Aluminio

El elemento metálico aluminio es el tercer elemento más abundante en la corteza terrestre, y comprende el 8% del suelo y las rocas del planeta (el oxígeno y el silicio constituyen el 47% y el 28%, respectivamente). En la naturaleza, el aluminio se encuentra solo en compuestos químicos con otros elementos como azufre, silicio y oxígeno. El aluminio metálico puro se puede producir económicamente solo a partir del mineral de óxido de aluminio.

El aluminio metálico tiene muchas propiedades que lo hacen útil en una amplia gama de aplicaciones. Es liviano, fuerte, no magnético y no tóxico. Conduce calor y electricidad y refleja calor y luz. Es fuerte pero fácil de trabajar, y conserva su fuerza en condiciones de frío extremo sin volverse quebradizo. La superficie del aluminio se oxida rápidamente para formar una barrera invisible contra la corrosión. Además, el aluminio se puede reciclar fácil y económicamente en nuevos productos.

Antecedentes

Los compuestos de aluminio han demostrado su utilidad durante miles de años. Alrededor del 5000 A.C. , Los alfareros persas hicieron sus vasijas más fuertes con arcilla que contenía óxido de aluminio. Los antiguos egipcios y babilonios usaban compuestos de aluminio en tintes para telas, cosméticos y medicinas. Sin embargo, no fue hasta principios del siglo XIX que el aluminio se identificó como un elemento y se aisló como un metal puro. La dificultad de extraer el aluminio de sus compuestos naturales mantuvo al metal raro durante muchos años; medio siglo después de su descubrimiento, todavía era tan escaso y valioso como la plata.

En 1886, dos científicos de 22 años desarrollaron independientemente un proceso de fundición que hizo posible la producción masiva económica de aluminio. Conocido como el proceso Hall-Heroult por sus inventores estadounidenses y franceses, el proceso sigue siendo el método principal de producción de aluminio en la actualidad. El proceso Bayer para refinar el mineral de aluminio, desarrollado en 1888 por un químico austríaco, también contribuyó significativamente a la producción económica en masa de aluminio.

En 1884, se produjeron 125 lb (60 kg) de aluminio en los Estados Unidos y se vendió por aproximadamente el mismo precio unitario que la plata. En 1995, las plantas estadounidenses produjeron 7,8 mil millones de libras (3,6 millones de toneladas métricas) de aluminio y el precio de la plata fue setenta y cinco veces más que el precio del aluminio.

Materias primas

Los compuestos de aluminio se encuentran en todos los tipos de arcilla, pero el mineral más útil para producir aluminio puro es la bauxita. La bauxita consta de un 45-60% de óxido de aluminio, junto con varias impurezas como arena, hierro y otros metales. Aunque algunos depósitos de bauxita son rocas duras, la mayoría consisten en tierra relativamente blanda que se extrae fácilmente de las minas a cielo abierto. Australia produce más de un tercio del suministro mundial de bauxita. Se necesitan aproximadamente 2 kg (4 lb) de bauxita para producir 0,5 kg (1 lb) de aluminio metálico.

Se utiliza soda cáustica (hidróxido de sodio) para disolver los compuestos de aluminio que se encuentran en la bauxita, separándolos de las impurezas. Dependiendo de la composición del mineral de bauxita, se pueden usar cantidades relativamente pequeñas de otros químicos en la extracción. El aluminio se fabrica en dos fases:el proceso de Bayer de refinación del mineral de bauxita para obtener óxido de aluminio, y el Hall -Proceso Heroult de fundición del óxido de aluminio para liberar aluminio puro. de aluminio. El almidón, la cal y el sulfuro de sodio son algunos ejemplos.

La criolita, un compuesto químico compuesto de sodio, aluminio y flúor, se utiliza como electrolito (medio conductor de corriente) en la operación de fundición. La criolita de origen natural se extrajo una vez en Groenlandia, pero el compuesto ahora se produce sintéticamente para su uso en la producción de aluminio. Se agrega fluoruro de aluminio para reducir el punto de fusión de la solución de electrolito.

El otro ingrediente principal utilizado en la operación de fundición es el carbono. Los electrodos de carbono transmiten la corriente eléctrica a través del electrolito. Durante la operación de fundición, parte del carbono se consume a medida que se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono. De hecho, se utiliza aproximadamente media libra (0,2 kg) de carbono por cada libra (2,2 kg) de aluminio producido. Parte del carbono utilizado en la fundición de aluminio es un subproducto del refinado de petróleo; se obtiene carbono adicional del carbón.

Debido a que la fundición de aluminio implica pasar una corriente eléctrica a través de un electrolito fundido, requiere grandes cantidades de energía eléctrica. En promedio, la producción de 2 lb (1 kg) de aluminio requiere 15 kilovatios-hora (kWh) de energía. El costo de la electricidad representa aproximadamente un tercio del costo de fundir aluminio.

