Od bauxitu k oxidu hlinitému: Bayerův proces
Bauxit je hlavní ruda hliníku, hornina obsahující 40 % až 60 % oxidu hlinitého spolu s oxidem železa, oxidem křemičitým a dalšími nečistotami. První extrakční stupeň, Bayerův proces, odděluje oxid hlinitý od těchto nečistot.
Rozdrcený bauxit se smíchá s horkým, koncentrovaným roztokem hydroxidu sodného a pod tlakem se vyluhuje při teplotách kolem 150 až 250 stupňů Celsia. Oxid hlinitý se rozpouští za vzniku hlinitanu sodného, zatímco oxid železitý, oxid křemičitý a další nečistoty zůstávají jako pevný zbytek nazývaný červené bahno. Suspenze se filtruje, aby se odstranilo červené bahno a zůstal čirý roztok hlinitanu sodného.
Hydroxid hlinitý se potom vysráží z roztoku naočkováním a ochlazením a sraženina se promyje a kalcinuje v rotačních pecích nebo kalcinátorech s fluidním ložem při teplotě asi 1000 stupňů Celsia, aby se odstranila voda. Produktem je bílý práškový oxid hlinitý, téměř čistý oxid hlinitý.
Od hliníku k hliníku: Hall{0}}Heroultův proces
Oxid hlinitý má bod tání nad 2000 stupňů Celsia, což by činilo přímé tavení neekonomickým. Hall-Heroultův proces rozpouští oxid hlinitý v roztaveném kryolitu, fluoridovém minerálu, čímž se provozní teplota snižuje na přibližně 950 stupňů Celsia.
Silný stejnosměrný proud, typicky 150 000 až 600 000 ampér, prochází článkem mezi uhlíkovými anodami a uhlíkovou -katodou. Na katodě se tvoří tekutý hliník a shromažďuje se na dně článku; na anodách kyslík reaguje s uhlíkem a uvolňuje oxid uhličitý. Tekutý hliník je odsáván z cely a odléván do ingotů, sochorů nebo desek pro další zpracování.
Energetické a ekologické aspekty
Elektrolýza je energeticky náročná: výroba jedné tuny primárního hliníku vyžaduje zhruba 13 až 15 megawatt{2}}hodin elektřiny, a proto se hutě nacházejí v blízkosti levných- zdrojů energie, včetně vodních elektráren. Tento proces také uvolňuje oxid uhličitý z anod a červené bahno z Bayerova procesu musí být pečlivě řízeno ve zkonstruovaných skladovacích zařízeních.
Tyto dopady vysvětlují silné ekologické důvody pro recyklaci: tavení hliníkového šrotu spotřebuje asi 5 % energie primární výroby a zcela se vyhýbá cyklu bauxitu a červeného bahna, což je důvod, proč recyklovaný hliník již zajišťuje velkou část celosvětové poptávky.
Alternativní a vznikající cesty
Existují alternativní způsoby extrakce, ale jsou méně časté. Kyselé loužení může extrahovat hliník z určitých rud a průmyslových odpadů, ale je obecně dražší a složitější než Bayerův proces. Pokračuje výzkum inertních anod, které by eliminovaly emise oxidu uhličitého při elektrolýze, a efektivnějších konstrukcí článků, ale průmyslovou páteří výroby hliníku zůstávají Bayerovy a Hallovy-Heroultovy procesy.
Často kladené otázky
Otázka: Co je bauxit a odkud pochází?
Bauxit je načervenalá sedimentární ruda obsahující 40-60 % oxidu hlinitého (alumina) jako gibbsit, boehmit nebo diasporové minerály, těžená především v Austrálii, Guineji, Číně, Brazílii a Indii; na výrobu 1 tuny hliníku je potřeba zhruba 4-6 tun bauxitu.
Otázka: Co se děje uvnitř Hall-elektrolyzéru Heroult?
Alumina je rozpuštěna v roztaveném kryolitu při asi 950-970 stupních a štěpena elektrickým proudem na roztavený hliník na uhlíkové katodě a oxid uhličitý na uhlíkové anodě; proces probíhá nepřetržitě s přívodem oxidu hlinitého a výměnou anody.
Otázka: Kolik elektřiny spotřebuje primární výroba hliníku?
Krok elektrolýzy typicky spotřebuje 13-15 kWh na kilogram hliníku a moderní tavírny průměrně asi 14 000-15 500 kWh na tunu; to je důvod, proč jsou hliníkové tavírny vždy umístěny vedle levné energie, jako jsou vodní elektrárny.
Otázka: Co je to červené bahno a co se s ním děje?
Červené bahno je alkalický zbytek bohatý na železo{0}}, který zbyl po Bayerově procesu, přibližně 1–1,5 tuny na tunu oxidu hlinitého; skladuje se v pečlivě obhospodařovaných odkalištích a nové procesy obnovují železo, vzácné zeminy nebo je používají v cementu a stavebních materiálech ke snížení skládkování.
Otázka: Jak se výroba hliníku stala čistší?
Moderní hutě používají inertní nebo předem vypálené anody s úpravou výparů ke snížení emisí, vodní a obnovitelné zdroje energie ke snížení uhlíkové stopy a průmysl recykluje šrot interně; při výrobě hliníku z recyklovaného kovu se spotřebuje pouze asi 5 % energie primární výroby.
Otázka: Kolik bauxitu je potřeba k výrobě jedné tuny hliníku?
Zpravidla se asi 4–5 tun bauxitu rafinuje na zhruba 2 tuny oxidu hlinitého, který se pak přetaví na asi 1 tunu primárního hliníku. Přesný poměr závisí na jakosti rudy a účinnosti rafinérie a huti.