Aluminium: Productie, Eigenschappen en Milieueffect

Aluminium is het derde meest voorkomende element in de aardkorst, wat ongeveer 8% van grond en rots uitmaakt. Zuurstof en silicium domineren de rest, met 47% en 28% respectievelijk. In de natuur bestaat aluminium alleen in verbindingen met elementen als zwavel, silicium en zuurstof. Zuiver metalen aluminium kan alleen uit aluminium-oxide ertsen geëxtraheerd worden.

Metalen aluminium is gewaardeerd om zijn lichtgewicht, hoge kracht, niet-magnetische en niet-toxische aard. Het geleidt warmte en elektriciteit, reflecteert licht, en behoudt kracht bij extreme temperaturen zonder bros te worden. Een dunne, onzichtbare oxidelage vormt zich snel op het oppervlak, wat natuurlijke corrosiebescherming biedt. Bovendien is aluminium een van de meest recycleerbare materialen ter wereld, met hoge economische opbrengst uit gerecyclede grondstof.

Achtergrond

Aluminiumverbindingen zijn al millennia gebruikt. Rond 5000 v.Chr. creëerden Perzische pottenbakkers de stevigste kleipotten door alumina toe te voegen. Oude Egyptenaren en Babylonieren gebruikten aluminiumzouten in verf, cosmetica en geneesmiddelen. Pas in de vroege 19e eeuw werd het element in zuivere vorm geïsoleerd. Vanwege de moeilijkheid van extractie, bleef aluminium zeldzaam en waardevol als zilver voor vele decennia.

In 1886 ontwikkelden twee jonge wetenschappers – Hall in de Verenigde Staten en Héroult in Frankrijk – onafhankelijk het Hall-Héroult elektrolytische smeltproces, wat grootschalige productie haalbaar maakte. Het Bayer-proces, gepatenteerd in 1888 door Oostenrijkse chemicus Karl Bayer, verfijnde de ert en werd essentieel voor de industriële groei. In 1884 produceerde de VS 60 kg aluminium, geprijsd ongeveer gelijk aan zilver. In 1995 produceerden VS-fabrieken 3,6 miljoen ton aluminium, terwijl zilver nog steeds zeventigvijf keer duurder was per eenheid.

Grondstoffen

De meest waardevolle ert voor zuiver aluminiumproductie is bauxiet, dat 45-60% aluminiumoxide bevat samen met onzuiverheden zoals zand, ijzer, en sporen metalen. Hoewel sommige afzettingen hard gesteente zijn, zijn de meeste zacht, gemakkelijk te mijnbouw via open-groef methoden. Australië levert meer dan een derde van de wereldwijde bauxiet. Ongeveer 2 kg bauxiet is vereist om 0,5 kg aluminium te produceren.

Kaustische soda (natriumhydroxide) lost de aluminiumverbindingen in bauxiet op, scheidend ze van onzuiverheden. Afhankelijk van ertsamengestelling, kunnen kleine hoeveelheden zetmeel, kalk, of natriumsulfide ook worden toegevoegd.

Aluminiumproductie omvat twee hoofdstadia: het Bayer-proces, dat bauxiet verfijnt tot alumina (Al₂O₃), en het Hall-Héroult proces, dat alumina elektrolytisch smelt tot zuiver metaal.

Kryoliet (Na₃AlF₆) dient als het elektrolyt in de smeltstap. Historisch in Groenland gewonnen, wordt het nu gesynthetiseerd. Aluminiumfluoride wordt toegevoegd om het smeltpunt van het elektrolyt te verlagen.

Koolelektroden voeren de elektrische stroom door het elektrolyt. Tijdens smelten reageert koolstof met zuurstof tot CO₂. Ongeveer 0,2 kg koolstof wordt verbruikt per 2,2 kg geproduceerd aluminium. Een deel van de koolstof komt van olieraffinaderij-bijproducten, de rest uit steenkool.

Omdat het Hall-Héroult proces grote stromen vereist, verbruikt het significante elektrische energie. Het produceren van 1 kg aluminium vereist typisch 15 kWh elektriciteit, wat ongeveer een derde van de smeltkosten uitmaakt.

Het Productieproces

Aluminiumproductie is verdeeld in het Bayer-proces en het Hall-Héroult proces.

