Aplicarea geostiinței la cele mai importante provocări ale Australiei

Introducere

Aluminiul este peste tot în jurul dumneavoastră – de la obiecte de zi cu zi, cum ar fi o cutie de băutură răcoritoare, până la avioanele care zboară pe cer. Aluminiul este unul dintre cele mai utile materiale cunoscute de om. Acesta poate fi aliat (amestecat) cu aproape orice alt metal pentru a crea materiale cu proprietăți utile. Metalele aliate cu aluminiu sunt toate foarte puternice, dar ușoare și rezistente la rugină.

După oxigen și siliciu, aluminiul este al treilea cel mai abundent element din scoarța terestră (8,2%) și, de departe, cel mai abundent metal. Spre deosebire de metale precum cuprul, aurul, plumbul, fierul și zincul, care sunt folosite de oameni de mii de ani, aluminiul este utilizat în mod curent doar de puțin peste 100 de ani. Acest lucru se datorează faptului că aluminiul nu se găsește niciodată în stare pură în natură. Astfel, deși oamenii știau despre compușii aluminiului, au descoperit cum să extragă aluminiul metalic abia la sfârșitul anilor 1800.

Aluminiul poate fi extras (în mod neeconomic) din unele argile, dar cel mai comun minereu de aluminiu este un material numit bauxită. Mai întâi trebuie să se extragă minereul de aluminiu, apoi bauxita este rafinată în alumină (oxid de aluminiu). Cantități mari de energie electrică sunt folosite pentru a topi alumina în aluminiu metalic.

Proprietăți

Aluminiul este un metal de culoare argintie care nu se găsește niciodată ca atare în natură. Este foarte ușor (aproximativ o treime din greutatea cuprului), dar puternic; unele aliaje sunt chiar mai puternice decât oțelul. Aluminiul este atât maleabil (poate fi presat în formă), cât și ductil (poate fi bătut și tras în sârmă). Aluminiul este un foarte bun conductor termic și electric. De asemenea, este foarte rezistent la rugină și este netoxic. Aluminiul poate fi aliat cu aproape orice alt metal. Aluminiul este inflamabil, nemagnetic și nu produce scântei. 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 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. De asemenea, este folosită în producția de izolatori pentru bujii, ca și componentă a combustibilului pentru propulsoarele de rachete cu combustibil solid, ca material de umplutură pentru materiale plastice, ca abraziv (este mai ieftină decât diamantul industrial) și în rafinăriile de metale, unde este folosită pentru a transforma gazele reziduale toxice de hidrogen sulfurat în sulf elementar.

Alumina care se găsește în stare naturală, cristalină, este denumită corindon mineral. Uneori, cristalele de corindon sunt contaminate cu urme de crom, fier, titan, cupru sau magneziu. Noi numim aceste cristale rubine și safire.

După fier și oțel, aluminiul este cel mai utilizat metal de pe Pământ. Acesta este adesea aliat cu cupru, zinc, magneziu, mangan sau siliciu, iar adăugarea unor cantități mici de zirconiu, hafniu sau scandiu la aceste aliaje le îmbunătățește considerabil rezistența. Aluminiul în sine are o gamă largă de utilizări, de la construcția specializată de aeronave până la obiecte de uz cotidian precum cuțite și furculițe. Unele dintre aceste utilizări sunt enumerate în tabelul de mai jos.

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. Este folosit și astăzi pentru a opri sângerarea.

Mediul Evului Mediu: Cea mai mare parte a alunului provenea din teritoriul papal Tolfa, dar prețul a scăzut dramatic atunci când un depozit mare de șisturi de alun a fost descoperit în Yorkshire la începutul anilor 1600. În următoarele secole, alaunul a fost folosit în două domenii principale: ca agent de conservare pentru hârtie și ca agent de fixare pentru vopsirea țesăturilor.

1808: Englezul Sir Humphry Davy a încercat să extragă aluminiul prin electroliză. Nu a reușit, dar a stabilit existența acestuia și i-a dat numele.

1821: Geologul francez Pierre Berthier a descoperit un material bogat în aluminiu în apropierea satului Les Baux din Provence, Franța. Acesta a fost numit bauxită, după numele satului.

