طرح توجیهی تولید اکسید آلومینیوم یا آلومینا از سنگ بوکسیت (سال 1401)

اکسید آلومینیوم یا آلومین یکی از مواد سرامیکی مهم است که دارای کاربردهای متنوعی در زمینه های مختلف می باشد. در میان خواص مختلف و برجسته آلومینا می توان به خواص مکانیکی مانند استحکام فشاری بالا و سختی بالای آن و همچنین دیرگدازی بالای آن اشاره نمود. آلومینا ماده اصلی در تولید آن می باشد.

کاربردهای اکسید آلومینیوم

سختی بالای آلومینا، مقاومت در برابر سایش را موجب می گردد. از این رو از آن در موارد مختلفی مانند پوششهای مقاوم به فرسایش لوله ها و مجراها، پمپ ها و شیرآلات، و غلاف های هدایت کننده الیاف، سیمها و غیره استفاده می گردد.

اکسید آلومینیوم به دلیل سختی زیاد در درجه حرارتهای بالا به عنوان نوک ابزار برش فلزات مورد استفاده قرار می گیرد، اگرچه در این مورد استفاده از کامپوزیتهای زمینه آلومینایی حتی با خواص بهتر معمول تر است.

آلومینا، پر مصرفترین ساینده مورد استفاده می باشد، که عموما در مورد آلیاژهای آهنی، مواد با قابلیت کشش بالا و چوب به کار می رود. همچنین از آلومینا به عنوان ماده آسیاب کننده در محدوده وسیعی از فرایندهای کاهش اندازه ذرات استفاده می شود.2

فرآیند تولید

مهمترین کاربرد بوکسیت در تهیه آلومینا است به طوری که بیش از 90% آلومینیوم مصرفی در دنیا از بوکسیت استخراج می شود. بوکسیت وقتی دارای مرغوبیت است که اکسید آلومینیوم آن زیاد و سیلیس موجود در آن کم باشد.

برای تولید آلومینیوم از بوکسیت، ابتدا باید پودر آلومینا تهیه شود و سپس فلز آلومینیوم از آلومینا تهیه گردد. جهت فرآوری بوکسیت و تولید آلومینا از روش های مختلفی استفاده می شود که به سه روش اصلی زیر توضیح داده می شوند :

1. روش بایر
2. روش سینتر با سودا
3. روشهای اسیدی

فرآوری اولیه آلومین شامل خردکردن تا اندازة 5 سانتیمتر و شستشو برای حذف آهن و سیلیس است، انواع متالورژی خشک شده و آسیاب می شود (آسیاب میله ای)، انواع شیمیایی خشک و به عنوان محصول تجاری داد و ستد می شود.

انواع ساینده و نسوز، تکلیس شده و با دولومیت و کروندم مخلوط می گردد. هر یک از محصولات آلومینیوم و بوکسیت روشهای فرآوری تکمیلی جداگانه ای دارند. استخراج فلز آلومینیوم از مواد اولیه در دو مرحله انجام می پذیرد :

1. مرحله تهیه آلومین خالص

مرحله تولید آلومین خالص به روش های گوناگون انجام می شود که معروف ترین آنها روش بایر و سینتره کردن می باشد.

* روش بایر
یکی از پیشرفته ترین روشهای تکنولوژی که برای تولید اکسید آلومینیوم صنعتی به کار گرفته می شود، فرایند بایر است.

خردایش

چون بوکسیت استخراج شده از معدن، اندازه های متفاوت دارد، لازم است که سنگ به سایزهای مساوی خرد گردد. این عمل معمولا در دو سنگ شکن مخروطی انجام می گیرد و اندازه ذرات تا حد چند میلیمتر کاهش می یابد. در این روش ابتدا سنگ بوکسیت را به ذرات درشت و متوسط خرد کرده و به صورت پودر در می آورند.

آسیاب کردن
برای رساندن بوکسیت به درجه آزادی مناسب و افزایش سطح ویژه، توسط آسیاب گلوله ای ابعاد دانه ها به حدود 60 تا 70 میکرون کاهش می یابد.

مخزن نگهداری و مخلوط کن

ماده معدنی آسیاب شده (پودر) به داخل مخزنی که بخار آب و محلول سود سوزآور به آن اضافه شده، وارد می گردد. به مدت چند ساعت تا 245 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود و توسط یک همزن کاملاً مخلوط می گردد تا Al2O3 حل شود.

