Ťažba bauxitu a oxidu hlinitého

Bauxitová ruda s vysokou koncentráciou oxidov hliníka (65% alebo viac) sa môže ekonomicky ťažiť len vtedy, ak sa nachádza v blízkosti tropických oblastí po oboch stranách rovníka; ložiská gibsitu a boehmitu sa zvyčajne nachádzajú v týchto lokalitách, zatiaľ čo diaspor sa nachádza prevažne v severných oblastiach.

Bayerov proces zahŕňa štyri kroky: rozklad, čistenie, zrážanie a kalcináciu. Výsledky spotreby energie pre tieto procesy sú zobrazené nižšie na základe simulácií LCA s použitím gibsitu a boehmit-diaspórového bauxitu ako príkladov.

Trávenie

Hliník je tretím najrozšírenejším prvkom v zemskej kôre a jeho hlavným zdrojom na výrobu je bauxit (Al2O3), ktorý sa ťaží v povrchových baniach a prepravuje do rafinérií, kde sa spracúva na hliník pomocou Bayerovho procesu. Spotreba energie počas rafinácie zahŕňa rozklad bauxitu a kalcináciu oxidu hlinitého - pričom spaľovanie zemného plynu predstavuje 66% emisií skleníkových plynov z tohto procesu.

Digescia bauxitu je počiatočným krokom procesu Bayer. Koncentrácia hydroxidu sodného zohráva významnú úlohu pri určovaní jeho stráviteľnosti; účinnosť sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou až do jej maximálnej hodnoty 260 g/l.

Mokrým mletím bauxitovej rudy v tyčových, guľových alebo poloautogénnych mlynoch sa získava jemná suspenzia, ktorá sa potom prenáša do vyhnívacích nádrží, kde sa mieša s horúcou vodou pri vysokom tlaku a teplote, aby sa vytvoril “zelený lúh”. Zvyšky červeného bahna sa potom oddelia a premyjú pomocou surových cyklónov a hrabľových zahusťovačov a ich zvyšky sa vrátia na ďalšie vyhnívanie ako “použitý lúh”.”

Bayerova digescia nemagnetického bauxitu zahŕňa separáciu minerálov obsahujúcich železo od oxidu hlinitého prostredníctvom procesov redukčného praženia a magnetickej separácie, pričom diaoyudaoit a hlinitokremičitan sodný sú hlavnými zdrojmi oxidu hlinitého pri spracovaní pri nižších teplotách digescie.

Fáza rozkladu spotrebuje pri rafinácii oxidu hlinitého najviac energie, a to z dôvodu veľkej spotreby tepelnej energie na ohrev kaustickej sódy. Okrem toho je v tejto fáze značná aj spotreba vody a elektrickej energie. Keď sa na účely analýzy uvažuje priemerný energetický mix EÚ, výsledky LCA ukazujú 639 kg ekvivalentných emisií CO2 priamo vyprodukovaných na tonu vyrobenú procesom Bayer s použitím zemného plynu ako zdroja tepla v procese vyhnívania; emisie sa podstatne znížili, keď sa namiesto toho použil zdroj tepla zemný plyn, čo naznačuje jeho vplyv na environmentálne ukazovatele vo výpočtoch LCA.

Zrážky

Hliník je mäkký strieborný kov, ktorý sa prirodzene vyskytuje viazaný s kyslíkom v mineráloch a horninách, ako je bauxit. Na výrobu hliníka sa však bauxit musí najprv spracovať - to si vyžaduje pridanie vody a rôznych nečistôt, ako je oxid železitý, oxid kremičitý a oxid železitý; ekonomicky zmysluplné je spracovanie len tých bauxitov, ktoré majú koncentráciu 30-66% oxidu hlinitého. Iba niektoré krajiny majú dostatočné ložiská s dostatočnou ekonomickou koncentráciou oxidu hlinitého na uspokojenie svetového dopytu po hliníku.

