A geotudományok alkalmazása Ausztrália legfontosabb kihívásaira
Bevezetés
Alumíniumfólia. Forrás: Forrás: Wikimedia Commons
Az alumínium mindenütt ott van körülöttünk – az olyan hétköznapi tárgyaktól kezdve, mint egy üdítős doboz, egészen a fejünk felett repülő repülőgépekig. Az alumínium az ember által ismert egyik leghasznosabb anyag. Szinte bármilyen más fémmel ötvözhető (keverhető), hogy hasznos tulajdonságokkal rendelkező anyagokat hozzon létre. Az alumíniummal ötvözött fémek mind nagyon erősek, mégis könnyűek, és ellenállnak a rozsdásodásnak.
Az oxigén és a szilícium után az alumínium a harmadik leggyakoribb elem a földkéregben (8,2%), és messze a leggazdagabb fém. Az olyan fémekkel ellentétben, mint a réz, az arany, az ólom, a vas és a cink, amelyeket az emberek már évezredek óta használnak, az alumíniumot csak alig több mint 100 éve használják általánosan. Ennek az az oka, hogy az alumínium a természetben soha nem található meg tiszta állapotban. Tehát míg az emberek tudtak az alumíniumvegyületekről, az alumínium fém kinyerésére csak az 1800-as évek végén jöttek rá.
Az alumíniumot (gazdaságtalanul) ki lehet nyerni néhány agyagból, de a legelterjedtebb alumíniumérc a bauxit nevű anyag. Az alumíniumércet először ki kell bányászni, majd a bauxitot timfölddé (alumínium-oxiddá) finomítják. A timföld alumíniumfémmé olvasztásához nagy mennyiségű villamos energiát használnak.
Tulajdonságok
Az alumínium ezüstös színű fém, amely a természetben önmagában soha nem fordul elő. Nagyon könnyű (körülbelül egyharmada a réz súlyának), mégis erős; egyes ötvözetei még az acélnál is erősebbek. Az alumínium egyszerre képlékeny (formába préselhető) és képlékeny (verhető és dróttá húzható). Az alumínium nagyon jó hő- és elektromos vezető. Emellett rendkívül rozsdaálló és nem mérgező. Az alumínium szinte bármilyen más fémmel ötvözhető. Az alumínium gyúlékony, nem mágneses és nem szikrázik. These properties have made it an important metal in the modern world. As aluminium is such a reactive metal, you might think it would rust badly and therefore be useless. However, pure aluminium reacts very quickly with air or water to form a thin, almost invisible layer of aluminium oxide on its surface, which then acts as a protective coating preventing any further ‘rusting’.
|
The Properties of Aluminium |
|
|---|---|
|
Chemical symbol |
Al – from the Roman word Alumen – the word for the aluminium-potassium compound alum |
|
Ore |
Bauxite |
|
Relative density |
2.7 g/cm3 |
|
Hardness |
2.75 on Mohs scale |
|
Malleability |
High |
|
Ductility |
High |
|
Melting point |
660°C |
|
Boiling Point |
2470°C |
Uses
Aluminium-bodied Austin “A40 Sports” (c. 1951). Forrás: A repülőgépek és a repülőgépek gyártása és üzemeltetése: Wikimedia Commons
Aluminium is smelted from alumina which is refined from bauxite ore. All three products have a number of uses.
More than 90% of the world’s bauxite production is used to make alumina with most of the remaining 10% used by the abrasive, refractory and chemical industries. Bauxite is also used in the production of high-alumina cement, as an absorbent or catalyst by the oil industry, in welding rod coatings and as a flux in making steel and ferroalloys.
Alumina’s primary use is as feedstock for aluminium smelters, however it is also used for other industrial purposes. It is used in glass, porcelain and in metallic paints, such as those sprayed on cars. Használják továbbá gyújtógyertyaszigetelők gyártásánál, szilárd rakétahajtóművek üzemanyag-összetevőjeként, műanyagok töltőanyagaként, csiszolóanyagként (olcsóbb, mint az ipari gyémánt) és fémfinomítókban, ahol a mérgező hidrogén-szulfid hulladékgázok elemi kénné történő átalakítására használják.
A természetes, kristályos állapotban előforduló alumínium-dioxidot korund ásványnak nevezik. Néha a korundkristályok nyomokban krómot, vasat, titánt, rezet vagy magnéziumot tartalmaznak. Ezeket a kristályokat rubinnak és zafírnak nevezzük.
