Bauxit és timföld bányászat

A magas alumínium-oxid-koncentrációjú (65% vagy nagyobb) bauxitércet csak akkor lehet gazdaságosan bányászni, ha az Egyenlítő mindkét oldalán trópusi régiók közelében található; a gibbit- és böhmitlelőhelyek jellemzően ezeken a helyeken találhatók, míg a diaszpór túlnyomórészt az északi régiókban található.

A Bayer-eljárás négy lépést foglal magában: feltárást, tisztítást, kicsapást és kalcinálást. A folyamatok energiafelhasználási eredményeit az alábbiakban LCA-szimulációk segítségével mutatjuk be, példaként a gibbsite és a böhmit-diaszpór bauxitot használva.

Emésztés

Az alumínium a harmadik leggyakoribb elem a földkéregben, és fő termelési forrása a bauxit (Al2O3), amelyet külszíni bányákból bányásznak, és finomítókba szállítanak, ahol a Bayer-eljárás segítségével alumíniumot állítanak elő belőle. A finomítás során felhasznált energia magában foglalja a bauxit feltárását és a timföld kalcinálását - a földgáz elégetése 66% üvegházhatásúgáz-kibocsátásért felelős.

A bauxit feltárása a Bayer-eljárás első lépése. A nátronlúg koncentrációja jelentős szerepet játszik az emészthetőség meghatározásában; a hatékonyság a koncentráció növekedésével nő, egészen a 260 g/l-es maximális értékig.

A bauxitérc nedves őrlése rúdmalmokban, golyósmalmokban vagy félautogén őrlőmalmokban finom iszapot állít elő, amelyet aztán emésztőtartályokba szállítanak, ahol magas nyomáson és hőmérsékleten forró vízzel keverik össze, hogy “zöld lúgot” képezzen. A vörösiszap-maradványokat ezután nyers ciklonok és gereblyéző sűrítők segítségével leválasztják és kimossák, és maradékukat “elhasznált lúgként” további feltárásra visszavezetik.”

A nem mágneses bauxit Bayer-féle feltárása magában foglalja a vastartalmú ásványok elkülönítését a timföldtől redukciós pörkölési és mágneses szeparációs folyamatok révén; alacsonyabb feltárási hőmérsékleten történő feldolgozás esetén a diaoyudaoite és a nátrium-aluminoszilikát a timföld fő forrásai.

A timföldfinomítás során az emésztési szakasz fogyasztja a legnagyobb energiaszükségletet, mivel nagy mennyiségű hőenergiát használ fel a nátronlúg fűtéséhez. Ezen túlmenően a víz- és villamosenergia-fogyasztás is jelentős ebben a szakaszban. Ha az elemzéshez egy átlagos uniós energiaszerkezetet veszünk figyelembe, az LCA-eredmények azt mutatják, hogy a Bayer-eljárás során közvetlenül 639 kg CO2-egyenértékű kibocsátás keletkezik egy tonna előállított termék után, ha a feltárási folyamat hőforrásaként földgázt használnak; a kibocsátás jelentősen csökkent, ha helyette földgáz hőforrást használnak, ami jelzi annak befolyását a környezeti mutatókra az LCA-számításokban.

Csapadék

Az alumínium egy lágy, ezüstös színű fém, amely a természetben oxigénhez kötődve fordul elő ásványokban és kőzetekben, például bauxitban. Az alumínium előállításához azonban a bauxitot előbb fel kell dolgozni - ehhez víz és különböző szennyeződések, például vas-oxid, szilícium-dioxid és vas-oxid hozzáadása szükséges; csak a 30-66% timföld koncentrációjú bauxitokat érdemes gazdaságosan feldolgozni. Csak bizonyos országok rendelkeznek elegendő mennyiségű, gazdaságos timföldkoncentrációjú lelőhellyel ahhoz, hogy kielégítsék a világ alumíniumigényét.

