Utvinning av bauksitt og alumina

Bauksittmalm med høye konsentrasjoner av aluminiumoksider (65% eller mer) kan bare utvinnes økonomisk i nærheten av tropiske områder på begge sider av ekvator; gibbsitt- og boehmitforekomster ligger typisk i disse områdene, mens diaspor hovedsakelig finnes i nordlige regioner.

Bayer-prosessen består av fire trinn: oppslutning, klaring, utfelling og kalsinering. Nedenfor vises resultatene av energiforbruket for disse prosessene ved hjelp av LCA-simuleringer med gibbsitt og boehmite-diaspore bauksitt som eksempler.

Fordøyelsen

Aluminium er det tredje mest forekommende grunnstoffet på jordskorpen, og hovedkilden til produksjonen er bauksitt (Al2O3), som utvinnes i dagbrudd og transporteres til raffinerier der det bearbeides til aluminium ved hjelp av Bayer-prosessen. Energiforbruket under raffineringen omfatter nedbrytning av bauksitt og kalsinering av alumina - og forbrenning av naturgass står for 66% av klimagassutslippene fra denne prosessen.

Utråtning av bauksitt er det første trinnet i Bayer-prosessen. Konsentrasjonen av kaustisk soda spiller en viktig rolle for fordøyeligheten; effektiviteten øker med økende konsentrasjon opp til en maksimumsverdi på 260 g/L.

Våtmaling av bauksittmalm i stangkverner, kulekverner eller semiautogene kverner gir en fin slurry som deretter overføres til oppslutningstanker der den blandes med varmt vann ved høyt trykk og høy temperatur for å danne "grønnlut". Rester av rød slam skilles ut og vaskes av ved hjelp av sykloner og fortykningsmaskiner, og restene returneres til mer utråtning som "brukt væske".

Bayer-oppslutning av ikke-magnetisk bauksitt innebærer separasjon av jernholdige mineraler fra aluminiumoksid gjennom reduksjonssteking og magnetiske separasjonsprosesser, der diaoyudaoitt og natriumaluminosilikat er de viktigste kildene til aluminiumoksid når de behandles ved lavere oppslutningstemperaturer.

Oppslutningstrinnet er det mest energikrevende trinnet ved raffinering av alumina, på grunn av det store forbruket av termisk energi som brukes til oppvarming av kaustisk soda. I tillegg er forbruket av vann og elektrisitet også betydelig i dette trinnet. Når man tar utgangspunkt i en gjennomsnittlig energimiks i EU for analyseformål, viser LCA-resultatene at 639 kg CO2-ekvivalenter ble direkte produsert per tonn produsert med Bayer-prosessen ved bruk av naturgass som varmekilde i oppslutningsprosessen; utslippene ble betydelig redusert når man i stedet brukte naturgass som varmekilde, noe som indikerer dens innflytelse på miljøindikatorene i LCA-beregningene.

Nedbør

Aluminium er et mykt, sølvfarget metall som forekommer naturlig bundet med oksygen i mineraler og bergarter som bauksitt. For å produsere aluminium må bauksitt imidlertid først bearbeides - noe som krever tilsetning av vann og ulike urenheter som jernoksid, silisiumdioksyd og jern(III)oksyd. Det er bare bauksitt med en konsentrasjon på 30-66% alumina som det er økonomisk fornuftig å bearbeide. Det er bare visse land som har tilstrekkelige forekomster med tilstrekkelige økonomiske aluminakonsentrasjoner til å dekke verdens etterspørsel etter aluminium.

For å produsere alumina må bauksitt først løses opp i kaustisk soda ved høye temperaturer gjennom fordøyelse - denne prosessen kalles oppslutning. Når oppløsningen er ferdig, må den deretter klarnes i fortykningsmidler før den separeres i rødt slam og natriumaluminatløsninger - rødt slam er kjent som det uoppløselige restproduktet fra bauksittprosesseringen, mens natriumaluminatløsninger føres gjennom høye tanker som kalles utfellere, der aluminiumhydroksidfrø (svært små partikler) tilsettes, slik at disse frøene ved avkjøling fremmer dannelsen av faste aluminiumhydroksidkrystaller som legger seg på bunnen av disse tankene før de fjernes fra dem, slik at de kan bearbeides videre eller deponeres.

For hvert tonn aluminium som produseres, genereres det minst to tonn avfall, inkludert gruveavfall, produksjonsrester fra aluminaproduksjon og annet skrapmateriale eller fast avfall. Smelting frigjør også klimagasser.

Bauksittgruvedrift er en arbeidsintensiv prosess som krever tunge maskiner i bratt, utilgivende terreng. I tillegg kan bruk av utstyr som skrapere og boremaskiner forårsake helkroppsvibrasjoner som kan føre til muskel- og skjelettlidelser og rygglidelser, samt hånd- og armvibrasjoner fra vibrerende verktøy som hammere og elektroverktøy - noe som øker risikoen ytterligere.

Selv om det finnes syre- og elektrotermiske prosesser for å produsere alumina, er de kostbare. Bayer-prosessen er den dominerende raffineringsmetoden, og består av fire trinn - oppslutning, klaring, utfelling og kalsinering - som brukes til å raffinere det. Australia, Kina og Russland er for tiden verdens tre største produsenter. Australia har gruver og raffinerier i Vest-Australia (Kwinana og Wagerup) og Queensland; Tasmania Queensland har blant annet aluminiumsmelteverket Yarwun, mens Kina i stor grad baserer sin produksjon på import fra Australia, Brasil, Guinea osv.

