A bauxittól az alumínium-oxidig: A Bayer-eljárás
Az elsődleges alumíniumot két különböző szakaszban állítják elő: a bauxitot alumínium-oxiddá finomítják, és ezt az alumínium-oxidot fémmé redukálják. Nagyjából négy-öt tonna bauxitból körülbelül két tonna timföld keletkezik, ami egy tonna elsődleges alumíniumot eredményez. A finomítási szakasz a Bayer-eljárás, egy lúgos eljárás, amely az alumínium-hidroxid forró marónátronban való oldhatóságát használja ki.
Emésztés:A zúzott bauxitot nátrium-hidroxid-oldatban 140-300 fokon, nagyjából 35 atm nyomáson feltárják, így az alumínium-oxidok nátrium-aluminátként oldódnak, míg a szilícium-dioxid és a vas oldhatatlan maradékként marad.
Pontosítás:ülepítés és derítő tartályokban történő szűrés választja el a terhes lúgot a finom, vasban{0}}dús, vörösiszap néven ismert maradéktól.
Csapadék:a folyadékot lehűtik és alumínium-hidroxid kristályokkal beoltják, amelyek nőnek és kiülepednek az oldatból.
Kalcinálás:a forgókemencék a hidroxidot körülbelül 1100 fokon kalcinálják, így olvadéki minőségű alumínium-oxidot kapnak, jellemzően 99,5% Al2O3-t.
A finomítói gazdaságot a nátronlúg és az energiafogyasztás uralja, és a timföld minőségét szigorúan ellenőrizni kell, hogy a második fokozat stabilan működjön.
Hall-Héroult elektrolízis: A redukciós lépés
A fémes alumíniumot a Hall{0}}Héroult eljárással állítják elő, amelynek során az alumínium-oxidot egy olvadt kriolit-alapú elektrolitban (Na₃AlF₆ alumínium-fluorid és kalcium-fluorid hozzáadásával) körülbelül 940-965 fokon oldják fel. Az egyenáram a fogyasztható szénanódokról a fürdőn keresztül egy szénnel bélelt katódra halad át. Az alumínium-oxidot elektrokémiai úton redukálják, az olvadt alumínium összegyűlik a cella fenekén, és kiszívják, a szénanódok pedig szén-dioxiddá oxidálódnak.
A teljes sejtreakció 2Al₂O3 + 3C → 4Al + 3CO₂. A modern redukciós cellák 93-95%-os áramhatékonysággal működnek, az automatikus pontadagolók pedig nagyjából 2-4%-on tartják a fürdő timföldkoncentrációját, így a reakció stabil marad, és elkerülhető az anódhatás.
Energia- és anyagfogyasztási referenciaértékek
Az olvasztás energiaigényes vállalkozás-, és a fogyasztás a legnagyobb költség- és kibocsátási tényező. A modern redukciós vonalak tájékoztató jellegű adatai:
| Paraméter | Tipikus érték |
|---|---|
| Alumínium-oxid fogyasztás | 1.90 - 1.95 t alumínium tonnánként |
| Szén anód fogyasztás | 0.40 - 0.45 t alumínium tonnánként |
| Villamosenergia fogyasztás | 12.5 - 15 MWh/tonna alumínium |
| Kategóriájában-legjobb-fajlagos energia | 12.3 - 13.0 kWh/kg, optimalizált gyűjtősín- és mágneses térkompenzációval érhető el |
| Átlagos energiaintenzitás Kínában | körülbelül 13 500 kWh tonnánként |
| A cella működési hőmérséklete | 940 - 965 fok |
| Jelenlegi hatékonyság | 93 - 95% |
| Inert anódfejlesztő cellák | körülbelül 15 kWh/kg, az anódon nem keletkezik szén-dioxid |
A cellák kipufogógázaiból és a fazékgázból származó hulladékhő visszanyerése a fő fennmaradó hatékonysági lehetőség, a visszanyert hőt pedig egyre gyakrabban használják távfűtésre, valamint alumínium-oxid vagy anód nyersanyagok előmelegítésére. A hornyos anódokkal és dinamikus feszültségszabályozással épített vezetékek a fogyasztási tartomány alsó határán helyezkednek el, míg a régebbi cellák meghaladhatják a 15 kWh/kg-ot.