A timföld előállításához a bauxitot először magas hőmérsékleten, emésztés útján nátronlúgban kell feloldani - ezt a folyamatot emésztésnek nevezik. Ha ez a folyamat befejeződött, az oldatot sűrítőkben kell tisztítani, mielőtt vörösiszap- és nátrium-aluminát-oldatokra választják szét - a vörösiszap a bauxitfeldolgozásból származó oldhatatlan maradék; míg a nátrium-aluminát-oldatokat magas tartályokon, úgynevezett csapadékleválasztókon keresztül vezetik, ahol alumínium-hidroxid magokat (nagyon apró részecskéket) adnak hozzá, így hűtéskor ezek a magok elősegítik a szilárd alumínium-hidroxid kristályok kialakulását, amelyek a tartályok aljára ülepednek, mielőtt eltávolítják őket, lehetővé téve a további feldolgozást vagy ártalmatlanítást.

Minden tonna előállított alumínium után legalább két tonna hulladék keletkezik, beleértve a bányászati hulladékokat, a timföldgyártásból származó termelési maradékokat és egyéb törmelékanyagokat vagy szilárd hulladékokat. Az olvasztás üvegházhatású gázokat is kibocsát.

A bauxitbányászat intenzív, nehéz gépeket igénylő, munkaigényes folyamat meredek, kíméletlen terepen. Továbbá az olyan berendezések, mint a kaparók és fúrók működtetése egész testre kiterjedő vibrációt okozhat, amely mozgásszervi megbetegedésekhez és gerincbetegségekhez vezet, valamint a vibráló szerszámok, például kalapácsok és elektromos szerszámok használatából eredő kéz-kar vibrációt, ami tovább növeli ezt a kockázatot.

Bár léteznek savas és elektrotermikus eljárások a timföld előállítására, ezek drágák. A Bayer-eljárás a domináns finomítási módszer, amely négy lépésből - feltárás, tisztítás, kicsapás és kalcinálás - áll, és amelyet a finomításhoz használnak. Ausztrália, Kína és Oroszország jelenleg a világ három legnagyobb termelője; Ausztrália bányákkal és finomítókkal rendelkezik Nyugat-Ausztráliában (Kwinana és Wagerup) és Queenslandben; Tasmania Queensland Yarwun alumíniumkohókkal, míg Kína nagymértékben támaszkodik az Ausztráliából, Brazíliából, Guineából stb. származó importra.

Kalcinálás

A bauxit, az alumínium elsődleges érce, gyakran képez laterit vagy durikruszt néven ismert, időjárás okozta takarókat különböző, alumíniumtartalmú ásványokat, többek között vas-oxidokat, szilícium-dioxidot és titán-oxidot tartalmazó kőzettípusok felett. A timföldet a laterit/durikruszt rétegek feltárásával és kicsapásával lehet kinyerni.

A timföld kalcinálásával kereskedelmi forgalomban tiszta alumínium-oxidot állítanak elő. Szűréssel és mosással eltávolítják a belekerült marószert és oldatot, majd forgókemencékben vagy helyhez kötött fluidágyas gyorskalcinátorokban 960 °C-ra (1750 °F) hevítik a folyamat befejezéséhez.

A gibbsite és a böhmit a kalcinálás során OH-csoportok felszabadításával, akár 30% vízveszteséggel alfa-alumínium-dioxiddá alakul át, ami kiváló átalakulási sebességet és terméktulajdonságokat biztosít. A maximális hatékonyság és az optimális átalakulási arányok érdekében a gibbitnek a böhmithez képest nagyobb átlagos szemcsemérettel kell rendelkeznie a legjobb átalakulási arányok és terméktulajdonságok eléréséhez - amit az is alátámaszt, hogy a felülete közel 280-szor nagyobb, mint a megfelelő GB prekurzoré.

Ezek a texturális paraméterek kritikusak a katalizátorként és abszorbensként való felhasználásra szabott alumínium-oxid porok létrehozásában, valamint a kopásállóság és az alacsony LOI-érték meghatározásában. A gyártás után ezt a timföldet beolvasztják, hogy fémes alumíniumot állítsanak elő.

