عملية صهر الألمنيوم: من البوكسيت إلى إنتاج الألمنيوم الأولي

من البوكسيت إلى الألومينا: عملية باير

يتم تصنيع الألومنيوم الأولي على مرحلتين متميزتين: تكرير البوكسيت وتحويله إلى ألومينا، ثم تحويل تلك الألومينا إلى معدن. ما يقرب من أربعة إلى خمسة أطنان من البوكسيت ينتج حوالي طنين من الألومينا، والتي بدورها تنتج طنًا واحدًا من الألومنيوم الأولي. مرحلة التكرير هي عملية باير، وهي طريق قلوي يستغل قابلية ذوبان هيدروكسيد الألومنيوم في الصودا الكاوية الساخنة.

الهضم:يتم هضم البوكسيت المسحوق في محلول هيدروكسيد الصوديوم عند درجة حرارة 140-300 درجة تحت ضغط 35 ضغط جوي تقريبًا، وبالتالي تذوب أكاسيد الألومنيوم كألومينات الصوديوم بينما تبقى السيليكا والحديد كبقايا غير قابلة للذوبان.

إيضاح:يقوم الترسيب والترشيح في خزانات التصفية بفصل السائل الحامل عن البقايا الغنية بالحديد -والتي تعرف بالطين الأحمر.

تساقط:يتم تبريد السائل وزرعه ببلورات هيدروكسيد الألومنيوم التي تنمو وتستقر خارج المحلول.

التكليس:تقوم الأفران الدوارة بتكليس الهيدروكسيد عند حوالي 1100 درجة لإعطاء درجة الألومينا المصهورة، عادة 99.5% Al₂O₃.

تهيمن الصودا الكاوية واستهلاك الطاقة على اقتصاديات المصافي، ويجب التحكم في درجة الألومينا بإحكام حتى تعمل المرحلة الثانية بشكل مستقر.

هول-تحليل هيرولت الكهربائي: خطوة الاختزال

يتم إنتاج الألومنيوم المعدني بواسطة عملية Hall-Héroult، حيث يتم إذابة الألومينا في إلكتروليت أساسه الكريوليت- المنصهر (Na₃AlF₆ مع إضافات فلوريد الألومنيوم وفلوريد الكالسيوم) عند درجة حرارة تبلغ حوالي 940-965 درجة. يمر التيار المباشر من أنودات الكربون المستهلكة عبر الحمام إلى الكاثود المبطن بالكربون. يتم اختزال الألومينا كهروكيميائيًا، ويتجمع الألومنيوم المنصهر في قاع الخلية ويتم سحبه للخارج، وتتأكسد أنودات الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون.

تفاعل الخلية الكلي هو 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. تعمل خلايا الاختزال الحديثة بكفاءة تيار تبلغ 93-95%، وتحتفظ وحدات التغذية النقطية الأوتوماتيكية بتركيز الألومينا في الحمام بنسبة 2-4% تقريبًا بحيث يظل التفاعل مستقرًا ويتم تجنب تأثيرات الأنود.

معايير استهلاك الطاقة والمواد

تعتبر عملية الصهر عملاً تجاريًا كثيف الاستخدام للكهرباء-، ويعتبر الاستهلاك أكبر عامل من حيث التكلفة والانبعاثات. أرقام إرشادية لخطوط التخفيض الحديثة:

يعد استرداد الحرارة المهدورة من عادم الخلايا وغاز الوعاء هو فرصة الكفاءة الرئيسية المتبقية، ويتم استخدام الحرارة المستردة بشكل متزايد لتدفئة المناطق والتسخين المسبق للألومينا أو المواد الخام الأنودية. تقع الخطوط المبنية بأنودات مشقوقة وتحكم ديناميكي في الجهد في الطرف الأدنى من نطاق الاستهلاك، بينما يمكن أن تتجاوز الخلايا القديمة 15 كيلووات في الساعة لكل كجم.

تأثيرات الأنود وانبعاثات PFC

إذا انخفض تركيز الألومينا في الحمام إلى أقل من 1.5% تقريبًا، فلن تتمكن الخلية من الحفاظ على التحليل الكهربائي الطبيعي ويرتفع الجهد بشكل حاد، غالبًا ما يزيد عن 8 فولت. أثناء تأثيرات الأنود هذه، تتشكل غازات الفلوروكربون عند الأنود، بشكل أساسي رباعي فلورو ميثان وسداسي فلورو إيثان، من خلال تفاعل جانبي لحمام الكريوليت مع الكربون، على سبيل المثال 4Na₃AlF₆ + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.