محلول بدست آمده حاوی حدود 120 تا 135 کیلوگرم Al2O3 در متر مکعب است. هیدروکسیدهای آلومینیوم در محلول حل شده و به آلومینات سدیم تبدیل می شوند. معمولا مقدار سود را طوری تنظیم می کنند که به ازای هر 700 تا 1000 گرم پودر حدود یک لیتر سود وارد مخزن گردد.

محلول سود دارای 250 تا 300 گرم Na2O در هر لیتر است. دمای لازم برای حل شدن کانی های آلومینیوم دار برای گیبسیت بین 135 تا 150 درجه سانتی گراد، در مورد بوهمیت بین 235 تا 250 و برای دیاسپور 250 تا 260 درجه سانتی گراد است. در روش بایر واکنش تحت فشار و بخار انجام می شود.

حل کردن یا مرحله لیچینگ

از مخزن نگهداری، محلول توسط پمپ به اتوکلاوها (مخازن واکنش) وارد می شود. در داخل اتو کلاوها، محلول تحت شرایط مختلف حرارت و فشار قرار می گیرد. معمولاً حدود 20 اتوکلاو وجود دارد که شرایط حرارت و فشار آنها متفاوت است.

در اتوکلاو اول، مخلوط بوکسیت تحت شرایط حرارت پایین تر (80 درجه سانتیگراد و فشار 5 اتمسفر) و در اتوکلاو های بعدی که مخلوط به ترتیب به آنها پمپ می شود، درجه حرارت و فشار به ترتیب زیاد می شود (350 درجه سانتیگراد و فشار 45 اتمسفر) رابطه فشار و درجه حرارت طوری تنظیم می شود که مخلوط هرگز به نقطه جوش نرسد.

در این اتوکلاوها واکنش انجام می پذیرد و سیلیس به صورت سیلیکات های سدیم و آلومینیوم نامحلول در آمده و مواد آلومینایی به صورت آلومینات سدیم وارد محلول سود می گردند.

جداسازی محلول آلومینات سدیم از رسوب گل قرمز

قبل از جداسازی محلول از رسوبات، غلظت سود به حدود 120 gNa2/L و حرارت تا حدود 95 درجه سانتی گراد پایین آورده می شود و پس از آن مخلوط محلول و رسوب وارد تیکنر می گردند، که در اینجا محلول از روی تیکنر به خارج سرازیر و رسوب از پایین تیکنر به خارج حمل می گردد.

و پس از شستشو و گرفتن سود به مصارف مختلف می رسد. در این قسمت باید توجه و دقت کافی داشت که حرارت در حد 95 درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته شود، چون در غیر این صورت ممکن است اکسید آلومینیوم در همین فاز از عملیات رسوب نماید.

تجزیه محلول

محلول پس از فیلتر شدن به مخازنی که در آنجا حرارت محلول حدود 60 درجه سانتی گراد است، فرستاده می شود. این مخازن دو جداره هستند و آب به عنوان عامل خنک کننده از وسط جداره های آن عبور می کند.

این مخازن یک همزن دارند که با سرعت خیلی کم کار می کند. با تزریق مقداری اکسید آلومینیوم عمل کریستالیزاسیون انجام می گیرد. عمل همزدن و تزریق جهت تشکیل کریستالها به صورت مداوم اجرا می شود.

فیلتر کردن

هیدرات آلومینیوم به دست آمده، وارد فیلترهای شبکه ای استوانه ای می گردد که تحت شرایط خلاء، هیدرات آلومینیوم به صورت کیک رسوب کرده و توسط یک تیغه از روی فیلتر تراشیده می شود و به مرحله بعدی که کلسیناسیون است، منتقل می شود.

کلسیناسیون

واحد کلسیناسیون که از کوره و یا کوره های دوار تشکیل شده است هیدارت آلومینیوم را تحت درجه حرارت های بین 900 تا 1250 درجه سانتیگراد تبدیل به آلومینا می نماید. آلومینای به دست آمده در سیلوهای ذخیره جهت مصارف بعدی نگهداری می شود.

* روش سینتره کردن یا سودا

برخلاف روش بایر، روش سینتره کردن نه تنها می تواند بوکسیت های کم عیار، بلکه کائولن و دیگر مواد آلوموسیلیکاتی را نیز به عمل آورد. این روش زودتر از روش بایر ابداع و تغییرات زیادی نسبت به بار کوره و تجهیزات تکنولوژیکی در این روش انجام پذیرفته است.

