استخراج آلومینیوم چگونه است؟ انواع روش‌ها و فرآیند تولید

شاید خیلی به چشم نیاید، اما از قوطی نوشابه‌ای که می‌نوشید تا بدنه هواپیمایی که سوار آن می‌شوید و حتی لوازم خودرویی که دارید، به آلومینیوم وابسته هستند. تازه این سه مورد خیلی ملموس از کاربرد آلومینیوم است. اگر بخواهیم مورد به مورد آنان را نام ببریم، احتمالا باید یک مقاله جدا فقط به کاربرد آلومینیوم اختصاص بدهیم.

جدای از این، آلومینیوم به راحتی با فلزات دیگر ترکیب می‌شود تا آلیاژهای مختلف را به ما تقدیم کند. فلزاتی که با آلومینیوم آلیاژ می‌شوند، همگی دارای خواصی مفید، اعم از مقاومت، استحکام، سبک و مقاوم برابر زنگ زدگی می‌شوند.

اما مشکل این است که با وجود کاربرد فراوان، این فلز به راحتی به دست نمی‌آید. البته آلومینیوم، سومین عنصر فراوان در پوسته زمین بعد از اکسیژن و سیلیکون است. در بین فلزها که اوضاع بهتر هم هست و آلومینیوم بااختلاف زیادی در رده اول جای دارد. اما آلومینیوم برخلاف آهن و فلز و طلا و نقره که هزاران سال استفاده می‌شوند، تازه حدود 200 سال است که به دست بشر افتاده. دلیل این موضوع در همان سختی استخراج آلومینیوم است. زیرا آلومینیوم به صورت تک‌عنصر در طبیعت وجود ندارد.

درواقع قرن‌ها بوده است که انسان ترکیبات آلومینیوم را می‌شناخته، اما نمی‌توانسته آن را به درستی استخراج کند تا از آن بهره ببرد. از ابتدای قرن نوزدهم میلادی (حدود سال 1800) انسان توانست تا روش استخراج آلومینیوم را پیدا کند.

به طور کلی بایستی آلومینیوم از خاک‌های رس خارج شود. برای این کار، از سنگ معدنی به نام بوکسیت استفاده می‌شود. ابتدا باید این سنگ معدن استخراج شده و آلومینای داخل بوکسیت تصفیه شود. سپس آلومینا ذوب شده و طبق فرآیندهایی خاص و ویژه، آلومینیوم خالص از آلومینا به دست بیاید.

البته روش‌های امروزی استخراج آلومینیوم، پیچیده‌تر، صنعتی‌تر و متنوع‌تر شده‌اند. در این مطلب قرار است که اولا برای شما به سادگی توضیح دهیم که استخراج آلومینیوم چگونه است؟ ثانیا انواع روش‌ های استخراج آلومینیوم را توضیح داده و ثالثا فرآیند تولید آلومینیوم را با هم بررسی کنیم. پس حتما تا انتهای مطلب حاضر همراه ما بمانید.

ترکیبات آلومینیوم

همان‌طور که در بخش بالا هم گفتیم، آلومینیوم معمولا از بوکسیت به دست می‌آید. البته سنگ معدن‌های دیگری هم هستند که حاوی آلومینیوم‌اند، اما رایج‌ترین آنان، بوکسیت است. بوکسیت به نوعی یک پوشش یا پتوی هوازده است که روی انواع سنگ‌های آلومینیوم پوشیده شده است. این ترکیب در علم موسوم به لاتریت یا دوریکروست نیز هست.

سنگ آلومینا معمولا 53 درصد آلومینیوم و 47 درصد اکسیژن در خودش جای داده است. بوکسیت آلومینا ممکن است یا خیلی سفت و سخت باشد و یا عین یک گِل نرم! هیچ قاعده قطعی‌ای درمورد بافت بوکسیت وجود ندارد. رنگ‌های معمول بوکسیت نیز بین صورتی، زرد، سفید، یا ترکیبی از این‌ها هستند.

یک نکته جالب دیگر این است که ترکیبات آلومینیوم حتی در سنگ‌هایی قیمتی اعم از فیروزه، یاقوت، کبود، زمرد و... نیز وجود دارند. البته درصد آلومینیوم آن‌ها طبعا پایین است.