A vas és az acél után az alumínium a Földön leggyakrabban használt fém. Gyakran ötvözik rézzel, cinkkel, magnéziummal, mangánnal vagy szilíciummal, és kis mennyiségű cirkónium, hafnium vagy szkandium hozzáadása ezekhez az ötvözetekhez jelentősen javítja azok szilárdságát. Magát az alumíniumot sokféleképpen használják, a speciális repülőgépgyártástól kezdve az olyan hétköznapi tárgyakig, mint a kések és villák. Az alábbi táblázatban néhány felhasználási módot mutatunk be.
|
Use |
Description |
|---|---|
|
Building and construction |
Cladding, doors, window frames, awnings and bridge rails as aluminium is strong, light, easily shaped and resistant to rust. |
|
Transport |
Parts for cars, trucks, buses, aircraft, ships, rail and trams as aluminium is strong, light, easily shaped and resistant to rust. |
|
Appliances |
Fridges, washing machines, lawn mowers etc. due to its strength, malleability and rust resistance. |
|
Heating and ventilation |
Heating and cooling systems as aluminium is a good conductor of heat. |
|
Packaging |
Kitchen foil, packaging foil, cans and containers (worldwide, four out of every five drink cans are made of aluminium) as aluminium can be rolled into very thin sheets and is non-toxic. |
|
Electrical and communications |
Power transmission including towers, electrical conduits, superconductors, machinery and equipment, telephone cables and capacitors because of aluminium’s ability to conduct electricity. |
|
Other |
Utensils (cutlery, pans), industrial machinery, chemical industry, production of steel, antiperspirants, furniture, reflectors in telescopes, making high octane petrol, road signs, antacids and jewellery due to its many useful properties. |
History
Around 5300 BC: The Persians made extra strong pots from clay containing aluminium oxide.
Around 2000 BC: The ancient Egyptians and Babylonians used potassium aluminium sulphate KAl(SO4)2 as a medicine to reduce bleeding. It was sourced from naturally occurring deposits in Greece and Turkey. The ancient Romans called this medical compound “alum”, which is where we get the modern day word and symbol from. Ma is használják vérzéscsillapításra.
Középkor: A legtöbb timföld a pápai Tolfa területéről származott, de az ára drasztikusan csökkent, amikor az 1600-as évek elején Yorkshire-ben nagy mennyiségű timföldpala-lelőhelyet fedeztek fel. A következő évszázadokban a timföldet két fő területen használták: a papír tartósítására és a ruhafestéshez használt rögzítőanyagként.
1808: Az angol Sir Humphry Davy megpróbálta az alumíniumot elektrolízissel kinyerni. Nem járt sikerrel, de megállapította a létezését, és nevet adott neki.
1821: Pierre Berthier francia geológus a franciaországi Provence-ban, Les Baux falu közelében alumíniumban gazdag anyagot fedezett fel. A falu után bauxitnak nevezte el.
1825: Hans Christian Oersted Dániában tisztátalan alumíniumot állított elő alumínium-kloridot kálium-amalgámmal hevítve.
1827: Friedrich Wöhler német kémikus Oersted eljárását továbbfejlesztve káliumot vízmentes alumínium-kloriddal reagáltatva por alakban nyert ki alumíniumot.
1855: Henri Saint-Claire Deville francia vegyésznek sikerült szilárd alumíniumrudat előállítania a drágább kálium helyett nátriummal. Az alumíniumrudat olyan értékesnek tartották, hogy még abban az évben kiállították a francia koronaékszerek mellett.
1886: Két tudós külön kontinensen (Charles Hall Amerikában és Paul Heroult Franciaországban) egymástól függetlenül felfedezett egy gazdaságos módszert az alumínium előállítására olvasztott kriolitban (nátrium-alumínium-fluorid) történő elektrolízis útján. Egyébként mindketten 1864-ben születtek és mindketten 1914-ben haltak meg.
1887: Karl Josef Bayer osztrák kémikus Oroszországban dolgozva kifejlesztett egy módszert a bauxitból való timföld kinyerésére.
1888: Hall megalapította a Pittsburgh Reduction Company-t (1907 óta Alcoa néven ismert).
