Dalla bauxite all'allumina: il processo Bayer
L'alluminio primario viene prodotto in due fasi distinte: raffinazione della bauxite in allumina e riduzione dell'allumina in metallo. Da quattro a cinque tonnellate circa di bauxite producono circa due tonnellate di allumina, che a loro volta producono una tonnellata di alluminio primario. La fase di raffinazione è il processo Bayer, una via alcalina che sfrutta la solubilità dell'idrossido di alluminio nella soda caustica calda.
Digestione:La bauxite frantumata viene digerita in una soluzione di idrossido di sodio a 140-300 gradi sotto una pressione di circa 35 atm, quindi gli ossidi di alluminio si dissolvono come alluminato di sodio mentre la silice e il ferro rimangono come residui insolubili.
Chiarimento:la sedimentazione e la filtrazione in vasche di chiarificazione separano il liquore gravido dal residuo fine e ricco di ferro-noto come fango rosso.
Precipitazione:il liquore viene raffreddato e seminato con cristalli di idrossido di alluminio, che crescono e si depositano dalla soluzione.
Calcinazione:I forni rotanti calcinano l'idrossido a circa 1100 gradi per ottenere allumina di grado fonderia-, tipicamente Al₂O₃ al 99,5%.
L'economia della raffineria è dominata dalla soda caustica e dal consumo di energia, e il grado di allumina deve essere strettamente controllato affinché la seconda fase funzioni in modo stabile.
Elettrolisi di Hall-Héroult: la fase di riduzione
L'alluminio metallico viene prodotto mediante il processo Hall-Héroult, in cui l'allumina viene disciolta in un elettrolita a base di criolite fusa-(Na₃AlF₆ con aggiunte di fluoruro di alluminio e fluoruro di calcio) a circa 940-965 gradi. La corrente continua passa dagli anodi di carbonio consumabili attraverso il bagno fino a un catodo rivestito di carbonio. L'allumina viene ridotta elettrochimicamente, l'alluminio fuso si raccoglie sul fondo della cella e viene aspirato e gli anodi di carbonio vengono ossidati in anidride carbonica.
La reazione complessiva della cellula è 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Le moderne celle di riduzione funzionano con un'efficienza di corrente del 93-95% e gli alimentatori puntiformi automatici mantengono la concentrazione di allumina nel bagno a circa il 2-4% in modo che la reazione rimanga stabile e si evitino gli effetti dell'anodo.
Benchmark sul consumo di energia e materiali
La fusione è un'attività ad alta intensità di elettricità- e il consumo rappresenta il principale fattore di costo e di emissioni. Dati indicativi per le moderne linee di riduzione:
| Parametro | Valore tipico |
|---|---|
| Consumo di allumina | 1.90 - 1.95 t per tonnellata di alluminio |
| Consumo dell'anodo di carbonio | 0.40 - 0.45 t per tonnellata di alluminio |
| Consumo di elettricità | 12.5 - 15 MWh per tonnellata di alluminio |
| L'energia specifica migliore-della-classe | 12.3 - 13.0 kWh per kg, ottenuto con sbarre collettrici ottimizzate e compensazione del campo magnetico |
| Intensità energetica media in Cina | circa 13.500 kWh per tonnellata |
| Temperatura operativa della cella | 940 - 965 grado |
| Efficienza attuale | 93 - 95% |
| Celle di sviluppo ad anodo inerte | circa 15 kWh per kg, senza generazione di anidride carbonica all'anodo |
Il recupero del calore di scarto dai gas di scarico delle celle e dal gas di combustione è la principale opportunità di efficienza rimanente, e il calore recuperato viene sempre più utilizzato per il teleriscaldamento e per il preriscaldamento di allumina o materie prime anodiche. Le linee costruite con anodi fessurati e controllo dinamico della tensione si collocano all’estremità inferiore dell’intervallo di consumo, mentre le celle più vecchie possono superare i 15 kWh per kg.