Az olvasztás során a timföldet magas hőmérsékleten, elektromos ívkemencében kell hevíteni, hogy olvadt alumíniumot állítsanak elő, miközben a szennyeződéseket, például vasat és szilíciumot elektrokémiai anódok segítségével távolítják el, így a katódokon csak tiszta alumínium marad, amelyet a további feldolgozáshoz öntvényekbe öntve tovább kell feldolgozni.

A timföldet ezután tovább lehet dolgozni, hogy bauxitot állítsanak elő, amelyet különböző termékek előállításához használnak fel, alumíniumtartalma 10%-30% között mozog. A műanyag egy rendkívül rugalmas anyag, amely több fizikai tulajdonsággal rendelkezik, mint például szilárdsága, keménysége és elektromos vezetőképessége. Megtalálható építőanyagokban, például ablakokban és ajtókban, valamint autóipari alkalmazásokban, például fékbetétekben és sebességváltó-alkatrészekben. A bauxit széles körben elismert, nem mérgező ásvány, amely nem jelent jelentős veszélyt sem az emberekre, sem a környezetre. A bányaiparnak azonban szigorúan kezelnie kell a környezeti kockázatokat, amelyekkel találkozik; a régebbi timföldfinomítók azbeszttartalmú ásványokat tartalmazhatnak, amelyeket kapcsolatba hoztak a mezoteliómával és más tüdőbetegségekkel.

Finomítás

A timföld (más néven alumínium-oxid) az alumínium előállításához szükséges fő nyersanyag, amelyet bauxit finomításával és finomításával nyernek. A finomított timföldet ezután elektrolitikus eljárással elsődleges alumínium előállítására lehet felhasználni; nagyjából két tonna szükséges egy előállított tonnára. A finomított timföldet víztisztító közegként, valamint az acélgyártás, a tűzálló anyagok és a kerámiaipar adalékanyagaként is használják.

A timföldgyártás a Bayer-folyamatot követi, amely egy négylépcsős eljárás. A feltárás a bauxit és a nátronlúg nagyon magas hőmérsékleten, speciális feltáróedényekben történő keverésével kezdődik; a kicsapás ezt követően mechanikus keveréssel, nyitott tartályokban mechanikusan kavarva nyerik ki a timföldkristályokat ebből az oldatból; a kicsapott timföldet ezután gravitációs vagy ciklon segítségével különböző méretűre osztályozzák - a nagyobb méretűek kalcinálásra kerülnek, míg a kisebbek tisztításra kerülnek.

A bauxitbányák a bányászati és finomítási folyamatok eredményeként jelentős mennyiségű hulladékot termelnek, például talajszennyezést, timföldfinomságot és egyéb hulladékanyagokat. A timföldfinomítók minden tonna előállított timföld után körülbelül két-két és 2,5 tonna szilárd hulladékot termelnek - e hulladék egy része még mérgező tenormint (TENORM) is tartalmazhat.

A biztonság mind a bauxitbányászat, mind a bauxitfinomítás során rendkívül fontos, mivel a munkavállalók mindkét tevékenység során ki vannak téve az egészséget és a biztonságot veszélyeztető tényezőknek. Bizonyos bányahelyeken a munkásokat szigorúan ellenőrzik a rovarcsípések szempontjából, ahol a kockázat csökkentése érdekében szúnyoghálót vagy más megelőző intézkedéseket alkalmazhatnak; malária elleni védekezés ajánlott, míg a helyszíntől függően sárgaláz elleni védőoltás is szükséges lehet.

A világon mindössze 20 országban működik timföldfinomító, a legtöbb Kínában, Brazíliában és Ausztráliában. Az ezekből az olajfinomítókból származó timföldet jellemzően az alumíniumkohóknak adják el nyersanyagként az elsődleges gyártáshoz, a fennmaradó mennyiséget pedig más gyártóknak adják el különböző felhasználási célokra. A finomítók optimális működéséhez jelentős idő-, pénz- és humánerőforrás-beruházásokra van szükség.