1825: Hans Christian Oersted din Danemarca a produs aluminiu impur prin încălzirea clorurii de aluminiu cu amalgam de potasiu.

1827: Chimistul german Friedrich Wöhler a extras aluminiul sub formă de pulbere prin reacția potasiului cu clorură de aluminiu anhidră îmbunătățind procedeul lui Oersted.

1855: Chimistul francez Henri Saint-Claire Deville a reușit să obțină o bară solidă de aluminiu folosind sodiu în locul potasiului, mai scump. Bara de aluminiu a fost considerată atât de prețioasă încât a fost expusă în același an alături de bijuteriile coroanei franceze.

1886: Doi oameni de știință de pe continente diferite (Charles Hall în America și Paul Heroult în Franța) au descoperit independent o metodă economică de producere a aluminiului prin electroliză în criolit topit (fluorură de sodiu și aluminiu). Întâmplător, ambii s-au născut în 1864 și amândoi au murit în 1914.

1887: Chimistul austriac Karl Josef Bayer, care lucra în Rusia, a dezvoltat o metodă de extragere a aluminei din bauxită.

1888: Hall a fondat Pittsburgh Reduction Company (cunoscută sub numele de Alcoa din 1907).

1890: Descoperirile Hall-Heroult și Bayer au făcut ca prețul aluminiului să se prăbușească cu 80%. În 1888, aluminiul costa 4,86 USD pe livră. În 1893, era de 0,78 USD pe livră, iar la sfârșitul anilor 1930 costa doar 0,20 USD pe livră și avea mai mult de 2000 de utilizări.

1900: Au fost produse doar 8000 de tone de aluminiu, dar 100 de ani mai târziu au fost produse 24,5 milioane de tone, iar în 2016 se estimează că au fost produse 57,6 milioane de tone.

1911: Chimistul german Alfred Wilm a dezvoltat aliaje de aluminiu importante, suficient de solide pentru fabricarea unor obiecte precum avioanele. A existat o cerere mare de aluminiu în timpul celui de-al Doilea Război Mondial și al Războiului din Coreea, deoarece avioanele fuseseră fabricate anterior din lemn și țesături.

1922: A fost fabricată folia de aluminiu.

1955: Prima topitorie de aluminiu din Australia a fost deschisă la Bell Bay, Tasmania.

1958: Au fost produse pentru prima dată cutii de aluminiu pentru băuturi răcoritoare.

1961: Alcoa formează Alcoa of Australia.

1963: Alcoa of Australia deschide prima rafinărie de alumină din Australia la Kwinana în Australia de Vest, urmată de Pinjarra în 1972 și Wagerup în 1984.

Astăzi: În 2016 au fost produse aproximativ 57,6 milioane de tone de aluminiu. Aceasta este mai mult decât toate celelalte metale neferoase combinate. Australia exploatează bauxită în Queensland, Australia de Vest, Teritoriul de Nord și Tasmania și este cel mai mare producător de bauxită din lume. Australia este, de asemenea, un lider mondial în producția de alumină și aluminiu. Cele trei rafinării din Australia de Vest furnizează 45% din alumina australiană și 11% din totalul global, ceea ce le face cea mai mare sursă unică de alumină din lume.

Formație

Bauxita este cel mai comun minereu de aluminiu. Bauxita apare sub formă de acoperire sau pătură alterată, cunoscută sub numele de laterită sau duricrust, peste o varietate de roci care conțin alumină. Ea se formează atunci când cantități mari de precipitații elimină prin leșiere elementele mai mobile din roca gazdă, lăsând aluminiul relativ imobil împreună cu o parte din siliciu, fier și titan. Datorită modului în care se formează, zăcămintele de bauxită pot fi foarte extinse și se găsesc pe aproape toate continentele.

Principalele minerale de aluminiu din bauxită sunt gibbsita , boehmite și diaspora, care este un polimorf (formă alternativă) al boehmitei, dar este mai densă și mai dură. Alumina pură (Al2O3) conține 52,9% aluminiu și 47,1% oxigen. Bauxita poate fi foarte dură sau la fel de moale ca noroiul și se poate prezenta sub formă de pământ compactat (atât friabil, cât și re-cimentat), bile mici (pisolite) sau material gol, asemănător unor crenguțe (tuburi). Culorile sale pot fi cafeniu, roz, galben, roșu sau alb, sau orice combinație a acestora. Aluminiul este, de asemenea, prezent în multe pietre prețioase, cum ar fi turcoazul, rubinele, safirele, smaraldele, topazul, jadul și acvamarinele.

