فرآیند استخراج و تولید آلومینا

آلومینا از سنگ معدن بوکسیت به دست می آید. با توجه به ساختار اصلی کانی ها در سنگ معدنی مرجع، تولید آلومینا در ساختارهای مختلف با نام های متداول آلفا، بتا و گاما آلومینا به دست می آید. هر یک از این ترکیبات، دارای یک سری خصوصیات فیزیکی و شیمیایی هستند و کاربردهای آنها نیز با یکدیگر متفاوت است.

انواع روش های تولید آلومینا

سه روش اصلی برای تولید و استحصال آلومینا از سنگ معدن بوکسیت معرفی شده است:
– استخراج آلومینا از بوکسیت به روش فرآیند بایر
– روش های سنتز آلومینای پودری با خلوص بالا
– بازیابی آلومینا از خاکستر ذغال

استخراج آلومینا از بوکسیت به روش فرآیند بایر

فرآیند بایر – Bayer Process – برای اولین بار در سال 1887 توسط یک مهندس اتریشی به نام “کارل جوزف بایر” ابداع شد. از آن زمان به بعد، این روش برای تولید و استخراج آلومینا در سراسر جهان به کار می رود بدون آنکه کوچک ترین تغییراتی در قسمت هایی از فرآیند انجام گیرد.

قواعد فرآیند بایر

قواعد فرآیند بایر بر اساس حل شدن بوکسیت در محلول داغ سدیم هیدروکسید در محدوده دمایی 140 درجه سانتی گراد (گیبسیت) تا 240 درجه سانتی گراد (بوهمیت) توجیه می شود. در این فرآیند، سدیم هیدروکسید مطابق با شکل زیر، یون های NA  و OH را تولید می کند.در دمای بالا، سدیم هیدروکسید می تواند اکسید آلومینیوم جامد که در سنگ معدن خام وجود دارد را در خود حل کند و در نتیجه، سدیم آلومینات مایع، به دست می آید.این واکنش حتی می تواند به عنوان یک فرآیند بر روی گیبسیت نیز انجام گیرد.در فرآیند بایر، سایر ترکیبات بوکسیت، حل نمی شوند و به شکل جامد باقی می مانند. یک استثنا درباره ترکیب سیلیکا وجود دارد؛ این ماده می تواند حل شود.در نهایت، در انتهای فرآیند بایر، هیدروکسید آلومینیوم در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد کلسینه شده و به شکل آلومینا تبدیل می گردد.در دمای بالا، سدیم هیدروکسید می تواند اکسید آلومینیوم جامد که در سنگ معدن خام وجود دارد را در خود حل کند و در نتیجه، سدیم آلومینات مایع، به دست می آید.این واکنش حتی می تواند به عنوان یک فرآیند بر روی گیبسیت نیز نوشته شود.در فرآیند بایر، سایر ترکیبات بوکسیت، حل نمی شوند و به شکل جامد باقی می مانند. یک استثنا درباره ترکیب سیلیکا وجود دارد؛ این ماده می تواند حل شود.در نهایت، در انتهای فرآیند بایر، هیدروکسید آلومینیوم در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد کلسینه شده و به شکل آلومینا تبدیل می گردد.

تکنولوژی فرآیند بایر در تولید آلومینا
1-خرد کردن و آسیاب کردن

در بخش اول فرآیند بایر، سنگ معدن بوکسیت تحت آسیاب کردن و خرد کردن قرار می گیرد تا به ذره های کوچک تر و ریزتر تبدیل شود. قطر ذرات معمولاً کمتر از 300 میکرومتر تعیین می شوند. مصرف انرژی در این حالت، بسیار اهمیت دارد؛ به ویژه برای بوکسیت که سختی بالایی دارد. آهک و سود سوز آور از مرحله هم رسوبی به مخلوط کن اضافه می شود تا پمپاژ گردد.

2-عملیات هضم

عملیات هضم برای تولید آلومینا از بوکسیت شامل مخلوط کردن پودر بوکسیت با سود سوز آور در دمای بسیار بالا است. در این شرایط، واکنش های خودبه خودی رخ می دهد که باید حتماً در رآکتورها انجام شود. محدوده دمایی، 140 تا 280 درجه سانتی گراد تعیین شده است. لجن نهایی باید در دمای 106 درجه سانتی گراد، خنک شود.

3-تغلیظ

تغلیظ یعنی گِل یا لجن به دست آمده شامل چه ترکیباتی است؛ اکسید آهن، سیلیکات کلسیم و اکسید تیتانیوم از ترکیب سدیم آلومینات مایع، جداسازی می شوند. باقی مانده از تانک خارج می شود و به مرحله شستشو هدایت می گردد.

4-رسوب گیری

رسوب هیدروکسید آلومینیوم در اثر خنک سازی محلول اشباع از سدیم آلومینات، آغاز می گردد. افزودن هیدروکسید آلومینیوم به مخلوط، به تشکیل کریستال های جامد آلومینیوم هیدروکسید بسیار کمک می کند.

5-تبخیر

فرآیند تبخیر موجب می شود باقی مانده ها در رسوب از بین بروند. تبخیر توسط هیترها رخ می دهد.

6-کلسینه کردن

کلسینه کردن، فرآیندی است که در کوره ها انجام می شود. این واکنش در دمای 900 تا 1000 درجه سانتی گراد کامل می شود و محصول نهایی، آلومینا است. گاما آلومینا با خلوص 96% از این فرآیند به دست می آید.

تولید آلومینا پودری خالص به روش سنتز

یکی از روش های تولید آلومینا، علاوه بر فرآیند بایر، روش سنتز پودر آلومینا خالص است. این روش تولید به ویژه بر روی مورفولوژی و درصد خلوص پودر متمرکز است. پودرهای سنتزی که در این روش به دست می آیند در واقع از آلومینای پالایش شده در استخراج از بوکسیت حاصل شده اند؛ همان ماده ای که در فرآیند بایر آغاز می گردد. در ادامه این فرآیند، نامی از یک فرآیند جدید با عنوان “فرآیند هال – هِرالت” برای الکترولیز آلومینا (Hall-Herault Process for Alumina Electrolysis) می شنویم. پودر آلومینا با اندازه دانه زیر میکرون و همچنین پودر نانوآلومینا، نمونه هایی از انواع آلومینای تولید شده به روش سنتزی هستند.رایج ترین شکل پودر آلومینا، آلفا – آلومینا است که پس از یک استحاله فازی در دمای بالاتر از 1200 درجه سانتی گراد، به این ساختار مبدل می شود.