Aluminium jest jednym z najczęściej używanych metali, występującym w wielu używanych przez ludzi produktach, od puszki do piwa poprzez części do samochodów oraz samolotów.
Pomimo że zaraz po stali aluminium jest najczęściej używanym metalem przez ludzi to nie występuje on naturalnie w środowisku, a jego produkcja jest energochłonnym i złożonym procesem.
Trzy etapy produkcji aluminium
Każdego roku na świecie produkuje się około 390 milionów ton skały boksytowej, z czego 85% jest wykorzystywane do produkcji aluminium.
Boksyty to nie jest konkretny minerał, lecz osadowa ilasta skała, składająca się głównie z uwodnionych tlenków glinu (hydrargilitu, bemitu lub diasporu), które powstają w klimacie tropikalnym i subtropikalnym. Minerałami towarzyszącymi złożom boksytów są najczęściej minerały ilaste, krzemionka, tlenki i wodorotlenki żelaza. W największych ilościach powstają w miejscach wietrzenia skał glinokrzemianowych w klimacie gorącym, dlatego górnictwo boksytów najlepiej rozwinięte jest w Australii, Brazylii, Chinach, Ameryce Środkowej, Afryce, Francji i Grecji. W Polsce boksyty występują m. in. koło Nowej Rudy na Dolnym Śląsku.
Po wydobyciu boksyt jest rafinowany w tlenek glinu, który następnie jest przekształcany w aluminium.
Aluminium przekształca się z rudy boksytu do metalu w trzech etapach.
Etap 1: Wydobycie boksytu
Boksyt jest zwykle wydobywany z ziemi w kopalniach odkrywkowych, przy czym tylko trzy kraje – Australia, Chiny i Gwinea – odpowiadają za 72% światowej produkcji boksytu.
| Kraj | 2022 Produkcja boksytu w kopalni (tony) | % ogółu |
|---|---|---|
| Australia | 110,000,000 | 28.2% |
| Chiny | 86,000,000 | 22.1% |
| Gwinea | 85,000,000 | 21.8% |
| Brazylia | 32,000,000 | 8.2% |
| Indie | 22,000,000 | 5.6% |
| Indonezja | 18,000,000 | 4.6% |
| Rosja | 6,200,000 | 1.6% |
| Jamajka | 5,800,000 | 1.5% |
| Kazachstan | 5,200,000 | 1.3% |
| Arabia Saudyjska | 4,300,000 | 1.1% |
| Reszta świata | 15,500,000 | 4.0% |
| Łączny | 390,000,000 | 100.0% |
Australia jest największym producentem boksytów, a także miejscem funkcjonowania największej na świecie kopalni boksytu o nazwie Weipa.
Gwinea, trzeci co do wielkości producent boksytu, posiada ponad siedem miliardów ton rezerw boksytu, więcej niż jakikolwiek inny kraj na świecie. Ponadto Gwinea jest największym eksporterem boksytu na świecie. Aż 76% eksportu Gwinei trafia do Chin.
Po wydobyciu boksytu z ziemi wysyła się go do huty w celu wytworzenia tlenku glinu, co stanowi drugi etap procesu produkcyjnego.
Etap 2: Produkcja tlenku glinu
W 1890 roku austriacki chemik Carl Josef Bayer wynalazł rewolucyjny proces ekstrakcji tlenku glinu z boksytu. Dziś, ponad 100 lat później, około 90% hut nadal stosuje proces Bayera do rafinacji boksytu.
Cztery kluczowe etapy procesu Bayera:
- Mineralizacja:
Boksyt miesza się z wodorotlenkiem sodu i ogrzewa pod ciśnieniem. Na tym etapie wodorotlenek sodu selektywnie rozpuszcza tlenek glinu z boksytu, pozostawiając inne minerały jako zanieczyszczenia. - Filtracja:
Zanieczyszczenia są oddzielane i filtrowane z roztworu, tworząc pozostałość znaną jako czerwony szlam. Po odtrąceniu szlamu tlenek glinu przekształca się w glinian sodu. - Wytrącanie:
Roztwór glinianu sodu jest schładzany i wytrącany do stałej, skrystalizowanej postaci wodorotlenku glinu. - Kalcynacja:
Kryształy wodorotlenku glinu są myte i podgrzewane w kalcynatorach, tworząc czysty tlenek glinu – piaszczystobiały materiał.