بر اساس این روش، کانی آلومینیوم دار با سودا به این محلول که از ناخالصی ها آزاد شده است، گاز CO2 هدایت می شود تا هیدرات آلومینیوم به صورت رسوب جدا گردد. هیدرات آلومینیوم به دست آمده از این روش در مقایسه با روش بایر از مقدار بیشتر سیلیس بر خوردار است.

در این روش سنگ بوکسیت خرد شده همراه با آب و محلول سودا و آهک وارد آسیاب شده و در آن جا ساییده و به صورت ذرات ریز در می آید، نسبت Na2O و Fe2O3 و Al2O3 چنان تنظیم می شود که مولکول Na2O تقریباً برابر مجموع مولکولهای Fe2O3 و Al2O3 و نسبت ملکولی CaO:SiO نزدیک به 2 باشد.

مواد تهیه شده داخل کوره های سینتره کننده با تکنیک ویژه ای وارد شده و در دمای 1250 – 1350 درجه سانتیگراد آب و کربن را از دست می دهد و محصول بدست آمده، شامل آلومینات سدیم، کلرات سدیم و سیلیکات کلسیم خواهد بود.

روش سینتره کردن

نمک های حاصل با روشی مخصوص با آب شسته شده و گل های قهوه ای برای ته نشین شدن بطور هیدرولیکی به داخل حوضچه ها انتقال می یابند.محلول آلومینات بدست آمده از نمک شویی سینتر که شامل حدود 120 – 150 کیلوگرم در متر مکعب Al2O3 و 8 – 7 کیلوگرم در متر مکعب SiO2 است،

سیلیس زدایی با روش های ویژه انجام می پذیرد.محلول سیلیس زدا توسط گازهای سینتر، کربن دار شده و هیدرو اکسید آلومینیوم ته نشین می شود. محصول ته نشین شده را چندین بار شسته، سپس تکلیس می نمایند. مشابه روش سینتر با سودا را می توان با آهک و محلول رقیق سودا نیز انجام داد.

لازم به یادآوری است که روش سینتر با سودا و آهک امروزه هیچ گونه استفاده صنعتی ندارد. روش سینتره کردن در سه کشور قرقیزستان، چک و چین معمول بوده و روش مختلط بایر و سینتره کردن توسط کشورهای آمریکا، روسیه و یوگسلاوی بکار گرفته می شود.

* روش تولید آلومینا با محلولهای اسیدی از بوکسیت

در بعضی از کشورها به دلایل خاص اقتصادی و سیاسی از روش اسیدی استفاده می کنند. امتیاز اصلی روشهای بازی که شرح آنها داده شد این است که ناخالصی ها از جمله اکسیدهای آهن، تیتانیم و سیلیس وارد محلول نمی شوند، بلکه به صورت رسوب جدا و فقط ترکیبات آلومینیومی به صورت آلومینات وارد محلول می گردند.

حال اگر درصد ترکیبات سیلیس در کانی های آلومینیوم دار بالا باشد، از روش اسیدی استفاده می شود. کانی ها اکثرا اًز نوع رس (کائولن نامرغوب) با درصد کم آهن و حداکثر 35 % آلومینا هستند، بنابراین ملاحظه می شود در کشورهایی که بوکسیت غنی ندارند،

روش حلالیت در اسید روش مناسبی است. قابلیت حل شدن اکسید آلومینیوم کانی های کایولینی در اسید بسیار ناچیز است لذا برای مقرون به صرفه اقتصادی بودن، باید مقدار بیشتری اکسید آلومینیوم را در اسید به صورت محلول درآورد.

برای این کار کانی را ابتدا خرد کرده و آن را تا 750 – 800 درجه سانتیگراد حرارت می دهند تا کائولن به متاکائولن تبدیل گردد. این ترکیب در اسید به مقدار زیاد حل می شود. SiO2 بصورت رسوب جدا می شود ولی مقدار آن بستگی به نوع اسید مصرفی ندارد.

اگر از اسید کلریدریک (HCl) استفاده شود، محلول را 350 – 300 درجه سانتیگراد حرارت می دهند تا HCl به صورت گاز خروج شود و دوباره به صورت اسید وارد فرآیند گردد. اکسید آلومینیوم فیلتر شده را در محلول NaOH به طریق بایر تبدیل به هیدرات آلومینیوم می نمایند.

