Boksīta un alumīnija oksīda ieguve

Boksīta rūdu ar augstu alumīnija oksīdu koncentrāciju (65% vai vairāk) ekonomiski izdevīgi var ieguvi tikai tad, ja tā atrodas tropu reģionu tuvumā abpus ekvatoram; gibbsīta un bēhmīta atradnes parasti atrodas šajās vietās, savukārt diasporu galvenokārt sastopam ziemeļu reģionos.

Bayer procesā ir četri posmi: hidrolīze, attīrīšana, nogulsnēšana un kalcinēšana. Turpmāk ir parādīti šo procesu enerģijas patēriņa rādītāji, izmantojot LCA simulācijas, kurās kā piemēri izmantoti gibbsīta un bēhmīta-diasporas boksīti.

Gremošana

Alumīnijs ir trešais visvairāk sastopamais elements Zemes garozā, un tā galvenais ražošanas avots ir boksīts (Al₂O₃), ko ieguva atklātās raktuvēs un transportēja uz rafinēšanas rūpnīcām, kur to pārstrādāja alumīnijā, izmantojot Beijera procesu. Enerģijas patēriņš rafinēšanas procesā ietver boksīta hidrolīzi un alumīnija oksīda kalcinēšanu – dabasgāzes sadedzināšana veido 66% siltumnīcefekta gāzu emisiju no šī procesa.

Boksīta hidrolīze ir Beijera procesa sākotnējais posms. Kodīgās sodas koncentrācijai ir būtiska nozīme, nosakot boksīta hidrolizējamību; procesa efektivitāte palielinās līdz ar koncentrācijas pieaugumu līdz maksimālajai vērtībai — 260 g/l.

Boksīta rūdas mitrā malšana stieņu dzirnavās, lodīšu dzirnavās vai pusautogēnajās dzirnavās rada smalku šķidrumu, ko pēc tam pārsūta uz hidrolīzes tvertnēm, kur to sajauc ar karstu ūdeni augstā spiedienā un temperatūrā, veidojot “zaļo šķidrumu”. Pēc tam sarkano dūņu atliekas tiek atdalītas un izskalotas, izmantojot primāros ciklonus un grābekļu sabiezētājus, un to atliekas tiek nosūtītas atpakaļ turpmākai hidrolīzei kā “izlietotais šķīdums”.”

Nemagnētiskā boksīta apstrāde pēc Bajera metodes ietver dzelzi saturošo minerālu atdalīšanu no alumīnija oksīda, izmantojot reducējošo apdedzināšanu un magnētiskās atdalīšanas procesus, turklāt, apstrādājot zemākās temperatūrās, galvenie alumīnija oksīda avoti ir diaoyudaoīts un nātrija alumīnijsilikāts.

Fermentācijas posms ir visenergoietilpīgākais posms alumīnija oksīda rafinēšanā, jo tajā tiek patērēts liels siltumenerģijas daudzums, kas nepieciešams kodīgās sodas sildīšanai. Turklāt šajā posmā ir ievērojams arī ūdens un elektroenerģijas patēriņš. Analīzes nolūkos, ņemot vērā vidējo ES enerģijas avotu kombināciju, LCA rezultāti liecina, ka, izmantojot Bayer procesu un dabasgāzi kā siltuma avotu fermentācijas procesā, uz katru saražoto tonnu tieši rodas 639 kg CO2 ekvivalenta emisiju; emisijas ievērojami samazinājās, ja tika izmantota dabasgāze kā siltuma avots, kas norāda uz tās ietekmi uz vides rādītājiem LCA aprēķinos.

Nokrišņi

Alumīnijs ir mīksts, sudrabots metāls, kas dabā sastopams saistīts ar skābekli minerālos un iežos, piemēram, boksītā. Tomēr, lai ražotu alumīniju, boksīts vispirms ir jāpārstrādā – tam nepieciešams pievienot ūdeni un dažādus piemaisījumus, piemēram, dzelzs oksīdu, silīciju un dzelzs(III) oksīdu; ekonomiski izdevīgi pārstrādāt ir tikai tos boksītus, kuru alumīnija oksīda koncentrācija ir 30–66%. Tikai atsevišķām valstīm ir pietiekami lieli nogulumu krājumi ar pietiekami augstu alumīnija oksīda koncentrāciju, lai apmierinātu pasaules alumīnija pieprasījumu.

