Từ Bauxite đến Alumina: Quy trình của Bayer
Bauxite là quặng chính của nhôm, một loại đá chứa 40% đến 60% oxit nhôm cùng với oxit sắt, silica và các tạp chất khác. Giai đoạn chiết xuất đầu tiên, quy trình Bayer, tách oxit nhôm khỏi các tạp chất này.
Bauxite nghiền được trộn với dung dịch natri hydroxit đậm đặc, nóng và được phân hủy dưới áp suất ở nhiệt độ khoảng 150 đến 250 độ C. Ôxit nhôm hòa tan tạo thành natri aluminat, trong khi ôxit sắt, silic và các tạp chất khác vẫn tồn tại ở dạng cặn rắn gọi là bùn đỏ. Bùn được lọc để loại bỏ bùn đỏ, để lại dung dịch natri aluminat trong suốt.
Sau đó, nhôm hydroxit được kết tủa khỏi dung dịch bằng cách gieo mầm và làm nguội, kết tủa được rửa sạch và nung trong lò quay hoặc lò nung-nung chất lỏng ở nhiệt độ khoảng 1000 độ C để đuổi nước. Sản phẩm là bột nhôm màu trắng, oxit nhôm gần như nguyên chất.
Từ Alumina đến Nhôm: Quá trình Hall{0}}Heroult
Alumina có điểm nóng chảy trên 2000 độ C, điều này sẽ làm cho việc nấu chảy trực tiếp không kinh tế. Quy trình Hall{2}}Heroult hòa tan alumina trong cryolit nóng chảy, một khoáng chất florua, hạ nhiệt độ vận hành xuống khoảng 950 độ C.
Dòng điện một chiều mạnh, thường có cường độ 150.000 đến 600.000 ampe, đi qua pin giữa cực dương cacbon và cực âm-có lớp lót cacbon. Ở cực âm, nhôm lỏng hình thành và tích tụ ở đáy tế bào; ở cực dương, oxy phản ứng với carbon để giải phóng carbon dioxide. Nhôm lỏng được hút ra khỏi tế bào và đúc thành thỏi, phôi hoặc tấm để xử lý tiếp.
Cân nhắc về năng lượng và môi trường
Quá trình điện phân tiêu tốn nhiều năng lượng: sản xuất một tấn nhôm nguyên sinh cần khoảng 13 đến 15 megawatt-giờ điện, đó là lý do tại sao các nhà máy luyện kim được đặt gần các nguồn điện-chi phí thấp, bao gồm cả các nhà máy thủy điện. Quá trình này cũng thải ra carbon dioxide từ các cực dương và bùn đỏ từ quy trình của Bayer phải được quản lý cẩn thận trong các cơ sở lưu trữ được thiết kế.
Những tác động này giải thích trường hợp môi trường mạnh mẽ đối với việc tái chế: nhôm phế liệu nấu chảy sử dụng khoảng 5% năng lượng của quá trình sản xuất sơ cấp và tránh hoàn toàn chu trình bauxite và bùn đỏ, đó là lý do tại sao nhôm tái chế đã cung cấp một phần lớn nhu cầu toàn cầu.
Các tuyến đường thay thế và mới nổi
Các tuyến khai thác thay thế tồn tại nhưng ít phổ biến hơn. Quá trình lọc bằng axit có thể tách nhôm từ một số quặng và chất thải công nghiệp, nhưng nhìn chung đắt hơn và phức tạp hơn quy trình của Bayer. Nghiên cứu vẫn tiếp tục về các cực dương trơ giúp loại bỏ lượng khí thải carbon dioxide trong quá trình điện phân và về các thiết kế pin hiệu quả hơn, nhưng quy trình Bayer và Hall{2}}Heroult vẫn là xương sống công nghiệp trong sản xuất nhôm.
Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Bauxite là gì và nó đến từ đâu?
Bauxite là một loại quặng trầm tích màu đỏ chứa 40-60% nhôm oxit (alumina) dưới dạng khoáng vật gibbsite, boehmite hoặc diaspore, được khai thác chủ yếu ở Australia, Guinea, Trung Quốc, Brazil và Ấn Độ; Cần khoảng 4-6 tấn bauxite để sản xuất 1 tấn nhôm.
Hỏi: Điều gì xảy ra bên trong tế bào điện phân Hall{0}}Heroult?
Alumina được hòa tan trong cryolit nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 950-970 độ và được phân tách bằng dòng điện thành nhôm nóng chảy ở cực âm carbon và carbon dioxide ở cực dương carbon; quá trình này diễn ra liên tục với sự thay đổi nguồn cấp nhôm và cực dương.
Hỏi: Sản xuất nhôm sơ cấp tiêu thụ bao nhiêu điện năng?
Bước điện phân thường tiêu thụ 13-15 kWh/kg nhôm, và các nhà máy luyện kim hiện đại tiêu thụ trung bình khoảng 14.000-15.500 kWh/tấn; đây là lý do tại sao các nhà máy luyện nhôm luôn được đặt cạnh nguồn điện giá rẻ như trạm thủy điện.
Hỏi: Bùn đỏ là gì và điều gì xảy ra với nó?
Bùn đỏ là cặn kiềm giàu sắt-còn sót lại sau quy trình Bayer, khoảng 1-1,5 tấn/tấn alumina; nó được lưu trữ trong các ao chứa chất thải được quản lý cẩn thận và các quy trình mới thu hồi sắt, đất hiếm hoặc sử dụng nó trong xi măng và vật liệu xây dựng để giảm thiểu việc chôn lấp.
Hỏi: Làm thế nào để quá trình sản xuất nhôm trở nên sạch hơn?
Các nhà máy luyện kim hiện đại sử dụng cực dương trơ hoặc nung sẵn có xử lý khói để cắt giảm khí thải, thủy điện và năng lượng tái tạo nhằm giảm lượng khí thải carbon và ngành này tái chế phế liệu trong nội bộ quy trình; sản xuất nhôm từ kim loại tái chế chỉ sử dụng khoảng 5% năng lượng của quá trình sản xuất sơ cấp.
Hỏi: Cần bao nhiêu bauxite để tạo ra một tấn nhôm?
Theo nguyên tắc thông thường, khoảng 4-5 tấn bauxite được tinh chế thành khoảng 2 tấn alumina, sau đó được nấu chảy thành khoảng 1 tấn nhôm nguyên chất. Tỷ lệ chính xác phụ thuộc vào loại quặng và hiệu quả của nhà máy lọc và luyện kim.