El
proceso de fabricación

La fabricación de aluminio se realiza en dos fases:el proceso Bayer de refinar el mineral de bauxita para obtener óxido de aluminio y el proceso Hall-Heroult de fundir el óxido de aluminio para liberar aluminio puro.

El proceso de Bayer

• 1 Primero, el mineral de bauxita se tritura mecánicamente. Luego, el mineral triturado se mezcla con sosa cáustica y se procesa en un molino para producir una lechada (una suspensión acuosa) que contiene partículas muy finas de mineral.
• 2 La lechada se bombea a un digestor, un tanque que funciona como una olla a presión. La lechada se calienta a 230-520 ° F (110-270 ° C) bajo una presión de 50 lb / in ² (340 kPa). Estas condiciones se mantienen durante un tiempo que va desde media hora hasta varias horas. Se puede agregar soda cáustica adicional para asegurar que todos los compuestos que contienen aluminio se disuelvan.
• 3 La lechada caliente, que ahora es una solución de aluminato de sodio, pasa a través de una serie de tanques flash que reducen la presión y recuperan el calor que se puede reutilizar en el proceso de refinación.
• 4 La lechada se bombea a un tanque de sedimentación. A medida que la lechada descansa en este tanque, las impurezas que no se disuelven en la sosa cáustica se depositan en el fondo del recipiente. Un fabricante compara este proceso con la arena fina que se deposita en el fondo de un vaso de agua azucarada; el azúcar no sedimenta porque se disuelve en el agua, así como el aluminio del decantador permanece disuelto en la sosa cáustica. El residuo (llamado "barro rojo") que se acumula en el fondo del tanque consiste en arena fina, óxido de hierro y óxidos de oligoelementos como el titanio.
• 5 Una vez que las impurezas se han asentado, el líquido restante, que se parece un poco al café, se bombea a través de una serie de filtros de tela. Las partículas finas de impurezas que quedan en la solución quedan atrapadas en los filtros. Este material se lava para recuperar la alúmina y la sosa cáustica que se pueden reutilizar.
• 6 El líquido filtrado se bombea a través de una serie de tanques de precipitación de seis pisos de altura. Se agregan cristales de semillas de hidrato de alúmina (alúmina unida a moléculas de agua) a través de la parte superior de cada tanque. Los cristales de semillas crecen a medida que se asientan a través del líquido y la alúmina disuelta se adhiere a ellos.
• 7 Los cristales precipitan (se depositan en el fondo del tanque) y se eliminan. Después del lavado, se transfieren a un horno para su calcinación (calentamiento para liberar las moléculas de agua que están unidas químicamente a las moléculas de alúmina). Un transportador de tornillo mueve una corriente continua de cristales hacia un horno cilíndrico giratorio que se inclina para permitir que la gravedad mueva el material a través de él. Una temperatura de 2,000 ° F (1,100 ° C) expulsa las moléculas de agua, dejando cristales de alúmina anhidros (sin agua). Después de salir del horno, los cristales pasan por un enfriador.

El proceso Hall-Heroult

La fundición de alúmina en aluminio metálico se lleva a cabo en una tina de acero llamada olla de reducción. El fondo de la olla está revestido con carbono, que actúa como un electrodo (conductor de corriente eléctrica) del sistema. Los electrodos opuestos consisten en un conjunto de varillas de carbono suspendidas sobre la olla; se bajan a una solución de electrolito y se mantienen a aproximadamente 1.5 pulgadas (3.8 cm) por encima de la superficie del aluminio fundido que se acumula en el piso de la olla. Las macetas de reducción están dispuestas en filas (líneas de macetas) que constan de 50-200 macetas que se conectan en serie para formar un circuito eléctrico. Cada línea de macetas puede producir 66.000-110.000 toneladas (60.000-100.000 toneladas métricas) de aluminio por año. Una planta de fundición típica consta de dos o tres líneas de macetas.

• 8 Dentro de la olla de reducción, los cristales de alúmina se disuelven en criolita fundida a una temperatura de 1,760-1,780 ° F (960-970 ° C) para formar una solución de electrolito que conducirá la electricidad desde las varillas de carbono hasta el revestimiento de carbono. cama de la olla. Se pasa una corriente continua (4-6 voltios y 100.000-230.000 amperios) a través de la solución. La reacción resultante rompe los enlaces entre los átomos de aluminio y oxígeno en las moléculas de alúmina. El oxígeno que se libera es atraído por las barras de carbono, donde forma dióxido de carbono. Los átomos de aluminio liberados se depositan en el fondo de la olla como metal fundido.

