Raffinazione del minerale

Esistono numerosi metodi alcalini, acidi e termici per raffinare bauxite, argilla o altri minerali per ottenere allumina. I processi acidi ed elettrotermici sono generalmente troppo costosi o non producono allumina di purezza sufficiente per uso commerciale. Un processo che prevede il trattamento del minerale con calce e soda viene utilizzato in Cina e in Russia.

Il processo Bayer prevede quattro fasi: digestione, chiarificazione, precipitazione e calcinazione.

Nella prima fase, la bauxite viene macinata, mescolata con una soluzione di soda caustica (idrossido di sodio) e pompata in grandi serbatoi a pressione chiamati digestori, dove il minerale è sottoposto a calore e pressione del vapore. L’idrossido di sodio reagisce con i minerali alluminosi della bauxite per formare una soluzione satura di alluminato di sodio; le impurità insolubili, chiamate fango rosso, rimangono in sospensione e vengono separate nella fase di chiarificazione.

Dopo la digestione, la miscela viene fatta passare attraverso una serie di serbatoi di riduzione della pressione (chiamati serbatoi di blow-off), dove la soluzione viene portata a pressione atmosferica. (Il vapore generato nel lampeggio viene utilizzato per riscaldare la soluzione caustica tornando alla digestione.) Il passo successivo nel processo è quello di separare il fango rosso insolubile dalla soluzione di alluminato di sodio. Il materiale grossolano (ad esempio, la sabbia della spiaggia) viene rimosso nei cicloni grezzi chiamati trappole di sabbia. Il residuo più fine è sistemato negli addensanti di rastrellamento con l’aggiunta dei flocculanti sintetici ed i solidi nel trabocco dell’addensante sono rimossi dai filtri del panno. Questi residui vengono quindi lavati, combinati e scartati. La soluzione chiarificata viene ulteriormente raffreddata negli scambiatori di calore, migliorando il grado di sovrasaturazione dell’allumina disciolta e pompata in precipitatori alti e silo.

Quantità considerevoli di cristalli di idrossido di alluminio vengono aggiunti alla soluzione nei precipitatori come semina per accelerare la separazione dei cristalli. I cristalli di semi attirano altri cristalli e formano agglomerati; questi sono classificati in materiale di dimensioni maggiori e materiale più fine che viene riciclato come seme. Gli agglomerati di dimensioni del prodotto di cristalli di idrossido di alluminio vengono filtrati, lavati per rimuovere caustici trascinati o soluzione e calcinati in forni rotanti o calcinatori flash a letto fluido stazionari a temperature superiori a 960 °C (1.750 °F). L’acqua libera e l’acqua che è combinata chimicamente sono allontanate, lasciando l’allumina commercialmente pura—o l’ossido di alluminio—una polvere secca, fine e bianca simile allo zucchero nell’aspetto e nella consistenza. È metà alluminio e metà ossigeno in peso, legato così saldamente che né i prodotti chimici né il calore da soli possono separarli.

Durante la seconda guerra mondiale il processo combinato Alcoa è stato sviluppato per la lavorazione di minerali di grado inferiore contenenti percentuali relativamente elevate di silice. Molto brevemente, questo processo recupera l’allumina che si è combinata con la silice durante il processo di digestione ed è stata filtrata con il fango rosso. Il fango rosso non viene scartato ma viene riscaldato con calcare (carbonato di calcio) e carbonato di sodio (carbonato di sodio) per produrre un prodotto sinterizzato contenente alluminato di sodio lisciviabile. Questo prodotto viene digerito o lisciviato in modo simile a quello della bauxite per estrarre l’alluminato di sodio dai materiali insolubili di ferro, calcio e silicio. La sospensione procede quindi attraverso le fasi rimanenti del processo Bayer. Il residuo di scarto è chiamato fango marrone.

L’allumina prodotta dal processo Bayer è abbastanza pura, contenente solo pochi centesimi dell ‘ 1% di ferro e silicio. L’impurità principale, soda residua, è presente a livelli di 0,2-0,6 per cento. Oltre ad essere la materia prima primaria per la produzione di alluminio metallico, l’allumina stessa è una sostanza chimica importante. È ampiamente utilizzato nelle industrie chimiche, refrattarie, ceramiche e petrolifere (vedi sotto composti chimici).

La raffinazione di quattro tonnellate di bauxite produce circa due tonnellate di allumina. Un tipico impianto di allumina, utilizzando il processo Bayer, può produrre 4.000 tonnellate di allumina al giorno. Il costo dell’allumina può variare ampiamente, a seconda delle dimensioni e dell’efficienza dell’impianto, dei costi di manodopera e delle spese generali e del costo della bauxite.