Effetti anodici ed emissioni PFC
Se la concentrazione di allumina nel bagno scende al di sotto di circa l'1,5%, la cella non può sostenere la normale elettrolisi e la tensione aumenta bruscamente, spesso al di sopra di 8 V. Durante questi effetti anodici, sull'anodo si formano gas fluorocarburi, principalmente tetrafluorometano ed esafluoroetano, attraverso una reazione laterale del bagno di criolite con carbonio, ad esempio 4Na₃AlF₆ + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
I perfluorocarburi sono gas serra estremamente potenti: su un orizzonte di 100-anni il tetrafluorometano ha un potenziale di riscaldamento globale di circa 6.600-7.400 e l'esafluoroetano circa 11.100-12.200 volte quello del biossido di carbonio, a seconda del rapporto di valutazione utilizzato. L’alimentazione automatizzata dell’allumina, il monitoraggio della tensione delle celle e il controllo computerizzato hanno ridotto la frequenza dell’effetto anodico al di sotto di 0,1 eventi per cella al giorno in impianti ben gestiti, e le emissioni globali di PFC derivanti dalla fusione dell’alluminio sono diminuite di circa l’85% dal 1990.
Fango Rosso: Volumi, Rischi e Utilizzo
Il residuo di bauxite, o fango rosso, è il principale flusso di rifiuti solidi della raffinazione dell'allumina. La produzione globale è stimata in circa 180 milioni di tonnellate all’anno e il residuo è fortemente alcalino, con un pH tipicamente compreso tra 10 e 13 e un 2-6% di idrossido di sodio residuo, quindi lo stoccaggio deve essere progettato per evitare perdite e polvere.
L’accatastamento a secco è diventato il percorso di gestione preferito perché riduce l’ingombro dello stoccaggio di circa la metà ed elimina il rischio di crolli catastrofici delle dighe associati agli argini umidi. L’utilizzo rimane limitato ma si sta espandendo attraverso diversi percorsi: recupero di ferro, titanio e elementi di terre rare, uso del fango rosso all’8-12% come fonte di silice e allumina nelle miscele di geopolimeri e cemento e lisciviazione acida per recuperare la soda caustica e neutralizzare il residuo.
Domande frequenti
D: Qual è la differenza tra bauxite, allumina e alluminio?
La bauxite è il minerale estratto, l'allumina (ossido di alluminio) è l'intermedio raffinato da esso estratto e l'alluminio è il metallo prodotto quando l'allumina viene ridotta in una cella elettrolitica.
D: Perché la fusione dell’alluminio è così ad alta intensità energetica?
Il legame alluminio-ossigeno nell'allumina è molto forte, quindi per romperlo è necessaria una grande corrente continua continua. Anche le celle migliori necessitano di più di 12 kWh di elettricità per chilogrammo di metallo, motivo per cui le fonderie vengono costruite dove l’energia è economica e costante.
D: A quale temperatura funziona una cella di riduzione?
L'elettrolita a base di criolite- fonde a circa 950 gradi e le celle normalmente funzionano tra 940 e 965 gradi, che è sufficientemente alta da mantenere il bagno fuso ma sufficientemente bassa da limitare le perdite di fluoro e il consumo di energia.
D: Perché gli effetti dell’anodo sono importanti?
Sprecano energia, disturbano il funzionamento delle cellule e generano perfluorocarburi con un potenziale di riscaldamento globale molto elevato. L'alimentazione automatica e il controllo della tensione mantengono rari gli effetti e la frequenza degli effetti è un indicatore di prestazione standard per una fonderia.
D: Quanto fango rosso viene prodotto per tonnellata di metallo?
La generazione di residui di bauxite dipende dalla qualità del minerale, ma generalmente è compresa tra una e due tonnellate di residuo secco per tonnellata di allumina prodotta, quindi la gestione dei residui rappresenta un importante costo ambientale della produzione primaria.
D: L’alluminio secondario è un sostituto del metallo primario?
L’alluminio riciclato richiede solo una piccola frazione dell’energia necessaria per la fusione primaria e può essere rifuso ripetutamente senza perdere le sue proprietà essenziali, sebbene la selezione delle leghe limiti la quantità di metallo secondario che può essere utilizzato in applicazioni impegnative.