Na výrobu oxidu hlinitého sa bauxit musí najprv pri vysokých teplotách rozpustiť v kaustickej sóde - tento proces sa nazýva digescia. Po dokončení sa roztok musí vyčistiť v zahusťovačoch a potom sa rozdelí na červené bahno a roztoky hlinitanu sodného - červené bahno je známe ako nerozpustný zvyšok zo spracovania bauxitu; zatiaľ čo roztoky hlinitanu sodného prechádzajú vysokými nádržami nazývanými zrážače, do ktorých sa pridávajú semená hydroxidu hlinitého (veľmi malé častice), takže pri ochladzovaní tieto semená podporujú tvorbu pevných kryštálov hydroxidu hlinitého, ktoré sa usadzujú na dne týchto nádrží pred ich odstránením, čo umožňuje ďalšie spracovanie alebo likvidáciu.

Na každú tonu vyrobeného hliníka pripadajú najmenej dve tony odpadu vrátane banského odpadu, zvyškov z výroby oxidu hlinitého a iného šrotu alebo pevného odpadu. Pri tavení sa tiež uvoľňujú skleníkové plyny.

Ťažba bauxitu je náročný pracovný proces, ktorý si vyžaduje ťažké stroje v strmom, neľútostnom teréne. Okrem toho obsluha zariadení, ako sú škrabky a vŕtačky, môže spôsobovať vibrácie celého tela, ktoré vedú k muskuloskeletálnym ochoreniam a poruchám chrbtice, ako aj vibrácie rúk a ramien pri používaní vibrujúcich nástrojov, ako sú kladivá a elektrické náradie, čo toto riziko ešte zvyšuje.

Hoci na výrobu oxidu hlinitého existujú kyslé a elektrotermické procesy, sú drahé. Bayerov proces je dominantnou metódou rafinácie a pozostáva zo štyroch krokov - rozkladu, čistenia, zrážania a kalcinácie - používaných na jeho rafináciu. Austrália, Čína a Rusko sú v súčasnosti tromi najväčšími svetovými výrobcami; Austrália má bane a rafinérie v Západnej Austrálii (Kwinana a Wagerup) a Queenslande; medzi nimi aj hlinikárne Tasmánia Queensland Yarwun, zatiaľ čo Čína sa pri svojej výrobe vo veľkej miere spolieha na dovoz z Austrálie, Brazílie, Guiney atď.

Kalcinácia

Bauxit, primárna ruda hliníka, často vytvára zvetrané pokrývky známe ako laterit alebo durikrust na rôznych typoch hornín obsahujúcich minerály obsahujúce oxid hlinitý vrátane oxidov železa, oxidu kremičitého a oxidu titaničitého. Hliník sa môže získavať rozkladom a vyzrážaním vrstiev lateritu/durikusty.

Kalcináciou oxidu hlinitého sa získava komerčne čistý oxid hlinitý. Na dokončenie tohto procesu sa filtruje a premýva, aby sa odstránila zachytená žieravina a roztok, potom sa zahrieva buď v rotačných peciach, alebo v stacionárnych fluidných kalcinátoroch na 960 stupňov C (1 750 stupňov F).

Gibbsit a boehmit sa počas kalcinácie transformujú na alfa-korund prostredníctvom uvoľnenia OH skupín so stratou vody až 30%, čo zabezpečuje vynikajúcu rýchlosť transformácie a vlastnosti produktu. Na dosiahnutie maximálnej účinnosti a optimálnej rýchlosti transformácie by mal mať gibbsit väčšiu strednú veľkosť častíc v porovnaní s boehmitom, aby sa dosiahla najlepšia rýchlosť transformácie a vlastnosti produktu - čo je podporené tým, že jeho povrch sa zväčšuje takmer 280-krát viac ako jeho ekvivalentný GB prekurzor.

Tieto texturálne parametre sú rozhodujúce pri vytváraní vlastných práškov oxidu hlinitého prispôsobených na použitie ako katalyzátory a absorbenty, ako aj pri určovaní jeho odolnosti proti úbytku a nízkej hodnoty LOI. Po výrobe sa tento oxid hlinitý roztaví na výrobu kovového hliníka.

