والبوكسيت هو المصدر الرئيسي لصناعة الألمنيوم
على الرغم من أن الألومنيوم هو المعدن الأكثر شيوعًا الذي نراه في حياتنا اليومية، حيث يمثل 8٪ من قشرة الكوكب، إلا أن المعدن يتفاعل بشكل كبير مع العناصر الأخرى بحيث لا يتواجد بشكل طبيعي.
البوكسيت، وهو صخرة تتكون من مادة طينية حمراء تسمى تربة اللاتريت، هو المورد الرئيسي للألمنيوم وعادة ما يوجد في المناطق الاستوائية أو شبه الاستوائية.
وفقًا لبيانات احتياطي موارد البوكسيت العالمية، فإن أكبر منتجي البوكسيت في العالم هم غينيا وأستراليا وفيتنام والبرازيل وجامايكا وإندونيسيا والصين والهند وروسيا وماليزيا، ومن بينها أستراليا والصين وغينيا تمتلك 69.5٪ من احتياطي موارد البوكسيت العالمية. موارد البوكسيت في العالم.
يتشكل البوكسيت بالقرب من السطح، وبالتالي فإن أفضل طريقة لاستخراجه هي من خلال التعدين في الحفرة المفتوحة. تلعب صناعة تعدين البوكسيت دورًا رائدًا في حماية البيئة.
أثناء عملية تعدين البوكسيت، يعد تنظيف وتخزين الأرض السطحية أول الأشياء التي يجب القيام بها لاستعادة الأرض. إذا قمت بالتعدين في منطقة الغابات، سترى أن 80% من الأراضي يمكنها استعادة نظامها البيئي الأصلي.
كيفية استخلاص الألمنيوم من عملية البوكسيت-باير وعملية الهيرولت؟
يتكون البوكسيت بشكل رئيسي من الألومينا والسيليكا وأكسيد الحديد وثاني أكسيد التيتانيوم. يستخدم حوالي 70% من خام البوكسيت في العالم عملية باير لإنتاج الألومينا. ثم من خلال عملية Hall-Héroult الإلكترونية، يمكن اختزال الألومينا إلى الألومنيوم النقي.
خطوات عملية باير لإنتاج الألومينا
وبما أن البوكسيت موجود بالقرب من السطح، فإنه يحتاج إلى تعدين مفتوح.
الخطوة 1 – عملية التكسير
الخطوة الأولى في عملية باير هي استخدام معدات التكسير لسحق خام البوكسيت إلى جزيئات يبلغ قطرها حوالي 30 ملم. عندما يصبح حجم الجسيمات أصغر، تزداد المساحة السطحية المحددة للبوكسيت بشكل كبير، مما يساعد على تسريع سرعة متابعة التفاعل الكيميائي.
الخطوة 2-عمليات الغسيل والفصل
بعد سحقه بواسطة الكسارات، يحتاج البوكسيت إلى آلة غسل الرمل لإزالة وفصل الطين والشوائب الموجودة على سطح الجسيمات. إذا لم يتم تجربة عملية الغسيل، فإن البوكسيت الذي يحتوي على نسبة عالية من SiO 2 قد يحدث تلوثًا ومشاكل في جودة المنتج النهائي.
الخطوة 3 – عمليات الطحن والخلط
بعد عملية الغسيل، تخلط جزيئات البوكسيت مع محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 30%-40%، والذي يشكل بعد ذلك معلقًا بحجم جسيم صلب أقل من 300 ميكرون بمساعدة مطحنة كروية . تتم إضافة البوكسيت والصودا الكاوية العائدة من مرحلة الترسيب في المطحنة لتكوين ملاط قابل للضخ.
تحت الأرض العمليات المذكورة أعلاه - الغسيل والسحق والطحن، يتم تقليل جزيئات البوكسيت لزيادة المساحة السطحية المتاحة لمرحلة الهضم.
الخطوة 4- عملية الهضم
في عملية الهضم، يتم تسخين الملاط إلى 270 درجة مئوية لتكوين محلول ألومينات الصوديوم المفرط أو "السائل الحامل". يمكن لمحلول الصودا الكاوية الساخنة (NaOH) أن يذيب المعادن الحاملة للألمنيوم في البوكسيت.
هناك نوعان من البوكسيت: الجيبسايت، والبوهميت، والشتات.