Resurse

Minerul de bauxită conține niveluri suficient de ridicate de oxizi de aluminiu și niveluri suficient de scăzute de oxid de fier (Fe2O3) și siliciu (SiO2) pentru a putea fi exploatat din punct de vedere economic. Cantitatea de siliciu reactiv este deosebit de importantă, deoarece această formă de siliciu consumă soda caustică necesară pentru a produce alumină, astfel încât este de dorit un nivel scăzut de siliciu reactiv. Alte surse potențiale de aluminiu includ o varietate de roci și minerale, cum ar fi șisturile și ardezia aluminoasă, rocile fosfatice de aluminiu și argilele cu conținut ridicat de alumină.

Cele mai mari resurse economice de bauxită din lume se găsesc în Guineea, Australia, Brazilia, Vietnam și Jamaica. În Australia, bauxita este exploatată din exploatări în aer liber stabilite la Weipa în Queensland, Gove în Teritoriul de Nord și Darling Range în Australia de Vest. În plus, noi mine au început recent să funcționeze în regiunea Cape York din Queensland și în centrul Tasmaniei. Alte zăcăminte de bauxită se găsesc în nordul Australiei de Vest, în New South Wales și în estul Queensland-ului, dar în prezent nu sunt exploatabile din punct de vedere economic.

Refinăriile de alumină ale Australiei sunt situate în Australia de Vest (Kwinana, Wagerup, Pinjarra și Worsely) și în Queensland (QAL și Yarwun), iar topitoriile sale de aluminiu sunt situate în Tasmania (Bell Bay), Queensland (Boyne Island), Victoria (Portland) și New South Wales (Tomago). China este cel mai mare consumator de aluminiu din lume și, în ciuda unei producții interne puternice, importă cantități mari de alumină și bauxită brută, reprezentând peste 40% din consumul global. Alte piețe mari de aluminiu sunt Statele Unite ale Americii, Japonia și Europa, dar aceste regiuni posedă puține zăcăminte economice de bauxită și se bazează, de asemenea, pe importurile de bauxită și alumină pentru rafinăriile lor de alumină și topitoriile de aluminiu.

Informații suplimentare despre resurse și producție.

Extracție

Extracția metalului aluminiu are loc în trei etape principale¿extracția minereului de bauxită, rafinarea minereului pentru a recupera alumina și topirea aluminei pentru a produce aluminiu. Bauxita este exploatată prin metode de suprafață (exploatare minieră în aer liber), în care solul vegetal și stratul superior sunt îndepărtate cu buldozere și raclete. Pământul vegetal este apoi depozitat și utilizat ulterior pentru refacerea vegetației și refacerea zonei după terminarea exploatării. Bauxita subiacentă este exploatată cu ajutorul încărcătoarelor frontale, al lopeților electrice sau al excavatoarelor hidraulice. Unele minereuri de bauxită sunt pur și simplu zdrobite, uscate și transportate. Altă bauxită este tratată după concasare prin spălare pentru a elimina o parte din argilă, siliciul reactiv și deșeurile de nisip; și apoi este uscată în cuptoare rotative. Minereul este încărcat în camioane, vagoane de cale ferată sau pe benzi transportoare și este transportat către nave sau rafinării.

O serie de factori din ciclul de producție a aluminiului au legătură cu mediul și se alocă resurse considerabile pentru a minimiza impactul mineritului, al rafinării și al topiturii asupra mediului înconjurător. Se realizează reabilitarea minelor, depunându-se toate eforturile pentru a readuce zona cel puțin la starea inițială. Se acordă atenție manipulării și eliminării noroiului roșu de la rafinării. De obicei, acest noroi este pompat în baraje care sunt sigilate cu materiale impermeabile pentru a preveni poluarea peisajului înconjurător.

Procesarea

În aproape toate operațiunile comerciale, alumina este extrasă din bauxită prin procesul de rafinare Bayer. Procesul, descoperit de Karl Josef Bayer în 1888, constă în patru etape.