  El proceso de fundición es continuo, y se agrega más alúmina a la solución de criolita para reemplazar el compuesto descompuesto. Se mantiene una corriente eléctrica constante. El calor generado por el flujo de electricidad en el electrodo inferior mantiene el contenido de la olla en estado líquido, pero tiende a formarse una costra encima del electrolito fundido. Periódicamente, la corteza se rompe para permitir que se agregue más alúmina para su procesamiento. El aluminio fundido puro se acumula en el fondo de la olla y se extrae con sifón. Las macetas funcionan las 24 horas del día, los siete días de la semana.

• 9 Se mueve un crisol por la línea del recipiente, recolectando 9,000 lb (4,000 kg) de aluminio fundido, que tiene una pureza del 99,8%. El metal se transfiere a un horno de retención y luego se vierte (se vierte en moldes) como lingotes. Una técnica común es verter el aluminio fundido en un molde horizontal largo. A medida que el metal se mueve a través del molde, el exterior se enfría con agua, lo que hace que el aluminio se solidifique. El eje macizo emerge del otro extremo del molde, donde se corta a intervalos apropiados para formar lingotes de la longitud deseada. Al igual que el proceso de fundición en sí, este proceso de fundición también es continuo.

Subproductos / Residuos

La alúmina, la sustancia intermedia que se produce mediante el proceso Bayer y que constituye la materia prima para el proceso Hall-Heroult, también es un producto final útil. Es una sustancia blanca en polvo con una consistencia que va desde la del talco hasta la del azúcar granulada. Se puede utilizar en una amplia gama de productos, como detergentes para ropa, pasta de dientes y bombillas fluorescentes. Es un ingrediente importante en materiales cerámicos; por ejemplo, se utiliza para fabricar dentadura postiza, bujías y parabrisas de cerámica transparente para aviones militares. Un compuesto de pulido eficaz, se utiliza para terminar discos duros de computadoras, entre otros productos. Sus propiedades químicas lo hacen efectivo en muchas otras aplicaciones, incluidos convertidores catalíticos y explosivos. Incluso se utiliza en combustible para cohetes:se consumen 400.000 lb (180.000 kg) en cada lanzamiento de un transbordador espacial. Aproximadamente el 10% de la alúmina producida cada año se utiliza para aplicaciones distintas a la fabricación de aluminio.

El producto de desecho más grande generado en el refinado de bauxita son los relaves (desechos de mineral) llamados "lodo rojo". Una refinería produce aproximadamente la misma cantidad de lodo rojo que alúmina (en términos de peso seco). Contiene algunas sustancias útiles, como hierro, titanio, sosa y alúmina, pero nadie ha podido desarrollar un proceso económico para recuperarlas. Aparte de una pequeña cantidad de barro rojo que se utiliza comercialmente para colorear mampostería, este es realmente un producto de desecho. La mayoría de las refinerías simplemente recogen el lodo rojo en un estanque abierto que permite que parte de su humedad se evapore; cuando el lodo se ha secado a una consistencia suficientemente sólida, lo que puede llevar varios años, se cubre con tierra o se mezcla con tierra.

Se generan varios tipos de productos de desecho por la descomposición de los electrodos de carbono durante la operación de fundición. Las plantas de aluminio en los Estados Unidos crean cantidades significativas de gases de efecto invernadero, generando alrededor de 5,5 millones de toneladas (5 millones de toneladas métricas) de dióxido de carbono y 3300 toneladas (3000 toneladas métricas) de perfluorocarbonos (compuestos de carbono y flúor) cada año.

Aproximadamente 120.000 toneladas (110.000 toneladas métricas) de material de revestimiento de macetas gastado (SPL) se eliminan de las macetas de reducción de aluminio cada año. Designado como material peligroso por la Agencia de Protección Ambiental (EPA), SPL ha planteado un problema de eliminación significativo para la industria. En 1996, se inauguró la primera de una serie planificada de plantas de reciclaje; estas plantas transforman SPL en frita de vidrio, un producto intermedio a partir del cual se pueden fabricar vidrio y cerámica. En última instancia, el SPL reciclado aparece en productos como baldosas de cerámica, fibras de vidrio y gránulos de tejas de asfalto.

El futuro

Prácticamente todos los productores de aluminio en los Estados Unidos son miembros de la Asociación Industrial de Aluminio Voluntaria (VAIP), una organización que trabaja en estrecha colaboración con la EPA para encontrar soluciones a los problemas de contaminación que enfrenta la industria. Un enfoque principal de la investigación es el esfuerzo por desarrollar un material de electrodo inerte (químicamente inactivo) para recipientes de reducción de aluminio. Un compuesto de titanio-diboruro-grafito es muy prometedor. Entre los beneficios que se esperan obtener cuando se perfeccione esta nueva tecnología se encuentran la eliminación de las emisiones de gases de efecto invernadero y una reducción del 25% en el uso de energía durante la operación de fundición.