Алюминий — один из наиболее широко используемых металлов, который входит в состав множества предметов повседневного обихода, от пивных банок до деталей для автомобилей и самолетов.
Несмотря на то, что алюминий — второй после стали наиболее широко используемый человеком металл, он не встречается в природе, а его производство представляет собой энергоемкий и сложный процесс.
Три этапа производства алюминия
Ежегодно в мире добывается около 390 миллионов тонн бокситовой руды, из которых 85% используется для производства алюминия.
Бокситы — это не отдельный минерал, а осадочная глинистая порода, состоящая в основном из гидратированных оксидов алюминия (гидраргилита, бемита или диаспора), которые образуются в тропическом и субтропическом климате. Сопутствующими минералами в бокситовых месторождениях чаще всего являются глинистые минералы, кремнезем, оксиды и гидроксиды железа. В наибольших количествах они образуются в местах выветривания глинокремневых пород в жарком климате, поэтому добыча бокситов наиболее развита в Австралии, Бразилии, Китае, Центральной Америке, Африке, Франции и Греции. В Польше бокситы встречаются, в частности, в окрестностях Новой Руды в Нижней Силезии.
После добычи бокситы перерабатываются в оксид алюминия, который затем превращается в алюминий.
Алюминий получают из бокситовой руды в три этапа.
Этап 1: Добыча бокситов
Бокситы, как правило, добываются из земли на открытых рудниках, при этом лишь три страны — Австралия, Китай и Гвинея — обеспечивают за 72% мирового производства бокситов.
| Страна | 2022 г. Добыча бокситов на шахте (тонн) | % в целом |
|---|---|---|
| Австралия | 110,000,000 | 28.2% |
| Китай | 86,000,000 | 22.1% |
| Гвинея | 85,000,000 | 21.8% |
| Бразилия | 32,000,000 | 8.2% |
| Индия | 22,000,000 | 5.6% |
| Индонезия | 18,000,000 | 4.6% |
| Россия | 6,200,000 | 1.6% |
| Ямайка | 5,800,000 | 1.5% |
| Казахстан | 5,200,000 | 1.3% |
| Саудовская Аравия | 4,300,000 | 1.1% |
| Остальной мир | 15,500,000 | 4.0% |
| Общий | 390,000,000 | 100.0% |
Австралия является крупнейшим производителем бокситов, а также местом расположения крупнейшего в мире бокситового рудника под названием «Вейпа».
Гвинея, третий по величине производитель бокситов, располагает запасами бокситов объемом более семи миллиардов тонн — больше, чем любая другая страна в мире. Кроме того, Гвинея является крупнейшим экспортером бокситов в мире. Целых 76% Экспорт Гвинеи поступает в Китай.
После добычи боксита из земли его отправляют на завод для производства оксида алюминия, что является вторым этапом производственного процесса.
Этап 2: Производство оксида алюминия
В 1890 году австрийский химик Карл Йозеф Байер изобрел революционный способ извлечения оксида алюминия из бокситов. Сегодня, спустя более 100 лет, около 90% Металлургический завод по-прежнему использует процесс Байера для обогащения бокситов.
Четыре ключевых этапа процесса Байера:
- Минерализация:
Боксит смешивают с гидроксидом натрия и нагревают под давлением. На этом этапе гидроксид натрия избирательно растворяет оксид алюминия из боксита, оставляя другие минералы в качестве примесей. - Фильтрация:
Примеси отделяются и фильтруются из раствора, образуя осадок, известный как красный шлам. После отделения шлама оксид алюминия превращается в глинонатрий. - Осаждение:
Раствор глинозема натриевого охлаждают и выделяют в виде твёрдого кристаллического гидроксида алюминия. - Кальцинация:
Кристаллы гидроксида алюминия промывают и нагревают в кальцинаторах, в результате чего образуется чистый оксид алюминия — песочно-белый материал.
Шлам, образующийся в процессе производства оксида алюминия, представляет собой серьезную экологическую проблему. На каждую тонну оксида алюминия заводы производят 1,2 тонны красного шлама, который складируется, и с которым пока не совсем ясно, что делать дальше. В настоящее время в мире накоплено более три миллиарда тонн этого материала.
Китай — второй по величине производитель алюминия и крупнейший импортер бокситов, на долю которого приходится более половины мирового объема оксида алюминия.
| Страна | Производство оксида алюминия в 2022 г. (тонны) | % в целом |
|---|---|---|
| Китай | 74,000,000 | 53% |
| Австралия | 21,000,000 | 15% |
| Бразилия | 11,000,000 | 8% |
| Индия | 6,800,000 | 5% |
| Россия | 3,100,000 | 2% |
| Германия | 1,900,000 | 1% |
| Ирландия | 1,900,000 | 1% |
| Саудовская Аравия | 1,800,000 | 1% |
| Украина | 1,700,000 | 1% |
| Испания | 1,600,000 | 1% |
| Остальной мир | 15,100,000 | 11% |
| Общий | 139,900,000 | 100% |
Оксид алюминия находит применение во многих отраслях промышленности, в том числе в производстве пластмасс, косметики и химикатов. Тем не менее 85% Глина преобразуется в алюминий.
Этап 3: Производство алюминия
Оксид алюминия превращается в алюминий посредством электролитического восстановления. Помимо самого оксида алюминия, для производства алюминия необходим криолит а также огромное количество электроэнергии.
Криолит в основном используется в качестве флюса, снижающего температуру в процессе электролитического производства алюминий. В связи с высоким спросом и редкостью встречаемости в настоящее время используется синтетическое соединение.
Ниже приведён упрощённый процесс производства алюминия:
- На алюминиевых заводах сотни электролитических ванн вместе с восстановительными элементами заполняются расплавленным криолитом.
- Оксид алюминия (состоящий из двух атомов алюминия и трёх атомов кислорода) затем помещают в эти ванны, где сильный электрический ток разрывает химическую связь между атомами алюминия и кислорода.
- В результате электролиза на дне элемента осаждается чистое жидкое алюминий, которое затем очищается и разливаются в формы различных форм и размеров.
Крупнейшим производителем алюминия являются Китай, который также является его крупнейшим потребителем. Соседствующая с Китаем Индия занимает второе место по объёмам производства, производя всего одну десятую от китайского объёма.
| Страна | 2021 г. Производство алюминиевого завода (тонны) | % в целом |
|---|---|---|
| Китай | 39,000,000 | 59% |
| Индия | 3,900,000 | 6% |
| Россия | 3,700,000 | 6% |
| Канада | 3,100,000 | 5% |
| Объединенные Арабские Эмираты | 2,600,000 | 4% |
| Австралия | 1,600,000 | 2% |
| Бахрейн | 1,500,000 | 2% |
| Исландия | 880 | 1% |
| Соединенные Штаты | 880 | 1% |
| Остальной мир | 9,400,000 | 14% |
| Общий | 66,560,000 | 100% |
Как и в случае с производством оксида алюминия, некоторые страны, добывающие бокситы и производящие оксид алюминия, также занимаются производством алюминия. К ним относятся Индия, Австралия и Россия.
В 2022 году объем мирового рынка алюминия оценивался примерно в 245,7 миллиарда долларов, по прогнозам, к 2030 году объем рынка алюминия почти удвоится и достигнет уровня 498,5 млрд долларов США.