Kalsinering

Bauksitt, den primære aluminiummalmen, danner ofte forvitrede tepper, kjent som lateritt eller duricrust, over ulike bergarter som inneholder aluminabærende mineraler, blant annet jernoksider, silisiumdioksid og titanoksid. Alumina kan utvinnes ved å spalte og felle ut lateritt/duricrust-lagene.

Kalsinering av aluminiumoksid gir kommersielt rent aluminiumoksid. Det filtreres og vaskes for å fjerne medfølgende kaustisk væske og oppløsning, og varmes deretter opp til 960 grader C (1750 grader F) i enten roterovner eller stasjonære flashkalsinatorer med fluidisert seng for å fullføre denne prosessen.

Gibbsitt og boehmit omdannes til alfa-aluminiumoksid under kalsinering via frigjøring av OH-grupper med et vanntap på opptil 30%, noe som gir overlegne omdannelseshastigheter og produktegenskaper. For å oppnå maksimal effektivitet og optimale omdannelseshastigheter bør gibbsitt ha større gjennomsnittlige partikkelstørrelser enn boehmit for å oppnå de beste omdannelseshastighetene og produktegenskapene - noe som understøttes av at overflatearealet er nesten 280 ganger større enn den tilsvarende GB-forløperen.

Disse teksturparametrene er avgjørende for å kunne lage skreddersydde aluminapulver som er skreddersydd for bruk som katalysatorer og absorbenter, samt for å bestemme slitestyrken og den lave LOI-verdien. Når aluminiumoksidet er produsert, smeltes det ned for å produsere metallisk aluminium.

Smelting krever oppvarming av aluminiumoksid ved høye temperaturer i en elektrisk lysbueovn for å produsere smeltet aluminium, mens urenheter som jern og silisium fjernes via elektrokjemiske anoder, slik at det bare er rent aluminium igjen på katoder som kan støpes i barrer for videre bearbeiding.

Aluminiumoksid kan deretter bearbeides videre til bauksitt, som brukes til å produsere ulike produkter med et aluminiuminnhold på mellom 10%-30% i vekt. Plast er et usedvanlig fleksibelt materiale med mange fysiske egenskaper, som styrke, hardhet og elektrisk ledningsevne. Det finnes i byggematerialer som vinduer og dører samt i bilindustrien, for eksempel bremsebelegg og transmisjonskomponenter. Bauksitt er allment anerkjent som et ugiftig mineral som ikke utgjør noen vesentlig trussel mot verken mennesker eller miljø. Gruveindustrien må imidlertid håndtere miljørisikoen strengt; eldre aluminaraffinerier kan inneholde asbestholdige mineraler som har blitt satt i forbindelse med mesoteliom og andre lungesykdommer.

Raffinering

Alumina (også kjent som aluminiumoksid) er det viktigste råstoffet som kreves for å produsere aluminium, og det utvinnes gjennom raffinering av bauksitt og raffineres. Raffinert alumina kan deretter brukes til å produsere primæraluminium gjennom en elektrolytisk prosess; det trengs omtrent to tonn per tonn produsert aluminium. Raffinert alumina brukes også til vannrensing og som tilsetningsstoff i stålproduksjon, ildfaste materialer og keramikkindustrien.

Alumina produseres etter Bayer-prosessen, en prosedyre i fire trinn. Utråtning begynner med at bauksitt blandes med kaustisk soda ved svært høye temperaturer i spesielle utråtningskar. Deretter feller man ut aluminakrystaller fra denne løsningen ved hjelp av mekanisk omrøring i åpne tanker, og den utfelte aluminaen klassifiseres deretter ved hjelp av tyngdekraft eller syklon i ulike størrelser - de største størrelsene går videre til kalsinering, mens de minste sendes til klaring.

Bauksittgruver produserer betydelige mengder avfallsprodukter som følge av gruve- og raffineringsprosessene, for eksempel jordforurensning, aluminafinner og annet avfall. Alumina-raffinerier produserer mellom to og 2,5 tonn fast avfall for hvert tonn alumina som produseres - og noe av dette avfallet kan til og med inneholde giftig tenormin (TENORM).

Sikkerheten er av største betydning både under bauksittgruvedrift og raffinering, og arbeiderne utsettes for helse- og sikkerhetsrisikoer i forbindelse med begge aktivitetene. I enkelte gruver overvåkes arbeiderne nøye for insektstikk, og myggnett eller andre forebyggende tiltak kan bli brukt for å redusere risikoen. Malariaprofylakse kan bli anbefalt, mens gulfebervaksinasjon også kan være påkrevd, avhengig av hvor gruven befinner seg.

Bare 20 land i verden driver aluminaraffinerier, og de fleste ligger i Kina, Brasil og Australia. Alumina som produseres ved disse raffineriene, selges vanligvis til aluminiumsmelteverkene som råmateriale for primærproduksjon, mens den resterende mengden selges til andre produsenter for ulike bruksområder. Raffineriene krever betydelige investeringer i tid, penger og menneskelige ressurser for å fungere optimalt.