Lai ražotu alumīnija oksīdu, boksīts vispirms jāizšķīdina kodīgā sodā augstā temperatūrā, izmantojot hidrolīzes procesu – šo procesu sauc par hidrolīzi. Pēc procesa pabeigšanas šķīdums ir jāattīra sabiezēšanas iekārtās, pirms to sadala sarkanajos nogulsnēs un nātrija alumīnāta šķīdumos – sarkanās nogulsnes ir pazīstamas kā nešķīstošs atlikums no boksīta pārstrādes; savukārt nātrija alumīnāta šķīdumi tiek novadīti caur augstām tvertnēm, ko sauc par nogulsnētājiem, kur tiek pievienotas alumīnija hidroksīda sēklas (ļoti sīkas daļiņas), lai atdziestot šīs sēklas veicina cietu alumīnija hidroksīda kristālu veidošanos, kas nogulsnās šo tvertņu dibenā, pirms tos no tām izņem, ļaujot veikt turpmāku pārstrādi vai apglabāšanu.

Par katru saražoto alumīnija tonnu rodas vismaz divas tonnas atkritumu, ieskaitot ieguves atkritumus, alumīnija oksīda ražošanas atlikumus un citus lūžņus vai cietos atkritumus. Kausēšanas procesā tiek izdalītas arī siltumnīcefekta gāzes.

Boksīta ieguve ir darbietilpīgs process, kas prasa smago tehniku stāvā, grūti pārvaramā reljefā. Turklāt tādu iekārtu kā skrāpju un urbju ekspluatācija var izraisīt visa ķermeņa vibrāciju, kas noved pie muskuļu un skeleta sistēmas slimībām un mugurkaula traucējumiem, kā arī roku un plaukstu vibrāciju, ko rada vibrējošu instrumentu, piemēram, āmuru un elektrisko instrumentu, lietošana – kas vēl vairāk palielina šo risku.

Lai gan alumīnija oksīda ražošanai tiek izmantoti skābes un elektrotermiskie procesi, tie ir dārgi. Dominējošā rafinēšanas metode ir Beijera process, kas sastāv no četriem posmiem — hidrolīzes, attīrīšanas, nogulsnēšanas un kalcinēšanas —, kurus izmanto alumīnija oksīda rafinēšanai. Austrālija, Ķīna un Krievija pašlaik ir trīs lielākie ražotāji pasaulē; Austrālijai ir raktuves un rafinēšanas rūpnīcas Rietumaustrālijā (Kvinanā un Vagerupā) un Kvīnslendā; starp tām ir arī Tasmānijas un Kvīnslendas Jarvunas alumīnija kausētavas, savukārt Ķīna savai ražošanai lielā mērā paļaujas uz importu no Austrālijas, Brazīlijas, Gvinejas utt.

Kalcinēšana

Boksīts, kas ir galvenā alumīnija rūda, bieži veido izkliedētas kārtas, kuras pazīstamas kā laterīts vai durikrusta, uz dažādiem iežu veidiem, kas satur alumīnija oksīdu saturošus minerālus, tostarp dzelzs oksīdus, silīcija dioksīdu un titāna oksīdu. Alumīnija oksīdu var iegūt, apstrādājot un nogulsnējot laterīta/durikrusta slāņus.

Alumīnija oksīda kalcinēšanas rezultātā rodas komerciāli tīrs alumīnija oksīds. Lai no tā atdalītu iekļuvušo sārmu un šķīdumu, to filtrē un mazgā, pēc tam, lai pabeigtu šo procesu, to uzkarsē vai nu rotācijas krāsnīs, vai stacionārās cirkulācijas slāņa ātrās kalcinēšanas iekārtās līdz 960 °C (1 750 °F).

Gibbsīts un bēmīts kalcinācijas laikā pārveidojas par alfa-alumīniju, atbrīvojot OH grupas un zaudējot līdz pat 30% ūdens, nodrošinot izcilus pārveidošanās ātrumus un produkta īpašības. Lai panāktu maksimālu efektivitāti un optimālus pārveidošanās ātrumus, gibbsītam vajadzētu būt lielākam vidējam daļiņu izmēram salīdzinājumā ar bēmītu, kas nodrošina labākus pārveidošanās ātrumus un produkta īpašības – to apstiprina arī tā virsmas laukums, kas ir gandrīz 280 reizes lielāks nekā tā analogajam GB prekursoram.

Šie tekstūras parametri ir izšķiroši, lai izgatavotu īpaši pielāgotus alumīnija oksīda pulverus, kas paredzēti izmantošanai kā katalizatori un absorbenti, kā arī lai noteiktu to nodilumizturību un zemo LOI vērtību. Pēc ražošanas šis alumīnija oksīds tiek izkausēts, lai iegūtu metālisku alumīniju.