1890: A Hall-Heroult és Bayer felfedezéseinek hatására az alumínium ára 80%-kal zuhant. Az alumínium 1888-ban fontonként 4,86 dollárba került. 1893-ban 0,78 dollár volt fontonként, az 1930-as évek végén pedig már csak 0,20 dollárba került fontonként, és több mint 2000 felhasználási módja volt.
1900: Mindössze 8000 tonna alumíniumot állítottak elő, de 100 évvel később már 24,5 millió tonnát, 2016-ban pedig becslések szerint 57,6 millió tonnát.
Az F-16-os vadászgépet úgy tervezték, hogy viszonylag olcsón megépíthető és egyszerűbben karbantartható legyen, mint a korábbi generációs vadászgépek. A repülőgép váza körülbelül 80%-ban repülési célú alumíniumötvözetekből, 8%-ban acélból, 3%-ban kompozit anyagokból és 1,5%-ban titánból épül. Forrás: Wikimedia Commons, Andy Dunaway törzsőrmester
1911: Alfred Wilm német vegyész fontos alumíniumötvözeteket fejlesztett ki, amelyek elég szilárdak voltak olyan tárgyak gyártásához, mint a repülőgépek. A második világháború és a koreai háború idején nagy volt az alumínium iránti kereslet, mivel a repülőgépek korábban fából és szövetből készültek.
1922: Az alumíniumfóliát gyártották.
1955: Megnyitották az első alumíniumkohót Ausztráliában a tasmániai Bell Bayben.
1958: Először gyártottak alumínium üdítős dobozokat.
1961: Az Alcoa megalakítja az Alcoa of Australia-t.
1963: Az Alcoa of Australia megnyitja az első timföldfinomítót Ausztráliában a nyugat-ausztráliai Kwinanában, amelyet 1972-ben Pinjarra, 1984-ben pedig Wagerup követ.
Napjainkban: 2016-ban becslések szerint 57,6 millió tonna alumíniumot állítottak elő. Ez több, mint az összes többi színesfém együttvéve. Ausztrália Queenslandben, Nyugat-Ausztráliában, az Északi Területen és Tasmániában bányászik bauxitot, és a világ legnagyobb bauxittermelője. Ausztrália világelső a timföld- és alumíniumtermelésben is. A három nyugat-ausztráliai finomító Ausztrália timföldtermelésének 45%-át és a világ összes timföldtermelésének 11%-át adja, ezzel a világ legnagyobb timföldforrásává vált.
Képződés
Weipa bauxit, R30128. Forrás: A bauxitbányászat és a bauxitbányászat területén található bauxitbányák: Geoscience Australia.
A bauxit a leggyakoribb alumíniumérc. A bauxit különböző alumíniumtartalmú kőzetek felett időjárás okozta fedőrétegként vagy takaróként, úgynevezett lateritként vagy durikrustként fordul elő. Akkor képződik, amikor a nagy mennyiségű csapadék kimossa a hordozó kőzet mozgékonyabb elemeit, így a viszonylag mozdulatlan alumínium némi szilíciummal, vassal és titánnal együtt megmarad. Kialakulásának módja miatt a bauxitlelőhelyek igen kiterjedtek lehetnek, és szinte minden kontinensen megtalálhatók.
A bauxit fő alumíniumásványai a gibbszit , a böhmit és a diaszpór, amely a böhmit polimorf (váltakozó formája), de sűrűbb és keményebb. A tiszta timföld (Al2O3) 52,9% alumíniumot és 47,1% oxigént tartalmaz. A bauxit lehet nagyon kemény vagy olyan lágy, mint a sár, és előfordulhat tömörített föld (morzsalékos és visszazementált), kis golyók (pisolitok) vagy üreges, gallyszerű anyag (tubulusok) formájában. Színe lehet buff, rózsaszín, sárga, vörös vagy fehér, illetve ezek bármilyen kombinációja. Az alumínium számos drágakőben, például türkizben, rubinban, zafírban, smaragdban, topázban, jádéban és akvamarinban is jelen van.
Források
A bauxitérc kellően magas alumínium-oxid és megfelelően alacsony vas-oxid (Fe2O3) és szilícium-dioxid (SiO2) tartalommal rendelkezik ahhoz, hogy gazdaságosan bányászható legyen. A reaktív szilícium-dioxid mennyisége különösen fontos, mivel a szilícium-dioxidnak ez a formája fogyasztja a timföldgyártáshoz szükséges nátronlúgot, ezért kívánatos az alacsony reaktív szilícium-dioxid-tartalom. Az alumínium egyéb potenciális forrásai közé tartoznak a különböző kőzetek és ásványok, például az alumíniumtartalmú pala és pala, az alumínium-foszfátkőzet és a magas alumíniumtartalmú agyagok.
