כיצד מופק אלומיניום מבוקסיט?

מבוקסיט לאלומינה: תהליך באייר

באוקסיט הוא העפרה העיקרית של האלומיניום, סלע המכיל 40% עד 60% תחמוצת אלומיניום יחד עם תחמוצת ברזל, סיליקה וזיהומים אחרים. שלב המיצוי הראשון, תהליך באייר, מפריד בין תחמוצת האלומיניום לזיהומים אלו.

בוקסיט כתוש מעורבב עם תמיסת נתרן הידרוקסיד חמה ומרוכזת ומתעכל בלחץ בטמפרטורות סביב 150 עד 250 מעלות צלזיוס. תחמוצת האלומיניום מתמוססת ליצירת נתרן אלומינט, בעוד שתחמוצת הברזל, הסיליקה וזיהומים אחרים נשארים כשיר מוצק הנקרא בוץ אדום. התרחיץ מסונן כדי להסיר את הבוץ האדום, ומשאיר תמיסת נתרן אלומינאט שקופה.

לאחר מכן, אלומיניום הידרוקסיד מושקע מהתמיסה על ידי זריעת וקירור, והמשקעים נשטפים ומסירים בכבשנים סיבוביים או בסולנים -נוזליים בכ-1000 מעלות צלזיוס כדי לגרש את המים. המוצר הוא אבקת אלומינה לבנה, תחמוצת אלומיניום כמעט טהורה.

מאלומינה לאלומיניום: ההיכל-תהליך הרולט

לאלומינה יש נקודת התכה של מעל 2000 מעלות צלזיוס, מה שיגרום להתכה ישירה ללא כלכלית. תהליך ההול-הרולט ממיס אלומינה בקריוליט מותך, מינרל פלואוריד, ומוריד את טמפרטורת הפעולה לכ-950 מעלות צלזיוס.

זרם ישר חזק, בדרך כלל 150,000 עד 600,000 אמפר, עובר דרך התא בין אנודות פחמן לקתודה מרופדת-פחמן. בקתודה נוצר אלומיניום נוזלי ונאסף בתחתית התא; באנודות, חמצן מגיב עם הפחמן כדי לשחרר פחמן דו חמצני. האלומיניום הנוזלי נשאב מהתא ויוצק למטילים, בילטים או לוחות לעיבוד נוסף.

שיקולי אנרגיה וסביבה

אלקטרוליזה היא אינטנסיבית באנרגיה: ייצור טון אחד של אלומיניום ראשוני דורש בערך 13 עד 15 מגה וואט-שעות חשמל, וזו הסיבה שמפעלי היתוך ממוקמים ליד מקורות כוח-בעלות נמוכה, כולל מפעלים הידרואלקטרים. התהליך גם פולט פחמן דו חמצני מהאנודות, ויש לנהל בקפידה את הבוץ האדום מתהליך באייר במתקני אחסון מהונדסים.

השפעות אלו מסבירות את המקרה הסביבתי החזק למיחזור: המסת גרוטאות אלומיניום משתמשת בכ-5% מהאנרגיה של הייצור הראשוני ונמנעת לחלוטין ממחזור הבוקסיט והבוץ האדום, וזו הסיבה שאלומיניום ממוחזר כבר מספק נתח גדול מהביקוש העולמי.

מסלולים חלופיים ומתעוררים

קיימות דרכי מיצוי חלופיות אך נפוצות פחות. שטיפת חומצה יכולה להפיק אלומיניום מעפרות מסוימות ומפסולת תעשייתית, אך בדרך כלל היא יקרה ומורכבת יותר מתהליך באייר. המחקר נמשך על אנודות אינרטיות שיבטלו את פליטת הפחמן הדו-חמצני של אלקטרוליזה, ועל תכנוני תאים יעילים יותר, אבל תהליכי באייר והול-הרולט נותרו עמוד השדרה התעשייתי של ייצור האלומיניום.

שאלות נפוצות

ש: מהו בוקסיט ומאיפה הוא מגיע?
באוקסיט הוא עפרת משקע אדמדמה המכילה 40-60% תחמוצת אלומיניום (אלומינה) כמינרלים גיבסיט, בוהמיט או תפוצות, שנכרה בעיקר באוסטרליה, גינאה, סין, ברזיל והודו; נדרשים בערך 4-6 טונות של בוקסיט כדי לייצר טון אחד של אלומיניום.

ש: מה קורה בתוך תא האלקטרוליזה של -Heroult?
אלומינה מומסת בקריוליט מותך בערך 950-970 מעלות ומתפצלת על ידי זרם חשמלי לאלומיניום מותך בקתודה הפחמן ופחמן דו חמצני באנודת הפחמן; התהליך פועל ברציפות עם הזנת אלומינה ואנודה.

ש: כמה חשמל צורך ייצור אלומיניום ראשוני?
שלב האלקטרוליזה צורך בדרך כלל 13-15 קוט"ש לקילוגרם אלומיניום, ומפעלי היתוך מודרניים ממוצעים של כ-14,000-15,500 קוט"ש לטון; זו הסיבה שמפעלי היתוך אלומיניום תמיד ממוקמים ליד חשמל זול כמו תחנות הידרואלקטריות.

ש: מהו בוץ אדום ומה קורה לו?
בוץ אדום הוא השאריות האלקליות העשירות-בברזל שנותרו לאחר תהליך באייר, בערך 1-1.5 טון לטון אלומינה; הוא מאוחסן בבריכות זנב המנוהלות בקפידה, ותהליכים חדשים משחזרים ברזל, אדמה נדירה או משתמשים בו במלט ובחומרי בניין כדי להפחית את ההטמנה.

ש: איך ייצור האלומיניום נעשה נקי יותר?
מפעלי היתוך מודרניים משתמשים באנודות אינרטיות או אפויות מראש עם טיפול באדים כדי לצמצם פליטות, הידרו וכוח מתחדש כדי להפחית את טביעות הפחמן, והתעשייה ממחזרת גרוטאות תהליכים פנימיות; ייצור אלומיניום ממתכת ממוחזרת משתמש רק בכ-5% מהאנרגיה של הייצור הראשוני.

ש: כמה בוקסיט צריך כדי לייצר טון אחד של אלומיניום?
ככלל אצבע, כ-4-5 טונות של בוקסיט מזוקקים לכ-2 טונות של אלומינה, אשר לאחר מכן מותכת לכ-1 טון של אלומיניום ראשוני. היחס המדויק תלוי בדרגת העפרה וביעילות בית הזיקוק וההיתוך.