معدن استخراج آلومینیوم چگونه است؟

حالا که قرار است سراغ معدن آلومینیوم برویم و فرآیند تولید آلومینیوم را بررسی کنیم، نیاز به یک تقسیم‌بندی است. اینکه استخراج آلومینیوم چگونه است؟ از سه مرحله اصلی تشکیل خواهد شد. اول استخراج سنگ معدن آلومینیوم از بوکسیت، دوم پالایش سنگ معدن آلومینیوم برای بازیابی آلومینای درون آن و سوم ذوب آلومینا برای تولید آلومینیوم. سه مرحله اصلی فرآیند تولید آلومینیوم این‌ها هستند که در ادامه به آنان خواهیم پرداخت.

بوکسیت که سنگ معدن اصلی آلومینیوم است، با روش سطحی و به اصطلاح معدن روباز به دست می‌آید. خاک سطحی و روباره مزاحم توسط لودرها و بولدوزرها حذف خواهد شد. البته این خاک دور ریخته نمی‌شود و برای احیای پوشش گیاهی منطقه خیلی مناسب است.

بوکسیت زیرین این خاک ابتدا توسط لودرها بیرون کشیده می‌شود و سپس یا خشک می‌شود، یا اینکه صرفا خرد شده و حمل خواهد شد. اما بوکسیتی که ضایعات بیشتری دارد و ناخالص‌تر است، بعد از خرد شدن شستشو داده می‌شود تا ضایعات شن و ماسه و همچنین سیلیس واکنش‌پذیرش حذف شود.

بعد از این مرحله استخراج آلومینیوم، بایستی بوکسیت در کوره‌هایی دوار خشک شود تا توسط کامیون‌های بزرگ یا واگن راه‌آهن به بارگیری شده و به کشتی جهت فروش یا پالایشگاه جهت تولید آلومینا و آلومینیوم فرستاده شود.

البته این مباحث یادشده، صرفا شمایی کلی از استخراج آلومینیوم هستند. بسیاری از جزئیاتی که ممکن است پیش بیایند و مورد به مورد متفاوت باشند، مربوط به منطقه استخراج آلومینیوم هستند. برای مثال آب و هوا، نوع خاک و... باعث تغییراتی خواهند شد.

ضمنا بسیار مهم است که بعد از استخراج سنگ معدن آلومینیوم، منطقه به وضعیت اولیه خود بازگردانده شود. این مهم اگر انجام نپذیرد، باعث آلودگی محیط زیست منطقه خواهد شد.

پردازش سنگ معدن آلومینیوم

پردازش سنگ معدن آلومینیوم، یکی از مهم‌ترین مراحل استخراج آلومینیوم به شمار می‌رود. البته این روش، چیز خیلی جدیدی نیست و به سال 1888 میلادی بازمی‌گردد. کارل یوزف بایر، خالق این روش است که هنوز هم از آن استفاده می‌شود. چهار قسمت اصلی این روش را در ادامه با هم مرور خواهیم کرد:

یک: هضم

بوکسیتی که ریز آسیابش کرده‌ایم، به یک واحد گرم با نام هاضم می‌شود که بخار زیادی دارد. در این واحد، بوکسیت با محلول داغ سود سوزآور مخلوط می‌شود. تحت فشاری بالا، اکسید آلومینیوم بوکسیت به سود سوزآور واکنش نشان داده و محلولی از آلومینات سدیم موسوم به مشروب سبز به دست خواهد آمد. رسوب سیلیکات آلومینیوم نیز بخش دیگر این واکنش را تشکیل خواهد داد که در ته واحد باقی می‌ماند.

دو: شفاف سازی

در این مرحله ابتدا به امر، زباله‌های درشت‌تر (به اندازه ماسه) حذف شده و برای بازیابی کردن سود سوزآور شسته خواهند شد. سپس گل قرمز مورد نظر از مشروب سبز جدا می‌شود. حالا ماسه و گل با همدیگر به دریاچه باقی‌مانده می‌روند تا دمای آن‌ها پایین بیاید. در این مرحله دما از 1000 درجه سانتی گراد به زیر 100 درجه خواهد آمد.

سه: ته‌نشینی

مرحله سوم استخراج آلومینیوم، ته‌نشینی است. در پایان این مرحله آلومینای مشروب سبز به صورت کریستال‌های هیدرات آلومینا رسوب کرده است. این کار با ترکیب کمی از مخلوط کریستال‌های آلومینا با مشروب سبز حاصل خواهد شد. زیرا کریستال‌های آلومینای وارد شده باعث تحریک هیدرات آلومینای موجود در مشروب سبز می‌شوند. ضمنا مشروبی که باقی مانده است، باز به دستگاه هاضم باز خواهد گشت. زیرا این مشروب هنوز مقداری آلومینا و سود سوز آور در خودش جای داده است که نباید به راحتی از آن‌ها بگذریم. بنابراین ممکن است که عملیات مراحل اول تا سوم بارها و بارها تکرار شوند. این تکرار باعث می‌شود که راندمان افزایش پیدا کرده و بیشینه آلومینای دلخواه ما از بوکسیت استخراج گردد.