Ausztrália főbb bauxitlelőhelyei, bányái, timföldfinomítói és alumíniumkohói (2016). Source: Geoscience Australia.
A világ legnagyobb gazdasági bauxitkészletei Guineában, Ausztráliában, Brazíliában, Vietnamban és Jamaikában találhatók. Ausztráliában a bauxitot a Queenslandben található Weipa, az Északi Területen található Gove és a Nyugat-Ausztráliában található Darling Range településeken működő nyílt bányászati üzemekben bányásszák. Ezenkívül a közelmúltban új bányák kezdték meg működésüket a queenslandi Cape York régióban és Tasmánia középső részén. További bauxitlelőhelyek találhatók Nyugat-Ausztrália északi részén, Új-Dél-Walesben és Queensland keleti részén, de jelenleg nem gazdaságos a bányászatuk.
Ausztrália timföldfinomítói Nyugat-Ausztráliában (Kwinana, Wagerup, Pinjarra és Worsely) és Queenslandben (QAL és Yarwun), alumíniumkohói pedig Tasmaniában (Bell Bay), Queenslandben (Boyne Island), Victoriában (Portland) és Új-Dél-Walesben (Tomago) találhatók. Kína a világ legnagyobb alumíniumfogyasztója, és az erős hazai termelés ellenére nagy mennyiségű timföldet és nyers bauxitot importál, amely a globális fogyasztás több mint 40%-át teszi ki. További nagy alumíniumpiacok az Amerikai Egyesült Államok, Japán és Európa, de ezek a régiók kevés gazdaságos bauxitlelőhellyel rendelkeznek, és szintén bauxit- és timföldimportra támaszkodnak timföldfinomítóik és alumíniumkohóik számára.
További információ az erőforrásokról és a termelésről.
Bányászat
Az alumínium fém kinyerése három fő szakaszban történik: a bauxitérc bányászata, az érc finomítása a timföld kinyerése érdekében és a timföld olvasztása az alumínium előállítása érdekében. A bauxit bányászata külszíni módszerekkel történik (külszíni bányászat), amelynek során a fedőréteget és az üledéket buldózerekkel és kaparókkal távolítják el. A fedőtalajt tárolják, majd a bányászat befejezése után a terület újratelepítésére és helyreállítására használják. Az alatta lévő bauxitot homlokrakodókkal, motoros lapátokkal vagy hidraulikus kotrógépekkel bányásszák. Egyes bauxitérceket csupán összezúznak, megszárítanak és elszállítanak. Más bauxitokat a zúzás után mosással kezelnek, hogy eltávolítsák az agyag, a reaktív szilícium-dioxid és a homokhulladék egy részét; majd forgókemencében szárítják. Az ércet teherautókra, vasúti kocsikra vagy szállítószalagokra rakodják, és hajókra vagy finomítókba szállítják.
Az alumíniumgyártási ciklus számos tényezője kapcsolódik a környezethez, és jelentős erőforrásokat fordítanak arra, hogy minimalizálják a bányászat, a finomítás és az olvasztás környezetre gyakorolt hatását. A bányák rehabilitációja során mindent megtesznek annak érdekében, hogy a terület legalább az eredeti állapotot visszaállítsák. Gondoskodnak a finomítókból származó vörösiszap kezeléséről és ártalmatlanításáról. Ezt az iszapot általában gátakba szivattyúzzák, amelyeket vízzáró anyaggal zárnak le, hogy megakadályozzák a környező vidék szennyezését.
Feldolgozás
Majdnem minden kereskedelmi üzemben a timföldet a Bayer-féle finomítási eljárással nyerik ki a bauxitból. A Karl Josef Bayer által 1888-ban felfedezett eljárás négy lépésből áll.
Emésztés: a finomra őrölt bauxitot egy gőzzel fűtött egységbe, az úgynevezett kotróba vezetik. Itt nyomás alatt összekeverik egy forró nátronlúgos oldattal. A bauxit alumínium-oxidja (és a reaktív szilícium-dioxid) reakcióba lép a nátronlúggal, és nátrium-aluminát oldatot vagy zöld lúgot és nátrium-alumínium-szilikát csapadékot képez.
