Mineração de bauxita e alumina

O minério de bauxita com altas concentrações de óxidos de alumínio (65% ou mais) só pode ser extraído de forma economicamente viável quando localizado próximo a regiões tropicais em ambos os lados do Equador; os depósitos de gibbsita e boehmita geralmente se encontram nessas localidades, enquanto a diaspora está predominantemente localizada nas regiões do norte.

O processo Bayer envolve quatro etapas: digestão, clarificação, precipitação e calcinação. Os resultados relativos ao consumo de energia desses processos são apresentados a seguir, com base em simulações de ACV que utilizam, como exemplos, a gibbsita e a bauxita do tipo boehmita-diaspora.

Digestão

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, e sua principal fonte de produção é a bauxita (Al₂O₃), extraída de minas a céu aberto e transportada para refinarias, onde é transformada em alumínio por meio do processo de Bayer. O consumo de energia durante o refino inclui a digestão da bauxita e a calcinação da alumina — sendo que a queima de gás natural é responsável por 66% das emissões de gases de efeito estufa desse processo.

A digestão da bauxita é a etapa inicial do processo Bayer. A concentração de soda cáustica desempenha um papel significativo na determinação de sua digestibilidade; a eficiência aumenta com o aumento da concentração, até atingir seu valor máximo de 260 g/L.

A moagem úmida do minério de bauxita em moinhos de barras, moinhos de bolas ou moinhos semiautógenos produz uma pasta fina que é então transferida para tanques de digestão, onde é misturada com água quente sob alta pressão e temperatura para formar o “licor verde”. Os resíduos de lama vermelha são então separados e lavados por meio de ciclones primários e espessadores de raspagem, e seus resíduos são devolvidos para uma nova digestão como “licor usado”.”

A digestão Bayer da bauxita não magnética envolve a separação dos minerais ferrosos da alumina por meio de processos de calcinação redutora e separação magnética, sendo a diaoyudaoita e o aluminosilicato de sódio as principais fontes de alumina quando processadas em temperaturas de digestão mais baixas.

A etapa de digestão é a que apresenta as maiores necessidades energéticas no refino da alumina, devido ao elevado consumo de energia térmica utilizada para aquecer a soda cáustica. Além disso, o consumo de água e eletricidade também é substancial durante essa etapa. Ao considerar um mix energético médio da UE para fins de análise, os resultados da ACV indicam 639 kg de emissões equivalentes de CO₂ produzidas diretamente por tonelada produzida pelo processo Bayer, utilizando gás natural como fonte de calor no processo de digestão; as emissões diminuíram substancialmente quando se utilizou gás natural como fonte de calor, indicando sua influência sobre os indicadores ambientais nos cálculos da ACV.

Precipitação

O alumínio é um metal macio e prateado que ocorre naturalmente ligado ao oxigênio em minerais e rochas como a bauxita. Para produzir alumínio, no entanto, a bauxita precisa primeiro ser processada — isso requer a adição de água e de várias impurezas, como óxido de ferro, sílica e óxido férrico; apenas as bauxitas com concentrações de 30-66% de alumina são economicamente viáveis para o processamento. Apenas alguns países possuem depósitos suficientes com concentrações de alumina economicamente viáveis para atender à demanda mundial de alumínio.

Para produzir alumina, a bauxita deve primeiro ser dissolvida em soda cáustica em altas temperaturas por meio da digestão — esse processo é conhecido como digestão. Uma vez concluída, a solução deve então ser clarificada em espessadores antes de ser separada em lama vermelha e soluções de aluminato de sódio — sendo a lama vermelha conhecida como o resíduo insolúvel do processamento da bauxita; enquanto as soluções de aluminato de sódio são conduzidas a tanques altos chamados precipitadores, onde são adicionadas sementes de hidróxido de alumínio (partículas muito pequenas) para que, ao esfriarem, essas sementes promovam a formação de cristais sólidos de hidróxido de alumínio que se depositam no fundo desses tanques antes de serem removidos, permitindo o processamento posterior ou o descarte.

São geradas pelo menos duas toneladas de resíduos para cada tonelada de alumínio produzida, incluindo resíduos de mineração, resíduos da produção de alumina e outros materiais de sucata ou resíduos sólidos. A fundição também libera gases de efeito estufa.

A mineração de bauxita é um processo que exige mão de obra intensiva e o uso de maquinário pesado em terrenos íngremes e adversos. Além disso, a operação de equipamentos como raspadores e perfuratrizes pode causar vibração em todo o corpo, o que leva a problemas musculoesqueléticos e distúrbios na coluna vertebral, bem como vibração nas mãos e nos braços decorrente do uso de ferramentas vibratórias, como martelos e ferramentas elétricas — o que aumenta ainda mais esse risco.

Embora existam processos ácidos e eletrotérmicos para a produção de alumina, eles são caros. O processo Bayer é o método de refino predominante e consiste em quatro etapas — digestão, clarificação, precipitação e calcinação — utilizadas para refiná-la. Austrália, China e Rússia são atualmente os três maiores produtores mundiais; a Austrália possui minas e refinarias na Austrália Ocidental (Kwinana e Wagerup) e em Queensland; entre elas, as fundições de alumínio de Tasmânia, Queensland e Yarwun, enquanto a China depende fortemente de importações da Austrália, Brasil, Guiné etc. para sua produção.