چهار: کلسیناسیون

این مرحله آخر است که کلسیناسیون نام دارد. بنابراین اگر می‌خواهید خوب بدانید که استخراج آلومینیوم چگونه است؟ باید به این مرحله توجه ویژه‌ای داشته باشید.

در این مرحله هیدرات آلومینا شسته خواهد شد تا هرچه مایع باقی مانده از بین برود. سپس آلومینا را خشک می‌کنند. حالا نوبت این است که دوباره تا 1000 درجه سانتی گراد، افزایش دما اتفاق بیفتد. با انجام این کار، کریستالیزاسیون از بین رفته و تنها چیزی که باقی می‌ماند آلومینای خالص خواهد بود. یک ماده شنی، سفید و خشک!

در مرحله بعدی بایستی ذوب اتفاق بیفتد. کاری که باعث می‌شود تا آلومینا به آلومینیوم تبدیل شود. این کار با الکترولیز انجام می‌شود که نتیجه‌اش جداسازی اکسیژن و آلومینیوم موجود در آلومینا و تحصیل آلومینیوم خالص خواهد بود.

الکترولیز درواقع به معنای عبور جریان الکتریکی از یک محلول است. در استخراج آلومینیوم، الکتریسیته را از محلول مذاب آلومینا و کریولیت طبیعی یا مصنوعی عبور می‌دهیم. محلول مذاب بعد از این کار در سلول‌های احیا قرار خواهد گرفت. سلول‌های احیا درواقع گلدان‌هایی هستند که پایین آن‌ها با کربن پوشانده شده است.

پس این عبور باعث می‌شود تا اکسیژن آلومینا با کربن که حالت آنُدی دارد ترکیب شده و به صورت گاز کربن دی‌اکسید از گلدان خارج شود. آلومینیوم خالص هم چیزی است که در ته این گلدان به مانند ته دیگ جمع خواهد شد.

درنهایت این آلومینیوم را در دیگی دیگر ریخته و به شکل دلخواه درمی‌آورند. البته رایج‌ترین شکل ممکن، مانند سایر فلزات است. پس شمش آلومینیوم درست می‌شود.

کلام آخر

امیدواریم که به خوبی فهمیده باشید که استخراج آلومینیوم چگونه است؟ ما سعی کردیم تا فرآیند تولید آلومینیوم و همچنین راهکارهای صنعتی آن را به زبان ساده برایتان توضیح دهیم. همان‌طور که خواندید، این کار، کاری پرزحمت‌تر و پیچیده‌تر از دستیابی به سایر فلزات است. اما با توجه به کاربرد ویژه آلومینیوم، گریزی از آن نخواهد بود.

سوالات متداول:

1-آیا تولید آلومینیوم کاری اقتصادی است؟

شاید بله و شاید نه. مهم‌ترین چیز (جدای از منطقه و امکان فروش برای استفاده در صنعت) می‌تواند هزینه برق باشد. در آخرین مرحله استخراج و پالایش که مهم‌ترین مرحله هم به شمار می‌رود، هر بار در حدود 15 هزار کیلووات ساعت انرژی الکتریکی نیاز داریم. بنابراین اگر برق گرانی برای این کار استفاده شود، اصلا صرفه اقتصادی ندارد.

2-آیا تنها روش تولید آلومینیوم، روش بالاست؟

خیر. روشی ثانویه نیز وجود دارد که 95 درصد از روش بالا بازدهی ارزان‌تری را داراست. اما این روش ثانویه، همان بازیافت آلومینیوم است. روشی که به جمع‌آوری قطعات مصرف شده آلومینیوم و بازیابی کردن آنان منحصر می‌شود. منتها روش استخراج اولیه آلومینیوم از سنگ معدن آلومینیوم، همانی است که در بالا توضیح دادیم.

3-مهم‌ترین کشورهای تولیدکننده آلومینیوم در جهان کدام کشورها هستند؟

کشورهای (به ترتیب) چین، روسیه، کانادا، ایالات متحده آمریکا و استرالیا، مهم‌ترین تولیدکننده‌های آلومینیوم در جهان به شمار می‌آیند. همچنین کشور ما ایران نیز یکی از کشورهای تولیدکننده برتر آلومینیوم در خاورمیانه است. ایران بعد از کشورهای امارات، بحرین، قطر و عمان، پنجمین تولیدکننده آلومینیوم در منطقه محسوب می‌شود.