Kausēšanas procesā alumīnija oksīdu karsē augstā temperatūrā elektriskajā loka krāsnī, lai iegūtu kausētu alumīniju, savukārt piemaisījumi, piemēram, dzelzs un silīcijs, tiek atdalīti ar elektroķīmisko anodu palīdzību, tādējādi uz katodiem paliekot tikai tīram alumīnijam, ko pēc tam izlej lietņos tālākai apstrādei.

Pēc tam alumīnija oksīdu var tālāk pārstrādāt, lai iegūtu boksītu, ko izmanto dažādu izstrādājumu ražošanā, kuru alumīnija saturs svārstās no 10% līdz 30% pēc svara. Plastmasa ir ārkārtīgi elastīgs materiāls ar daudzveidīgām fizikālajām īpašībām, piemēram, izturību, cietību un elektrovadītspēju. To var atrast būvmateriālos, piemēram, logos un durvīs, kā arī automobiļu nozarē, piemēram, bremžu uzlikās un transmisijas detaļās. Boksīts ir plaši atzīts par netoksisku minerālu, kas nerada nozīmīgus draudus ne cilvēkiem, ne videi. Tomēr boksīta ieguves nozarei ir stingri jākontrolē ar to saistītie vides riski; vecākās alumīnija oksīda rafinēšanas rūpnīcās var atrasties azbestu saturoši minerāli, kas saistīti ar mezoteliomu, kā arī citām plaušu slimībām.

Rafinēšana

Alumīnija oksīds (pazīstams arī kā alumīnija oksīds) ir galvenā izejviela, kas nepieciešama alumīnija ražošanai; to iegūst, rafinējot boksītu, un pēc tam attīra. Rafinēto alumīnija oksīdu pēc tam var izmantot primārā alumīnija ražošanai, izmantojot elektrolīzes procesu; uz katru saražoto tonnu ir nepieciešamas aptuveni divas tonnas šīs vielas. Rafinēto alumīnija oksīdu izmanto arī kā ūdens attīrīšanas līdzekli, kā arī kā piedevu tērauda ražošanā, ugunsizturīgo materiālu un keramikas rūpniecībā.

Alumīnija oksīda ražošana notiek saskaņā ar Beijera procesu — četru posmu procedūru. Sadalīšanās sākas, boksītu sajaucot ar kodīgo sodu ļoti augstā temperatūrā īpašās sadalīšanas tvertnēs; pēc tam nogulsnēšanas procesā no šī šķīduma tiek atdalīti alumīnija oksīda kristāli, mehāniski maisot atklātās tvertnēs; nogulsnētais alumīnija oksīds tiek šķirots pēc izmēra, izmantojot gravitāciju vai ciklonu – lielākie kristāli tiek nosūtīti uz kalcinēšanu, bet mazākie – uz attīrīšanu.

Boksīta raktuvēs ieguves un pārstrādes procesu rezultātā rodas ievērojams atkritumu daudzums, piemēram, augsnes piesārņojums, alumīnija oksīda smalkās daļiņas un citi atkritumi. Alumīnija oksīda rafinēšanas rūpnīcās uz katru saražoto alumīnija oksīda tonnu rodas aptuveni 2–2,5 tonnas cietu atkritumu — daļa no šiem atkritumiem var saturēt pat toksisko tenormīnu (TENORM).

Drošība ir ārkārtīgi svarīga gan boksīta ieguves, gan pārstrādes darbos, jo darbinieki ir pakļauti ar abām šīm darbībām saistītiem veselības un drošības apdraudējumiem. Noteiktās raktuvju vietās darbiniekus rūpīgi pārbauda, vai nav kukaiņu kodumu, un šajā nolūkā var tikt izmantoti moskītu tīkli vai citi profilakses pasākumi, lai samazinātu šo risku; atkarībā no atrašanās vietas var tikt ieteikta malārijas profilakse, kā arī var būt nepieciešama vakcinācija pret dzelteno drudzi.

Tikai 20 valstīs visā pasaulē darbojas alumīnija oksīda rafinēšanas rūpnīcas, no kurām lielākā daļa atrodas Ķīnā, Brazīlijā un Austrālijā. Šajās rūpnīcās ražotais alumīnija oksīds parasti tiek pārdots alumīnija kausētavām kā izejmateriāls primārajai ražošanai, bet atlikušais daudzums tiek pārdots citiem ražotājiem dažādiem lietojumiem. Lai nodrošinātu optimālu darbību, rafinēšanas rūpnīcām nepieciešami ievērojami laika, finanšu un cilvēkresursu ieguldījumi.