Från bauxit till aluminiumoxid: Bayerprocessen
Bauxit är den huvudsakliga malmen av aluminium, en sten som innehåller 40 % till 60 % aluminiumoxid tillsammans med järnoxid, kiseldioxid och andra föroreningar. Det första extraktionssteget, Bayer-processen, separerar aluminiumoxiden från dessa föroreningar.
Krossad bauxit blandas med varm, koncentrerad natriumhydroxidlösning och smälts under tryck vid temperaturer runt 150 till 250 grader Celsius. Aluminiumoxiden löser sig för att bilda natriumaluminat, medan järnoxiden, kiseldioxiden och andra föroreningar kvarstår som en fast rest som kallas röd lera. Uppslamningen filtreras för att avlägsna den röda leran, vilket lämnar en klar natriumaluminatlösning.
Aluminiumhydroxid fälls sedan ut från lösningen genom ympning och kylning, och fällningen tvättas och kalcineras i roterande ugnar eller vätskebäddsbrännare vid cirka 1000 grader Celsius för att driva bort vattnet. Produkten är vitt aluminiumoxidpulver, nästan ren aluminiumoxid.
Från aluminiumoxid till aluminium: Hall-Heroultprocessen
Aluminiumoxid har en smältpunkt över 2000 grader Celsius, vilket skulle göra direktsmältning oekonomisk. Hall-Heroult-processen löser aluminiumoxid i smält kryolit, ett fluormineral, vilket sänker driftstemperaturen till cirka 950 grader Celsius.
En stark likström, vanligtvis 150 000 till 600 000 ampere, passerar genom cellen mellan kolanoder och en kol-fodrad katod. Vid katoden bildas flytande aluminium och samlas i botten av cellen; vid anoderna reagerar syre med kolet för att frigöra koldioxid. Det flytande aluminiumet sugs från cellen och gjuts till göt, ämnen eller plattor för vidare bearbetning.
Energi- och miljöhänsyn
Elektrolys är energikrävande: att producera ett ton primäraluminium kräver ungefär 13 till 15 megawatt-timmar elektricitet, vilket är anledningen till att smältverken ligger nära-lågkostnadskraftkällor, inklusive vattenkraftverk. Processen släpper också ut koldioxid från anoderna, och den röda leran från Bayerprocessen måste hanteras noggrant i konstruerade lagringsanläggningar.
Dessa effekter förklarar de starka miljömässiga argumenten för återvinning: smältande av aluminiumskrot använder cirka 5 % av energin från primärproduktionen och undviker bauxit och röd lera helt, vilket är anledningen till att återvunnet aluminium redan tillgodoser en stor del av den globala efterfrågan.
Alternativa och nya rutter
Alternativa utvinningsvägar finns men är mindre vanliga. Surlakning kan utvinna aluminium från vissa malmer och industriavfall, men är i allmänhet dyrare och mer komplex än Bayer-processen. Forskningen fortsätter om inerta anoder som skulle eliminera koldioxidutsläppen från elektrolys, och om effektivare cellkonstruktioner, men Bayer- och Hall-Heroult-processerna förblir den industriella ryggraden i aluminiumproduktion.
Vanliga frågor
F: Vad är bauxit och var kommer det ifrån?
Bauxit är en rödaktig sedimentär malm som innehåller 40-60 % aluminiumoxid (aluminiumoxid) som gibbsit-, böhmit- eller diasporemineral, huvudsakligen utvunnen i Australien, Guinea, Kina, Brasilien och Indien; ungefär 4-6 ton bauxit behövs för att producera 1 ton aluminium.
F: Vad händer inne i Hall-elektrolyscellen i Heroult?
Aluminiumoxid löses i smält kryolit vid cirka 950-970 grader och delas av en elektrisk ström till smält aluminium vid kolkatoden och koldioxid vid kolanoden; processen löper kontinuerligt med aluminiumoxidmatning och anodbyten.
F: Hur mycket el förbrukar primäraluminiumproduktion?
Elektrolyssteget förbrukar vanligtvis 13-15 kWh per kilogram aluminium, och moderna smältverk i genomsnitt cirka 14 000-15 500 kWh per ton; det är därför aluminiumsmältverken alltid är placerade bredvid billig kraft som vattenkraftverk.
F: Vad är röd lera och vad händer med den?
Röd lera är den-järnrika alkaliska återstoden som finns kvar efter Bayerprocessen, cirka 1-1,5 ton per ton aluminiumoxid; det lagras i noggrant hanterade avfallsdammar och nya processer återvinner järn, sällsynta jordartsmetaller eller använder det i cement och byggmaterial för att minska deponi.
F: Hur har aluminiumproduktionen blivit renare?
Moderna smältverk använder inerta eller förgräddade anoder med rökbehandling för att minska utsläppen, vattenkraft och förnybar kraft för att minska koldioxidavtryck, och industrin återvinner processskrot internt; Att producera aluminium från återvunnen metall använder bara cirka 5 % av energin från primärproduktionen.
F: Hur mycket bauxit krävs för att göra ett ton aluminium?
Som en tumregel förädlas cirka 4-5 ton bauxit till cirka 2 ton aluminiumoxid som sedan smälts till cirka 1 ton primäraluminium. Det exakta förhållandet beror på malmens kvalitet och effektiviteten hos raffinaderiet och smältverket.