Tavenie si vyžaduje zahrievanie oxidu hlinitého pri vysokých teplotách v elektrickej oblúkovej peci na výrobu roztaveného hliníka, pričom nečistoty, ako napríklad železo a kremík, sa odstraňujú elektrochemickými anódami, pričom na katódach zostáva len čistý hliník na odlievanie do ingotov na ďalšie spracovanie.

Hliník sa potom môže ďalej spracovávať na výrobu bauxitu, ktorý sa používa na výrobu rôznych výrobkov s obsahom hliníka v rozmedzí 10%-30% hmotnosti. Plast je výnimočne pružný materiál s viacerými fyzikálnymi vlastnosťami, ako je jeho pevnosť, tvrdosť a elektrická vodivosť. Možno ho nájsť v stavebných materiáloch, ako sú okná a dvere, ako aj v automobilovom priemysle, napríklad v brzdových obloženiach a komponentoch prevodovky. Bauxit je všeobecne uznávaný ako netoxický minerál, ktorý nepredstavuje žiadne významné nebezpečenstvo pre ľudí ani životné prostredie. Jeho ťažobný priemysel však musí prísne riadiť environmentálne riziká, s ktorými sa stretáva; staršie rafinérie oxidu hlinitého môžu obsahovať minerály obsahujúce azbest, ktoré sa spájajú s mezoteliómom, ako aj inými pľúcnymi ochoreniami.

Zušľachťovanie

Hliník (známy aj ako oxid hlinitý) je hlavnou surovinou potrebnou na výrobu hliníka, ktorý sa získava rafináciou bauxitu a rafináciou. Rafinovaný oxid hlinitý sa potom môže použiť na výrobu primárneho hliníka elektrolytickým procesom; na výrobu jednej tony sú potrebné približne dve tony. Rafinovaný oxid hlinitý sa používa aj ako médium na čistenie vody, ako aj ako prísada pri výrobe ocele, žiaruvzdorných materiálov a v keramickom priemysle.

Výroba oxidu hlinitého prebieha podľa Bayerovho procesu, ktorý pozostáva zo štyroch krokov. Digescia sa začína miešaním bauxitu so sódou kaustickou pri veľmi vysokých teplotách v špeciálnych digesčných nádobách; zrážaním sa potom z tohto roztoku získavajú kryštály oxidu hlinitého mechanickým miešaním v otvorených nádržiach; vyzrážaný oxid hlinitý sa potom gravitačne alebo cyklónom triedi na rôzne veľkosti - tie väčšie sa ďalej kalcinujú, zatiaľ čo tie menšie sa posielajú na čistenie.

Bauxitové bane produkujú v dôsledku ťažby a rafinácie značné množstvo odpadových produktov, ako je kontaminácia pôdy, jemný oxid hlinitý a iné odpadové materiály. Rafinérie oxidu hlinitého produkujú približne dve až 2,5 tony pevného odpadu na každú tonu vyrobeného oxidu hlinitého - niektoré z týchto odpadov môžu dokonca obsahovať toxický tenorín (TENORM).

Bezpečnosť je mimoriadne dôležitá pri ťažbe aj rafinácii bauxitu, pričom pracovníci sú vystavení zdravotným a bezpečnostným rizikám spojeným s oboma činnosťami. Pracovníci sú pozorne sledovaní, či ich neuhryzol hmyz na určitých miestach bane, kde sa môžu použiť siete proti komárom alebo iné preventívne opatrenia na zníženie tohto rizika; môže sa odporučiť profylaxia malárie a v závislosti od lokality sa môže vyžadovať aj očkovanie proti žltej zimnici.

Rafinérie oxidu hlinitého prevádzkuje len 20 krajín na svete, pričom väčšina z nich sa nachádza v Číne, Brazílii a Austrálii. Hliník vyrobený v týchto rafinériách sa zvyčajne predáva hlinikárňam ako surovina na primárnu výrobu a zvyšné množstvo sa predáva iným výrobcom na rôzne účely. Rafinérie si vyžadujú značné investície času, peňazí a ľudských zdrojov na optimálnu prevádzku.