf die sie stößt, streng kontrollieren; ältere Aluminiumoxidraffinerien können asbesthaltige Mineralien enthalten, die mit Mesotheliomen und anderen Lungenerkrankungen in Verbindung gebracht werden.

Verfeinerung

Tonerde (auch Aluminiumoxid genannt) ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Aluminium, der durch Raffination von Bauxit und Raffinade gewonnen wird. Raffinierte Tonerde kann dann zur Herstellung von Primäraluminium durch ein elektrolytisches Verfahren verwendet werden; pro produzierter Tonne sind etwa zwei Tonnen erforderlich. Raffinierte Tonerde wird auch als Wasserreinigungsmittel sowie als Zusatzstoff in der Stahlproduktion, für feuerfeste Materialien und in der Keramikindustrie verwendet.

Die Tonerdegewinnung erfolgt nach dem Bayer-Verfahren, einem vierstufigen Verfahren. Der Aufschluss beginnt mit dem Mischen von Bauxit mit Natronlauge bei sehr hohen Temperaturen in speziellen Aufschlussbehältern; bei der Ausfällung werden dann durch mechanisches Rühren in offenen Tanks Tonerdekristalle aus dieser Lösung gewonnen; die ausgefällte Tonerde wird dann durch Schwerkraft oder Zyklon in verschiedene Größen sortiert - die größeren werden zur Kalzinierung weitergeleitet, während die kleineren zur Klärung geschickt werden.

Bauxitminen produzieren als Ergebnis der Abbau- und Veredelungsprozesse erhebliche Abfallprodukte wie Bodenverunreinigungen, Aluminiumoxid-Feinanteile und andere Abfallstoffe. In Aluminiumoxidraffinerien fallen pro Tonne Tonerde etwa zwei bis 2,5 Tonnen feste Abfälle an, die zum Teil sogar giftiges Tenormin (TENORM) enthalten können.

Sicherheit ist sowohl beim Bauxitabbau als auch bei der Raffination von größter Bedeutung, da die Arbeiter bei beiden Tätigkeiten Gesundheits- und Sicherheitsrisiken ausgesetzt sind. An bestimmten Minenstandorten werden die Arbeiter genau auf Insektenstiche überwacht, und es können Moskitonetze oder andere Präventivmaßnahmen eingesetzt werden, um dieses Risiko zu verringern; eine Malariaprophylaxe kann empfohlen werden, während je nach Standort auch eine Gelbfieberimpfung erforderlich sein kann.

Nur 20 Länder der Welt betreiben Aluminiumoxidraffinerien, die meisten davon in China, Brasilien und Australien. Die in diesen Raffinerien produzierte Tonerde wird in der Regel als Rohstoff für die Primärproduktion an Aluminiumhütten verkauft, während die verbleibende Menge an andere Hersteller für verschiedene Zwecke verkauft wird. Raffinerien erfordern für einen optimalen Betrieb erhebliche Investitionen in Zeit, Geld und Humanressourcen.