Anódhatások és PFC-kibocsátások
Ha a fürdőben a timföldkoncentráció nagyjából 1,5% alá csökken, a cella nem tudja fenntartani a normál elektrolízist, és a feszültség meredeken emelkedik, gyakran 8 V fölé. Ezen anódhatások során az anódon fluor-szénhidrogén gázok képződnek, főként tetrafluor-metán és hexafluor-etán, a szénfürdő, például a kriolitF4 fürdő mellékreakciója révén. + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
A perfluor-szénhidrogének rendkívül erős üvegházhatású gázok: 100 -éves horizonton a tetrafluor-metán körülbelül 6600-7400, a hexafluor-etán pedig nagyjából 11 100-12 200-szorosa a globális felmelegedési potenciálnak, az alkalmazott szén-dioxid jelentésétől függően. Az automatikus timföldadagolás, a cellafeszültség-felügyelet és a számítógépes vezérlés az anódhatás frekvenciáját 0,1 esemény/cellánként/nap alá csökkentette a jól működő üzemekben, és az alumíniumolvasztásból származó globális PFC-kibocsátás 1990 óta körülbelül 85%-kal csökkent.
Vörösiszap: mennyiségek, kockázatok és felhasználás
A bauxitmaradvány vagy vörösiszap a timföld finomításának fő szilárd hulladékárama. A globális termelést évente körülbelül 180 millió tonnára becsülik, a maradék pedig erősen lúgos, pH-ja jellemzően 10 és 13 között van, és 2-6% maradék nátrium-hidroxid, ezért a tárolást úgy kell megtervezni, hogy megakadályozzák a szivárgást és a port.
A száraz halmozás az előnyben részesített kezelési mód lett, mivel nagyjából felére csökkenti a tárolási területet, és csökkenti a katasztrofális gátszakadás kockázatát a nedves töltésekkel kapcsolatban. A felhasználás továbbra is korlátozott, de több úton is bővül: vas, titán és ritkaföldfém elemek visszanyerése, 8-12%-os vörösiszap felhasználása szilícium-dioxid és alumínium-oxid forrásként geopolimer- és cementkeverékekben, valamint savas kilúgozás a nátronlúg visszanyerésére és a maradék semlegesítésére.
Gyakran Ismételt Kérdések
K: Mi a különbség a bauxit, az alumínium-oxid és az alumínium között?
A bauxit a bányászott érc, az alumínium-oxid (alumínium-oxid) a belőle kinyert finomított intermedier, az alumínium pedig az a fém, amely az alumínium-oxid elektrolitikus cellában történő redukálásakor keletkezik.
K: Miért olyan energiaigényes az alumínium olvasztása?
Az alumínium-oxidban lévő alumínium-oxigénkötés nagyon erős, ezért annak megszakításához nagy folyamatos egyenáramra van szükség. Még a legjobb celláknak is több mint 12 kWh elektromos áramra van szükségük kilogrammonként fémre, ezért a kohókat ott építik, ahol az energia olcsó és szilárd.
K: Milyen hőmérsékleten működik a redukciós cella?
A kriolit-alapú elektrolit közel 950 fokon olvad meg, és a cellák általában 940 és 965 fok között működnek, ami elég magas ahhoz, hogy a fürdőt olvadékban tartsa, de elég alacsony ahhoz, hogy korlátozza a fluorid veszteséget és az energiafelhasználást.
K: Miért fontosak az anódhatások?
Energiát pazarolnak, megzavarják a sejtek működését, és nagyon magas globális felmelegedési potenciállal rendelkező perfluor-szénhidrogéneket termelnek. Az automatikus betáplálás és a feszültségszabályozás ritkítja az effektusokat, és az effektusok gyakorisága a kohó szabványos teljesítménymutatója.
K: Mennyi vörösiszap keletkezik egy tonna fémre?
A bauxitmaradvány képződése az érc minőségétől függ, de általában egy-két tonna száraz maradék egy tonnánként előállított alumínium-oxidra vonatkoztatva, így a maradékanyag-kezelés az elsődleges termelés jelentős környezetvédelmi költsége.
K: A másodlagos alumínium helyettesíti az elsődleges fémet?
Az újrahasznosított alumínium az elsődleges olvasztáshoz szükséges energia csak kis hányadát igényli, és többször is újraolvasztható anélkül, hogy elveszítené alapvető tulajdonságait, bár az ötvözetek válogatása korlátozza, hogy mennyi másodlagos fémet lehet felhasználni az igényes alkalmazásokban.