Megvilágítás: a zöld lúgot vagy alumínium-dioxidot tartalmazó oldatot elválasztják a hulladéktól – az eredeti bauxit részét képező, fel nem oldott vas-oxidoktól és szilícium-dioxidtól, amelyek most a homokot és a vörösiszapot alkotják. Ez a szakasz három lépést foglal magában: először a durva homokméretű hulladékot eltávolítják és mossák, hogy visszanyerjék a nátronlúgot; másodszor a vörösiszapot választják ki; és végül a maradék zöld lúgot szűrőkön keresztül szivattyúzzák, hogy eltávolítsák a maradék szennyeződéseket. A homokot és az iszapot együtt a maradék tavakba szivattyúzzák, a zöld lúgot pedig hőcserélőkbe szivattyúzzák, ahol 1000 °C-ról körülbelül 650-790 °C-ra hűtik.
Kiválás: a timföldet timföldhidrát-kristályok formájában kiválik a lúgból. Ehhez a zöld lúgoldatot magas csapadékleválasztó edényekben kis mennyiségű finom kristályos timfölddel keverik össze, ami az oldat lehűlése során serkenti a szilárd timföldhidrát kicsapódását. Ha ez megtörtént, a szilárd timföldhidrátot továbbítják a következő szakaszba, a maradék lúg, amely nátronlúgot és némi timföldet tartalmaz, pedig visszakerül a főzőkbe.
Kalcinálás: a timföldhidrátot kimossák, hogy eltávolítsák a maradék lúgot, majd megszárítják. Végül kb. 1000 °C-ra hevítik, hogy a kristályvizet elűzzék, így marad a timföld – száraz, tiszta, fehér, homokos anyag. A timföld egy része hidrát formában maradhat, vagy tovább feldolgozható a vegyipar számára.
A timföldből olvasztási eljárással alumíniumot állítanak elő. Minden kereskedelmi alumíniumgyártás a Hall-Héroult-féle olvasztási eljáráson alapul, amelyben a timföldben lévő alumíniumot és oxigént elektrolízissel választják el. Az elektrolízis során elektromos áramot vezetnek át timföld és természetes vagy szintetikus kriolit (nátrium-alumínium-fluorid) olvadt oldatán. Az olvadt oldatot redukciós cellák vagy edények tartalmazzák, amelyek alján szénnel (katód) vannak kibélelve, és egy elektromos sorba, úgynevezett potline-ba vannak kapcsolva. Az egyes edények tetejébe szénanódokat helyeznek, amelyek alját az olvadt oldatba merítik.
Az elektromos áram áthaladásával a timföldből származó oxigén egyesül az anód szénjével, és szén-dioxid gázt képez. A maradék olvadt fémes alumínium az edény alján lévő katódnál gyűlik össze. Időnként kiszivattyúzzák és nagy tárolókemencékbe vezetik. A szennyeződéseket eltávolítják, ötvözőelemeket adnak hozzá, és az olvadt alumíniumot ingotokká öntik.
A kohászati folyamat folyamatos. Ahogy a kriolitfürdő timföldtartalma csökken, úgy adnak hozzá egyre többet. Az elektromos áram áthaladásával keletkező hő olvadt állapotban tartja a kriolitfürdőt, így az feloldja a timföldet. Az olvasztási folyamat során nagy mennyiségű energiát használnak fel; 14 000-16 000 kilowattóra elektromos energiára van szükség ahhoz, hogy körülbelül két tonna timföldből egy tonna alumíniumot állítsanak elő. Az alumíniumot néha “szilárd villamos energiának” is nevezik a gyártásához felhasznált nagy mennyiségű energia miatt. Az olcsó villamos energia rendelkezésre állása ezért elengedhetetlen a gazdaságos termeléshez.
Az alumíniumrudakat a végfelhasználásuktól függően különböző formákban és méretekben állítják elő. Ezekből hengerelhetők lemezek, lemezek, fóliák, rudak vagy rudak. Húzhatók huzallá, amelyet elektromos távvezetékekhez használt kábellé sodornak. A présgépek az ingotokat több száz különböző hasznos és dekoratív formává préselik, vagy a gyártóüzemek nagyméretű szerkezeti formákká alakítják őket.