Digestie: bauxita fin măcinată este introdusă într-o unitate încălzită cu abur, numită digestor. Aici este amestecată, sub presiune, cu o soluție fierbinte de sodă caustică. Oxidul de aluminiu din bauxită (și silicea reactivă) reacționează cu soda caustică formând o soluție de aluminat de sodiu sau licoare verde și un precipitat de silicat de sodiu și aluminiu.

Clarificare: licoarea verde sau soluția purtătoare de alumină este separată de deșeuri¿ oxizii de fier și silicea nedizolvate care făceau parte din bauxita originală și care acum alcătuiesc deșeurile de nisip și noroi roșu. Această etapă implică trei etape: în primul rând, deșeurile grosiere de nisip sunt îndepărtate și spălate pentru a recupera soda caustică; în al doilea rând, se separă noroiul roșu; și, în cele din urmă, lichiorul verde rămas este pompat prin filtre pentru a elimina orice impurități reziduale. Nisipul și nămolul sunt pompate împreună în lacuri de reziduuri, iar lichiorul verde este pompat în schimbătoare de căldură, unde este răcit de la 1000°C la aproximativ 650-790°C.

Precipitare: alumina este precipitată din lichior sub formă de cristale de hidrat de alumină. Pentru a face acest lucru, soluția de lichior verde este amestecată în vase înalte de precipitare cu cantități mici de alumină cristalină fină, care stimulează precipitarea hidratului de alumină solidă pe măsură ce soluția se răcește. La final, hidratul de alumină solidă trece în etapa următoare, iar licoarea rămasă, care conține sodă caustică și o parte din alumină, se întoarce în digestor.

Calcinare: hidratul de alumină este spălat pentru a elimina orice rest de licoare rămasă și apoi este uscat. În cele din urmă este încălzit la aproximativ 1000°C pentru a alunga apa de cristalizare, lăsând alumina – un material uscat, alb pur, nisipos. O parte din alumină poate fi lăsată sub formă de hidrat sau poate fi prelucrată ulterior pentru industria chimică.

Alumina este transformată în aluminiu printr-un proces de topire. Toată producția comercială de aluminiu se bazează pe procesul de topire Hall-Héroult, în care aluminiul și oxigenul din alumină sunt separate prin electroliză. Electroliza presupune trecerea unui curent electric printr-o soluție topită de alumină și criolit natural sau sintetic (fluorură de sodiu și aluminiu). Soluția topită este conținută în celule de reducere sau vase care sunt căptușite în partea de jos cu carbon (catodul) și sunt conectate într-o serie electrică numită potline. În partea de sus a fiecărui vas sunt introduși anozi de carbon, ale căror funduri sunt scufundate în soluția topită.

Pasajul unui curent electric face ca oxigenul din alumină să se combine cu carbonul anodului, formând dioxid de carbon gazos. Aluminiul metalic topit rămas se adună la catodul de pe fundul vasului. Periodic, acesta este sifonat și transferat în cuptoare mari de păstrare. Impuritățile sunt îndepărtate, se adaugă elemente de aliere și aluminiul topit este turnat în lingouri.

Procesul de topire este unul continuu. Pe măsură ce se reduce conținutul de alumină din baia de criolit se adaugă mai multă. Căldura generată de trecerea curentului electric menține baia de criolit în stare topită, astfel încât aceasta va dizolva alumina. În timpul procesului de topire se consumă o cantitate mare de energie; pentru a produce o tonă de aluminiu din aproximativ două tone de alumină sunt necesari între 14.000 și 16.000 de kilowați oră de energie electrică. Aluminiul este denumit uneori „electricitate solidă”, datorită cantității mari de energie electrică utilizată în producția sa. Disponibilitatea de energie electrică ieftină este, prin urmare, esențială pentru o producție economică.

Ligourile de aluminiu sunt produse în diferite forme și dimensiuni, în funcție de utilizarea lor finală. Ele pot fi laminate în plăci, foi, folii, bare sau tije. Ele pot fi trase în sârmă care este împletită în cabluri pentru liniile de transmisie electrică. Presele extrudă lingourile în sute de forme utile și decorative diferite sau instalațiile de fabricare le pot transforma în forme structurale de mari dimensiuni.

.