جيبسيت:
آل(OH)3 + Na+ + OH- → آل(OH)4- + Na+
البوهميت والشتات:
AlO(OH) + Na+ + OH- + H2O → Al(OH)4- + Na+
يتم ضبط الظروف داخل الهاضم (تركيز المادة الكاوية ودرجة الحرارة والضغط) وفقًا لخصائص خام البوكسيت. إذا كانت خامات البوكسيت تحتوي على نسبة عالية من الجبسيت، فيجب معالجتها عند درجة حرارة 140 درجة مئوية. النوع الآخر من خام البوكسيت - البوكسيت البوهيمي يتطلب درجات حرارة تتراوح بين 200 و 280 درجة مئوية.
الضغط في عملية الهضم ليس مهما ولكن يتم تحديده بواسطة ضغط التشبع بالبخار. عند 240 درجة مئوية يكون الضغط حوالي 3.5 ميجا باسكال. يتم بعد ذلك تبريد الملاط في سلسلة من خزانات الفلاش إلى حوالي 106 درجة مئوية.
يمكن لعملية الهضم أن تزيد من معدل استرداد الألومينا ومعدل إنتاج السائل في البوكسيت.
الخطوة 5-عملية التوضيح/عملية التسوية
تستقر بقايا البوكسيت في القاع ويتم غسلها وتصفيتها قبل التخلص منها. أول ما يجب فعله في عملية التنقية هو فصل بقايا البوكسيت عن بقايا ألومينات الصوديوم في المحلول من خلال الترسيب.
ثم استخدام سلسلة من المرشحات الأمنية لمزيد من فصل السائل الحامل عن بقايا البوكسيت. الغرض من المرشحات الأمنية هو التأكد من عدم تلوث المنتج النهائي بالشوائب الموجودة في البقايا.
الخطوة 6- عملية التساقط
يتم تبريد السائل المفلتر ومعالجته ببلورات البذور، التي تساعد على التبلور لتكوين هيدرات الألومنيوم.
وفي عملية الترسيب، يتم استخدام الفلتر المصقول لإزالة الجزيئات الموجودة في الماء لمزيد من التحكم في عناصر الحديد.
عندما ينخفض السائل المطلوب تصفيته، يمكن لطبقة وسائط الترشيح الخاملة ذات الحبيبات الدقيقة نقل الجزيئات من خلال حقن الماء المستمر عن طريق تدوير ذراع الرش ببطء. في هذه المرحلة، يتم استعادة الألومينا عن طريق التبلور من السائل الحامل، الذي يكون مفرط التشبع في ألومينات الصوديوم.
تفاعل الترسيب هو عكس تفاعل انحلال الجبسايت في مرحلة الهضم:
آل(OH)4- + Na+ → آل(OH)3 + Na+ + OH-
الخطوة 7- عملية التكليس
يتم تسخين هيدرات الألومينا إلى 1100 درجة مئوية لإزالة جزيئات الماء المرتبطة، وإنتاج أكسيد الألومنيوم. هناك تقنيات تكليس مختلفة قيد الاستخدام، بما في ذلك المكلسات المعلقة بالغاز، والمكلسات ذات القاعدة المميعة، والأفران الدوارة.
تصف المعادلة التالية تفاعل التكليس:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
الألومينا عبارة عن مسحوق أبيض، وهو المنتج النهائي لعملية باير.
تنتج عملية التحليل الكهربائي Hall-Héroult الألومنيوم
بعد عملية باير، يتم تحويل الألومينا إلى الألومنيوم المنصهر من خلال عملية هال-هيرولت والتي تحدث داخل سلسلة من خلايا الاختزال الكهربائي.
تشتمل خلية الاختزال الإلكتروليتي على إلكتروليت قائم على الكريوليت، ومغذي الألومنيوم، وكتلة الكربون، وبطانة الكربون. يتطلب صهر الألمنيوم كميات كبيرة من الكهرباء.
- 1 يتم تصنيع كتل الكربون ويتم استهلاكها في هذه العملية، ولكن يتم إعادة تدوير البقايا وإعادة استخدامها.
- 2 يعمل كقطب موجب، أو أنود، وتتحول بطانة الكربون إلى قطب كهربائي سالب، أو كاثود.