Het Bayer Proces

• 1. Bauxiet wordt mechanisch gekneusd en met kaustische soda gemengd, dan gemalen om een fijn slib te produceren.
• 2. Het slib wordt in een digester – essentieel een drukkooker – gepompt, verwarmd tot 110-270°C onder 340 kPa voor 30 minuten tot enkele uren. Extra kaustische soda zorgt voor complete ontbinding van aluminiumverbindingen.
• 3. Het hete slib, nu een natriumaluminaatoplossing, passeert flashtanks die druk verlagen en warmte herwinnen voor hergebruik.
• 4. In een afzettingsbak zinken onopgeloste onzuiverheden naar de bodem als 'rode modder'. Het oplosbare aluminium blijft in de vloeistof.
• 5. De heldere vloeistof wordt door doek gefiltreerd om eventuele resterende fijn deeltjes te vangen. De filterwassing levert herbruikbare alumina en kaustische soda op.
• 6. Zaadkristallen van alumina-hydraat worden in een serie van zes-verdiepingsneerslagtanks geïntroduceerd. Terwijl de oplossing afkoelt, groeien kristallen en zakken ze naar de bodem.
• 7. De kristallen worden gewassen, dan gekalcineerd in een 1.100°C oven om gebonden water te verwijderen, wat anhydre alumina produceert. Een koeler volgt de oven om het product naar omgevingstemperatuur te brengen.

Het Hall-Héroult Proces

Smelten vindt plaats in staalreductiepotten bekleed met koolstof. De topelektroden zijn koolstofstangen opgehangen net boven het gesmolten aluminium. Potten zijn in lijnen (potlijnen) van 50-200 eenheden gerangschikt, elke lijn producerend 60.000-100.000 ton aluminium per jaar. Een typische fabriek bevat twee of drie potlijnen.

• 8. In elke pot lost alumina op in gesmolten kryoliet bij 960-970°C, vormend een elektrolyt. Een gelijkstroom van 4-6 V en 100.000-230.000 A passeert door, brekend Al-O bindingen. Zuurstof reageert met koolstofstangen tot CO₂; gesmolten aluminium verzamelt zich op de bodem.
• 9. Het proces is continu: alumina wordt toegevoegd naarmate het ontbindt, terwijl een constante stroom en warmte het mengsel gesmolten houden. Periodiek wordt de korst die bovenaan vormt gebroken om meer alumina toe te laten. Gesifond aluminium wordt in een kroes verzameld die de potlijn afdaalt, 4.000 kg van 99,8% zuiver metaal accumulerend. Het smeltsel wordt vervolgens in lange horizontale gietvormen gegoten, met water gekoeld, en in ingots gesneden.

Bijproducten en Afval

Alumina, het intermediaire product van het Bayer-proces, is zelf waardevol. Het is een wit, poederachtig materiaal gebruikt in wasmiddelen, tandpasta, fluorescentelampen, keramiek (valse tessen, bougies, militair pantserglas), polijstmiddelen, katalytische converters, explosieven, en zelfs raketbrandstof – elke shuttle lancering verbruikt 180.000 kg alumina. Ongeveer 10% van de jaarlijkse aluminaproductie wordt voor deze alternatieve toepassingen verkocht.

Het primaire afval van bauxietverfijning is 'rode modder'. Voor elke ton geproduceerde alumina wordt ruwweg een ton rode modder gegenereerd. Hoewel het ijzer, titanium, soda en residuele alumina bevat, bestaat geen kosteneffectieve herstelmethode. Het wordt meestal in vijvers opgeslagen tot het droogt, daarna over land verspreid.

Smelten genereert ook broeikasgassen. VS-fabrieken emiteren ongeveer 5,5 miljoen ton CO₂ en 3.300 ton perfluorocarbonen per jaar. Daarnaast wordt ongeveer 120.000 ton gebruikt potbekleding (SPL) – geclassificeerd als gevaarlijk door de EPA – elk jaar verwijderd. De eerste SPL-recyclingfaciliteit opende in 1996, converterend het materiaal in glasfrit gebruikt in keramische tegels, glasvezel, en dakpannen.

De Toekomst

De meeste VS-aluminiumproducenten behoren tot de Voluntary Aluminum Industrial Partnership (VAIP), samengewerkt met de EPA om milieuitdagingen aan te pakken. Huidig onderzoek richt zich op het ontwikkelen van inerte elektrodenmaterialen ter vervanging van koolstof. Een veelbelovende titanium-diboride-grafietcomposiet zou broeikasemissies kunnen elimineren en smeltenergie met 25% kunnen verminderen zodra gecommercialiseerd.