Szlam powstający w procesie produkcji tlenku glinu stanowi poważny problem środowiskowy. Na każdą tonę tlenku glinu huty produkują 1,2 tony czerwonego szlamu, który jest składowany i z którym nie do końca wiadomo co dalej zrobić. Obecnie na świecie zmagazynowanych jest ponad trzy miliardy ton tego materiału.
Chiny, to drugi co do wielkości producent glinu i największy importer boksytu, dostarczający ponad połowę światowego tlenku glinu.
| Kraj | Produkcja tlenku glinu w 2022 r. (tony) | % ogółu |
|---|---|---|
| Chiny | 74,000,000 | 53% |
| Australia | 21,000,000 | 15% |
| Brazylia | 11,000,000 | 8% |
| Indie | 6,800,000 | 5% |
| Rosja | 3,100,000 | 2% |
| Niemcy | 1,900,000 | 1% |
| Irlandia | 1,900,000 | 1% |
| Arabia Saudyjska | 1,800,000 | 1% |
| Ukraina | 1,700,000 | 1% |
| Hiszpania | 1,600,000 | 1% |
| Reszta świata | 15,100,000 | 11% |
| Łączny | 139,900,000 | 100% |
Tlenek glinu ma zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, w tym w produkcji tworzyw sztucznych, kosmetyków i chemikaliów. Niemniej jednak 85% glinu jest przekształcane w aluminium.
Etap 3: Produkcja aluminium
Tlenek glinu jest przekształcany w aluminium poprzez redukcję elektrolityczną. Oprócz samego tlenku glinu do produkcji aluminium niezbędny jest kriolit oraz mnóstwo energii elektrycznej.
Kriolit w jest stosowany głównie jako topnik obniżający temperaturę w procesie produkcji elektrolitycznej aluminium. Ze względu na duże zapotrzebowanie i rzadkość występowania, obecnie stosuje się związek syntetyczny.
Poniżej uproszczony proces produkcji aluminium:
- W hutach aluminium setki elektrolitycznych wanien wraz z ogniwami redukcyjnymi wypełnia się stopionym kriolitem.
- Tlenek glinu (składający się z dwóch atomów glinu i trzech atomów tlenu) jest następnie wrzucany do tych wanien, gdzie silny prąd elektryczny zrywa wiązanie chemiczne między atomami aluminium i tlenu.
- W wyniku elektrolizy na dnie ogniwa osadza się czyste ciekłe aluminium, które jest następnie oczyszczane i odlewane w różnych kształtach i rozmiarach.
Największym producentem aluminium są Chiny, które są również największym jego konsumentem. Sąsiadujące z Chinami Indie są drugim co do wielkości producentem, wytwarzając zaledwie jedną dziesiątą chińskiej produkcji.
| Kraj | 2021 Produkcja huty aluminium (tony) | % ogółu |
|---|---|---|
| Chiny | 39,000,000 | 59% |
| Indie | 3,900,000 | 6% |
| Rosja | 3,700,000 | 6% |
| Kanada | 3,100,000 | 5% |
| Zjednoczone Emiraty Arabskie | 2,600,000 | 4% |
| Australia | 1,600,000 | 2% |
| Bahrajn | 1,500,000 | 2% |
| Islandia | 880 | 1% |
| Stany Zjednoczone | 880 | 1% |
| Reszta świata | 9,400,000 | 14% |
| Łączny | 66,560,000 | 100% |
Podobnie jak w przypadku produkcji tlenku glinu, niektóre kraje produkujące boksyt i tlenek glinu produkują również aluminium. Należą do nich Indie, Australia i Rosja.
W 2022 roku światowy rynek aluminium został wyceniony na około 245,7 miliarda dolarów, przewiduje się, że do 2030 r. wielkość rynku aluminium prawie się podwoi do poziomu 498,5 mld USD.