- 3. أثناء مرور الكهرباء عبر المحلول، يحدث تفاعل كهربائي، حيث يقوم بتكسير الألومينا إلى ألومنيوم منصهر ساخن وأكسجين.
- 4 يستهلك الأكسجين الكربون من الأنود الذي يشكل ثاني أكسيد الكربون.
- 5. يتراكم الألمنيوم الساخن المنصهر في قاع الخلية بسبب كثافته العالية، ومن ثم يتم حبسه بواسطة بوتقة.
- يتم نقل 6 بوتقات من الألومنيوم المنصهر إلى المسبك لتصنيع المنتجات النهائية.
أثناء العملية، يتم إذابة الألومينا في الكريوليت المنصهر (Na3AlF6) لخفض نقطة انصهاره للتحليل الكهربائي. وأخيرًا، ينتج عن الاختزال الكهربائي عند درجة حرارة حوالي 960 درجة مئوية 99.5-99.8% من الألومنيوم النقي. يتم بعد ذلك صب الألومنيوم المنصهر باستخدام تكنولوجيا مختلفة.
يتم صب الألمنيوم المنصهر بتكنولوجيا مختلفة
وتستخدم منتجات الألمنيوم على نطاق واسع ، من السيارات والهواتف الذكية إلى ناطحات السحاب. لكن الألومنيوم يشكل أيضًا سبائك تحتوي على عناصر مثل السيليكون والمغنيسيوم والنحاس لإنشاء خصائص خاصة مطلوبة لتطبيقات معينة.
يتم خلط الألمنيوم السائل والعناصر الأخرى وتسخينها باستخدام تقنية التحريك الكهرومغناطيسي في الفرن. يتم استخدام تقنيات مختلفة لصب الألومنيوم المنصهر لإنتاج منتجات الألومنيوم المطلوبة.
صب زرع
في عملية صب الخنزير، يُسكب المعدن السائل مباشرة في القالب ويُترك ليتجمد. تتم إعادة صهر هذه المنتجات لاستخدامها في الإلكترونيات وصناعات الطيران.
فتح قالب صب السبائك
تُستخدم السبائك لإنتاج عجلات السيارات وكتل محركات السيارات وقطع غيار السيارات الأخرى.
صب الصفائح المعدنية
يتم دحرجة السبائك الورقية إلى منتجات مسطحة تستخدم في التعبئة والتغليف وصناعة السيارات والطباعة الحجرية.
صب سبيكة البليت
تتم معالجة المادة بالحرارة داخل الغرفة، ثم يتم تبريدها لتحقيق خصائص المادة المطلوبة. وتستخدم الخامات في صناعات السيارات والبناء والفضاء. البوكسيت هو المادة الأفضل والوحيدة لتصنيع معدن الألمنيوم.
بالإضافة إلى ذلك، يستخدم البوكسيت أيضًا على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية، وصناعة الطوب الحراري، وصناعة المواد الكاشطة، وصناعة الأسمنت، وتصنيع الصلب، ومجالات البترول. يشيع استخدام البوكسيت اللاتريت كمواد بناء.
يتم استخدام البوكسيت المكلس المصنوع من الألومينا العالية الملبدة عند درجة حرارة عالية في فرن دوار كمجموع طريق غير قابل للانزلاق لمنع حوادث الطرق.
المشاكل الشائعة حول إنتاج الألومنيوم
ما هي كمية البوكسيت اللازمة لصنع الألمنيوم وما هي كمية الطاقة المطلوبة؟
وتشير التقديرات إلى أن إنتاج 2 كجم من الألومينا يتطلب 4 كجم من البوكسيت، ويستهلك حوالي 8 كيلووات من الكهرباء، وينتج 1 كجم من الألومنيوم النقي.
ما هي المادة الكيميائية المستخدمة للانتقال من البوكسيت إلى الألومنيوم؟
هيدروكسيد الصوديوم المركز
ما هي المواد المفيدة التي يمكن الحصول عليها من البوكسيت؟
البوكسيت عبارة عن خليط من الألومينا المائية وهيدروكسيد الألومنيوم ومعادن طينية ومواد غير قابلة للذوبان مثل الكوارتز والهيماتيت والماجنتيت والسدريت والجويتيت. تشمل معادن الألومنيوم الموجودة في البوكسيت: الجبسيت Al(OH) 3، والبوهميت AlO(OH) والدياسبور AlO(OH).
