آلومینیوم چگونه ساخته میشود؟
آلومینیوم یکی از فلزات پرکاربرد است که تقریبا در همه جا از قوطی‌های آبجو گرفته تا قطعات هواپیما یافت میشود.
با اینحال، این فلز سبک به‌طور طبیعی وجود ندارد و تولید آن یک فرآیند پیچیده است. بوکسیت‌ها سنگ‌هایی هستند که از اکسیدهای آلومینیوم همراه با سایر مواد معدنی تشکیل شده‌اند و منبع اصلی آلومینیوم در جهان هستند. پس از استخراج، بوکسیت به آلومینا تصفیه میشود و سپس به آلومینیوم تبدیل میشود
سه مرحله تولید آلومینیوم
این اینفوگرافیک‌ها از داده‌های USGS، Aluminium Leader و منابع دیگر برای تجزیه و تحلیل سه مرحله تولید آلومینیوم استفاده می‌کنند.
هر سال، حدود ۳۹۰ میلیون تن سنگ بوکسیت در دنیا تولید میشود که ۸۵ درصد آن برای تولید آلومینیوم استفاده میشود. بوکسیت‌ها سنگ‌هایی هستند که از اکسیدهای آلومینیوم همراه با سایر مواد معدنی تشکیل شده‌اند و منبع اصلی آلومینیوم در جهان هستند. پس از استخراج، بوکسیت به آلومینا تصفیه میشود و سپس به آلومینیوم تبدیل میشود.
بنابراین، آلومینیوم معمولاً طی 3 مرحله از سنگ معدن به فلز تبدیل میشود.
مرحله ۱: استخراج بوکسیت
بوکسیت به‌طور معمول از زمین در معادن روباز استخراج میشود و تنها سه کشوراسترالیا، چین و گینه ۷۲ درصد از تولید جهانی معادن را به خود اختصاص می‌دهند.
استرالیا با فاصله زیاد بزرگترین تولیدکننده بوکسیت است و همچنین میزبان معدن Weipa، دارای بزرگترین عملیات استخراجی بوکسیت در جهان است.
گینه، سومین تولیدکننده بزرگ، با بیش از هفت میلیارد تن ذخایر بوکسیت، بیش از هر کشور دیگری است. علاوه بر این، گینه بزرگترین صادرکننده بوکسیت در جهان است و ۷۶ درصد از صادرات بوکسیت آن به چین می‌رود.
پس از خروج بوکسیت از زمین، آن را به پالایشگاه‌هایی در سراسر جهان ارسال می‌کنند تا به آلومینا تبدیل شود، که مرحله دوم فرآیند تولید را نشانه‌گذاری می‌کند.
مرحله ۲: تولید آلومینا
در دهه ۱۸۹۰، شیمیدان اتریشی کارل جوزف بایر یک فرآیند انقلابی برای استخراج آلومینا از بوکسیت اختراع کرد. امروز بیش از ۱۰۰ سال بعد حدود ۹۰ درصد از پالایشگاه‌های آلومینا هنوز از فرآیند بایر (Bayer) برای تصفیه بوکسیت استفاده می‌کنند.
اینجا چهار مرحله کلیدی در فرآیند بایر آورده شده است:
- هضم: بوکسیت با هیدروکسید سدیم مخلوط شده و تحت فشار حرارت داده میشود. در این مرحله، هیدروکسید سدیم به طور انتخابی اکسید آلومینیوم را از بوکسیت حل می‌کند و سایر مواد معدنی به عنوان ناخالصی باقی می‌مانند.
- فیلتراسیون: ناخالصی‌ها از محلول جدا و فیلتر می‌شوند و پسمانده‌ای به نام گل قرمز تشکیل میشود. پس از دور ریختن گل، اکسید آلومینیوم به آلومینات سدیم تبدیل میشود.
- رسوب‌گذاری: محلول آلومینات سدیم سرد شده و به شکل جامد و بلورین هیدروکسید آلومینیوم رسوب می‌کند.
- کلسیناسیون: بلورهای هیدروکسید آلومینیوم شسته شده و در کلسیناتورها حرارت داده می‌شوند تا اکسید آلومینیوم خالص تشکیل شود، ماده‌ای سفید و شنی که به عنوان آلومینا شناخته میشود.
ناخالصی‌ها یا گل قرمزی که در فرآیند تولید آلومینا باقی می‌مانند، یک نگرانی بزرگ زیست‌محیطی هستند. در واقع، برای هر تن آلومینا، پالایشگاه‌ها ۱.۲ تن گل قرمز تولید می‌کنند، و امروزه بیش از سه میلیارد تن از آن در جهان ذخیره شده است.
چین، دومین تولیدکننده بزرگ و بزرگترین واردکننده بوکسیت، بیش از نیمی از آلومینای جهان را تامین می‌کند.
چندین تولیدکننده بزرگ بوکسیت، از جمله استرالیا، برزیل و هند، در میان بزرگترین تولیدکنندگان آلومینا قرار دارند، اگرچه هیچکدام به چین نزدیک نمی‌شوند.
آلومینا در صنایع مختلفی از جمله پلاستیک، لوازم آرایشی و تولید مواد شیمیایی کاربرد دارد. اما، بیشتر آن به ذوب‌کننده‌ها ارسال میشود تا به آلومینیوم تبدیل شود.
مرحله ۳: تولید آلومینیوم
آلومینا از طریق احیا الکترولیتی به آلومینیوم تبدیل میشود. علاوه بر خود آلومینا، یک ماده معدنی دیگر به نام کریولیت (cryolite) نیز برای این فرآیند، همراه با مقدار زیادی جریان برق، کلیدی است. در اینجا یک نمای کلی ساده از چگونگی عملکرد فرآیند ذوب آلومینیوم آورده شده است:
- در تاسیسات ذوب آلومینیوم، صدها سلول احیا الکترولیتی با کریولیت مذاب پر می‌شوند.
- سپس آلومینا (که از دو اتم آلومینیوم و سه اتم اکسیژن تشکیل شده است) به این سلول‌ها ریخته میشود و یک جریان الکتریکی قوی پیوند شیمیایی بین اتم‌های آلومینیوم و اکسیژن را می‌شکند.
- الکترولیز منجر به ته‌نشین شدن آلومینیوم خالص مایع در کف سلول میشود، که سپس تصفیه شده و به اشکال و اندازه‌های مختلف ریخته‌گری میشود.
چین بزرگترین تولید کننده و همچنین بزرگترین مصرف کننده آلومینیوم در جهان است. همسایه آن، هند، دومین تولیدکننده بزرگ است که تنها یک دهم چین را تولید می‌کند.
تقریباً یک چهارم از آلومینیوم تولیدی سالانه توسط صنعت ساخت‌وساز استفاده میشود. ۲۳ درصد دیگر به فریم‌های وسایل نقلیه، سیم‌ها، چرخ‌ها و سایر قطعات صنعت حمل‌ونقل می‌رود. فویل آلومینیومی، قوطی‌ها و بسته‌بندی‌ها نیز بخش عمده‌ای از استفاده نهایی را با ۱۷ درصد سهم مصرف تشکیل می‌دهند.
کاربردهای گسترده آلومینیوم آن را به یکی از با ارزش‌ترین فلزات تبدیل کرده است. در سال ۲۰۲۱، بازار جهانی آلومینیوم حدود ۲۴۵.۷ میلیارد دلار ارزش‌گذاری شد و با افزایش مصرف، پیش‌بینی میشود تا سال ۲۰۳۰ تقریباً دو برابر شود و به ۴۹۸.۵ میلیارد دلار برسد.