حال اگر از اسید سولفوریک استفاده شود، باید توسط کریستالیزاسیون خلأ سولفات آلومینیوم به دست امده را به طریق ترمیک تبدیل به Al2O3 نمود.

2. مرحله تجزیه الکتریکی آلومین در محلول الکترولیت توسط جریان برق

شاید تمامی آلومینیومی که در دنیا تولید می گردد، بر اساس روش الکترولیز مذاب باشد. الکترونی که در اینجا به صورت مذاب است از کریولیتی تشکیل شده که آلومینا در آن و در مقیاس صنعتی به مقدار حدود 5% وزنی حل است.

کریولیت به فرمول شیمیایی Na3AlF6 نقطه ذوب آلومینا (اکسید آلومینیوم) را پایین می آورد. نقطه ذوب آلومینا 2046 درجه سانتیگراد است، در صورتی که نقطه ذوب کریولیت 1000 درجه و مخلوط این دو دارای نقطه ذوب 960 – 970 درجه سانتی گراد است.

کریولیت به عنوان ماده اصلی الکترولیز مذاب به طور طبیعی فقط در گرینلند وجود دارد. برای اینکه کشورها خود را از واردات این ماده بی نیاز سازند، بر اساس روشهای شیمیایی در فرم تهیه این ماده برآمده اند. یکی از این روش ها که بسیار متداول است.

و در خیلی از کشورهای تولید کننده آلومینیوم بر اساس آن کریولیت تهیه می نمایند، روش تجزیه فلورید کلسیم CaF2 توسط اسید سولفوریک و اشباع اسید فلوریک توسط هیدرات آلومینیوم و کربنات سدیم است، که نسبت این دو بر اساس شرایط فعل و انفعالا تعیین شده است.

آلومینیوم حاصل از روش بایر و یا سینتره، در کوره های مخصوص که بدنه آن از پولاد بوده و در داخل از یک لایه مواد نسوز پوشیده شده و روی لایه نسوز در کف و جدارهای جانبی یک لایه کربن خالص به شکل آستر قرار گرفته که عمل کاتد را انجام می دهد.

تجزیه الکتریکی آلومین

شکل آندها استوانه ای بوده که در دسته های 4 و 8 و 12 عددی به وسیله میله های اتصالی جریان برق به درون کوره آویزان است. پس از جرقه زدن آندها و گرم شدن کوره، کریولیت خشک یا مایع را بتدریج داخل کوره نموده و آنقدر این عمل را ادامه می دهند تا کوره از محلول الکترولیت پر شود.

در این موقع گرد آلومین را بتدریج وارد کوره می نمایند که در نتیجه آن آلومین تجزیه الکتریکی خواهد شد یونهای آلومینیوم به طرف کاتد که خود کف کوره را تشکیل می دهد رفته، در آنجا جمع می شود و هر زمانی که مقدار آن به حد کافی رسید، منفذ خروجی کوره را باز کرده و آلومینیوم گداخته را از کوره خارج می نمایند.

برای تهیه یک تن آلومینیوم در حدود 30 هزار کیلووات ساعت برق، دو تن آلومین خالص، یک تن آند کربن و 0/1 تن کریولیت مصرف می شود. بدلیل مصرف زیاد برق، اغلب کارخانه های تهیه آلومینیوم در نزدیک مراکز تولید برق فراوان تأسیس می شوند.

در عمل الکترولیز بوکسیت، هر دو الکترودهای کاتد و آند در محلول الکترولیت از جنس کربن می باشند. بوکسیت به حالت مذاب و با یونهای آزاد و متحرک می باشند که در اثر واکنش با کاتد منفی که در آن الکترونها به محلول اضافه شده و یون Al احیا می شود.

وضعیت تقاضای آلومینیوم در ایران

میزان مصرف آلومینیوم ایران در سال 1394 بر اساس آمار سازمان بورس، برابر 469 هزار تن بوده که با رشد 6/3 درصدی نسبت به سال 1393 مواجه بوده است. از این مقدار 190 هزار تن در داخل کشور تولید و 280 هزار تن از طریق واردات تامین شده است.

جمع بندی میزان تقاضای آلومینیوم (آلومینا)

بر اساس مفروضات زیر، میزان تقاضا در 10 سال آینده پیش بینی و براساس آن و براساس نسبت مصرف هیدروکسید آلومینیوم و آلومینا (اکسید آلومینیوم) به آلومینیوم، میزان نیاز این دو محصول در 10 سال آینده در جهان و ایران پیش بینی می گردد.