Горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность: от красной грязи к алюминию

Независимо от того, сколько слогов вы произнесете, алюминий — один из самых полезных промышленных металлов, которые у нас есть. Легкий, прочный, легко легируемый, обладающий высокой проводимостью, простой в обработке, литье и экструзии, алюминий нашел свое применение практически во всех промышленных процессах и коммерческих продуктах, которые только можно себе представить.

Современная жизнь была бы невозможна без алюминия, однако металл серебро широко используется лишь примерно последние 100 лет. Не так давно было время, когда алюминиевая посуда была символом статуса и когда-то стоила буквально больше, чем золото на вес. Причина его некогда редкости кроется в усилиях, необходимых для извлечения обильного элемента из пород, которые его несут, а также в энергии, необходимой для этого. Силы, которые до недавнего времени не позволяли алюминию использоваться человеком, были преодолены, а химия и инженерия, необходимые для этого, заслуживают внимания в нашей следующей статье «Горное дело и переработка».

Алюминий — единственный наиболее распространенный металлический элемент в земной коре. Но что-то, что в среднем составляет 8% земли под вашими ногами, чрезвычайно трудно найти в элементарной форме. Здесь нет обнажений или жил металлического алюминия; Алюминий почти всегда встречается в различных оксидных формах, и для того, чтобы его можно было использовать в качестве промышленного металла, его необходимо химически освободить.

При широком распространении алюминийсодержащих пород имеется лишь несколько экономически значимых месторождений первичной руды алюминия — бокситов. Точное содержание бокситов варьируется, но обычно они состоят из минералов оксида алюминия в сочетании с гидроксидами алюминия, глинами, кварцем и железосодержащими минералами. Некоторые из крупнейших и богатейших месторождений бокситов расположены в тропиках, где чередующиеся периоды высоких температур и обильных осадков сменяются длительными засушливыми периодами.

Химическое выветривание, которому благоприятствуют эти условия, на самом деле является первым шагом в обработке алюминия: оно разбивает боксит, который и без того является очень мягкой породой, на небольшие кусочки, которые легко собрать. Большая часть бокситов добывается открытым способом. Нынешним мировым лидером по добыче бокситов является Австралия, производящая около четверти мировой добычи. На втором месте Китай, а на третьем — западноафриканская страна Гвинея. Крупные месторождения бокситов имеются также в Бразилии и странах Карибского бассейна, главным образом на Ямайке.

Поскольку в мире всего несколько мест, где добывают бокситы, руду часто отправляют на большие расстояния для дальнейшей переработки. Это может оказаться опасным, когда руда перевозится через океан из-за разжижения и динамического разделения. Боксит обычно содержит много глины, и под воздействием дождевой воды он может образовывать суспензию, похожую на зыбучий песок, которая ведет себя как жидкость. При загрузке в трюмы сухогруза слишком влажный боксит может расплескаться и, в сочетании с тенденцией воды в суспензии мигрировать вверх, изменить центр тяжести корабля с катастрофическими последствиями.

Сырую бокситовую руду необходимо подвергнуть химической обработке, чтобы удалить примеси и подготовить ее к выплавке содержащегося в ней алюминия. Для этого почти всегда используется процесс Байера, который заключается в приготовлении больших партий измельченного боксита в сосуде под давлением с раствором каустической соды или гидроксида натрия. При температуре от 150 до 200°C оксиды и гидроксиды алюминия, которые обычно нерастворимы в воде, реагируют с натрием в гидроксиде натрия с образованием алюмината натрия:

При этом растворяется алюминий в боксите, но не примеси, которыми в основном являются оксиды железа. Нерастворимые материалы вместе с избытком гидроксида натрия отфильтровываются в отходы, называемые «красным шламом». Огромные количества красного шлама производятся на заводах по переработке бокситов и хранятся в лагунах, часто образующихся в результате затопления выработанных бокситовых карьеров, когда руда перерабатывается вблизи места ее добычи. Оксиды красного шлама имеют экономическую ценность и могут быть извлечены для использования в промышленных процессах, включающих извлечение следовых количеств редкоземельных элементов, которые могут присутствовать в хвостах переработки. Красная грязь также может привести к катастрофе, если с ней не обращаться должным образом.