تعتبر مركبات الكربون المشبعة بالفلور من الغازات الدفيئة القوية للغاية: على مدى 100{9}}عام، يحمل رباعي فلورو الميثان قدرة على الاحتباس الحراري تتراوح ما بين 6600 إلى 7400 تقريبًا وسداسي فلورو إيثان ما يقرب من 11100 إلى 12200 مرة ضعف ثاني أكسيد الكربون، اعتمادًا على تقرير التقييم المستخدم. أدت التغذية الآلية للألومينا ومراقبة جهد الخلية والتحكم بالكمبيوتر إلى خفض تردد تأثير الأنود إلى أقل من 0.1 حدث لكل خلية يوميًا في المصانع التي تدار بشكل جيد، كما انخفضت انبعاثات PFC العالمية الناتجة عن صهر الألومنيوم بحوالي 85٪ منذ عام 1990.

الطين الأحمر: الأحجام والمخاطر والاستخدام

بقايا البوكسيت، أو الطين الأحمر، هي مصدر النفايات الصلبة الرئيسي الناتج عن تكرير الألومينا. ويقدر التوليد العالمي بنحو 180 مليون طن سنويا، والبقايا قلوية بقوة، مع درجة الحموضة عادة بين 10 و 13 و 2-6٪ من هيدروكسيد الصوديوم المتبقي، لذلك يجب تصميم التخزين لمنع التسرب والغبار.

لقد أصبح التكديس الجاف هو طريق الإدارة المفضل لأنه يقلل من مساحة التخزين بمقدار النصف تقريبًا ويزيل خطر فشل السد الكارثي المرتبط بالاحتجازات الرطبة. لا يزال الاستخدام محدودًا ولكنه يتوسع من خلال عدة طرق: استعادة الحديد والتيتانيوم والعناصر الأرضية النادرة، واستخدام الطين الأحمر بنسبة 8-12٪ كمصدر للسيليكا والألومينا في الجيوبوليمر وخليط الأسمنت، والترشيح الحمضي لاستعادة الصودا الكاوية وتحييد البقايا.

الأسئلة المتداولة

س: ما الفرق بين البوكسيت والألومينا والألومنيوم؟
البوكسيت هو الخام المستخرج، والألومينا (أكسيد الألومنيوم) هو المادة الوسيطة المكررة المستخرجة منه، والألومنيوم هو المعدن الذي يتم إنتاجه عندما يتم تقليل الألومينا في خلية التحليل الكهربائي.

س: لماذا يستهلك صهر الألومنيوم الطاقة بشكل كبير؟
إن رابطة الأكسجين- المصنوعة من الألومنيوم في الألومينا قوية جدًا، لذا فإن كسرها يتطلب تيارًا مستمرًا كبيرًا. وحتى أفضل الخلايا تحتاج إلى أكثر من 12 كيلوواط ساعة من الكهرباء لكل كيلوغرام من المعدن، ولهذا السبب يتم بناء المصاهر حيث تكون الطاقة رخيصة وثابتة.

س: ما هي درجة الحرارة التي تعمل بها خلية الاختزال؟
ينصهر الإلكتروليت-المعتمد على الكريوليت عند درجة حرارة قريبة من 950 درجة، وتعمل الخلايا عادة بين 940 و965 درجة، وهي درجة عالية بما يكفي لإبقاء الحمام منصهرًا ولكنها منخفضة بما يكفي للحد من فقدان الفلورايد واستخدام الطاقة.

س: لماذا تعتبر تأثيرات الأنود مهمة؟
إنها تهدر الطاقة، وتعطل عمل الخلايا، وتولد مركبات الكربون المشبعة بالفلور ذات قدرة عالية جدًا على الاحتباس الحراري. تعمل التغذية التلقائية والتحكم في الجهد على إبقاء التأثيرات نادرة، ويعد تكرار التأثيرات مؤشرًا قياسيًا للأداء بالنسبة للمصهر.

س: ما هي كمية الطين الأحمر التي يتم إنتاجها لكل طن من المعدن؟
ويعتمد توليد بقايا البوكسيت على درجة الخام ولكنه بشكل عام يتراوح بين طن واحد إلى طنين من البقايا الجافة لكل طن من الألومينا المنتجة، لذا فإن إدارة البقايا تمثل تكلفة بيئية كبيرة للإنتاج الأولي.

س: هل الألومنيوم الثانوي بديل للمعدن الأولي؟
لا يتطلب الألومنيوم المعاد تدويره سوى جزء صغير من الطاقة اللازمة للصهر الأولي ويمكن إعادة صهره بشكل متكرر دون أن يفقد خصائصه الأساسية، على الرغم من أن فرز السبائك يحد من كمية المعدن الثانوي التي يمكن استخدامها في التطبيقات الصعبة.