Calcinação

A bauxita, o minério principal do alumínio, costuma formar camadas intemperizadas conhecidas como laterita ou duricrosta sobre diversos tipos de rochas que contêm minerais ricos em alumina, incluindo óxidos de ferro, dióxido de silício e óxido de titânio. A alumina pode ser extraída por meio da digestão e precipitação das camadas de laterita/duricrosta.

A calcinação da alumina produz óxido de alumínio comercialmente puro. O material é filtrado e lavado para remover a soda cáustica e a solução retidas e, em seguida, aquecido em fornos rotativos ou em calcinadores instantâneos de leito fluidizado estacionários a temperaturas de até 960 °C (1.750 °F) para concluir esse processo.

A gibbsita e a boehmita sofrem transformação durante a calcinação, formando alúmina alfa por meio da liberação de grupos OH, com perda de água de até 30%, proporcionando taxas de transformação e propriedades do produto superiores. Para obter a máxima eficácia e taxas de transformação ideais, a gibbsita deve apresentar tamanhos médios de partículas maiores em relação à boehmita, a fim de garantir as melhores taxas de transformação e propriedades do produto — o que é comprovado pelo fato de sua área superficial ser quase 280 vezes maior do que a de seu precursor GB.

Esses parâmetros texturais são fundamentais para a criação de pós de alumina personalizados, adaptados para uso como catalisadores e absorventes, bem como para determinar sua resistência ao desgaste e seu baixo valor de LOI. Após sua fabricação, essa alumina é então fundida para produzir alumínio metálico.

A fundição envolve o aquecimento da alumina em altas temperaturas em um forno elétrico a arco para produzir alumínio fundido, enquanto impurezas como ferro e silício são removidas por meio de ânodos eletroquímicos, deixando apenas alumínio puro nos cátodos para ser moldado em lingotes para processamento posterior.

A alumina pode, então, ser submetida a novos processos para produzir bauxita, utilizada na fabricação de diversos produtos, com seu teor de alumínio variando entre 10% e 30% em peso. O plástico é um material excepcionalmente flexível, com múltiplas características físicas, como resistência, dureza e condutividade elétrica. Ele pode ser encontrado em materiais de construção, como janelas e portas, bem como em aplicações automotivas, como lonas de freio e componentes de transmissão. A bauxita é amplamente reconhecida como um mineral não tóxico que não representa ameaças significativas nem para as pessoas nem para o meio ambiente. No entanto, o setor de mineração deve gerenciar rigorosamente os riscos ambientais que enfrenta; refinarias de alumina mais antigas podem conter minerais com amianto, que têm sido associados ao mesotelioma, bem como a outras doenças pulmonares.

Refino

A alumina (também conhecida como óxido de alumínio) é a principal matéria-prima necessária para a produção de alumínio, obtida por meio do refino da bauxita e posteriormente refinada. A alumina refinada pode então ser utilizada para produzir alumínio primário por meio de um processo eletrolítico; são necessárias aproximadamente duas toneladas por tonelada produzida. A alumina refinada também é utilizada como meio de purificação de água, bem como aditivo na produção de aço, em refratários e na indústria cerâmica.

A produção de alumina segue o Processo Bayer, um procedimento de quatro etapas. A digestão começa com a mistura de bauxita com soda cáustica a temperaturas muito altas em vasos digestores especiais; em seguida, a precipitação recupera os cristais de alumina dessa solução por meio de agitação mecânica em tanques abertos; a alumina precipitada é então classificada por gravidade ou ciclone em vários tamanhos — os de tamanho maior seguem para a calcinação, enquanto os menores são encaminhados para a clarificação.

As minas de bauxita geram resíduos significativos como resultado dos processos de mineração e refino, tais como contaminação do solo, finos de alumina e outros materiais residuais. As refinarias de alumina produzem cerca de duas a 2,5 toneladas de resíduos sólidos para cada tonelada de alumina produzida — parte desses resíduos pode até conter tenormina (TENORM) tóxica.

A segurança é de extrema importância tanto durante as operações de extração quanto de refino da bauxita, já que os trabalhadores estão expostos a riscos à saúde e à segurança associados a ambas as atividades. Os trabalhadores são monitorados de perto quanto a possíveis picadas de insetos em determinados locais da mina, onde podem ser utilizadas redes mosquiteiras ou outras medidas preventivas para reduzir esse risco; a profilaxia contra a malária pode ser recomendada, enquanto a vacinação contra a febre amarela também pode ser exigida, dependendo do local.

Apenas 20 países em todo o mundo operam refinarias de alumina, sendo que a maioria está localizada na China, no Brasil e na Austrália. A alumina produzida nessas refinarias é normalmente vendida a fundições de alumínio como matéria-prima para a produção primária, e qualquer quantidade restante é vendida a outros fabricantes para diversos usos. As refinarias exigem investimentos significativos de tempo, dinheiro e recursos humanos para que operem de maneira ideal.