Van bauxiet tot aluminium

Aluminium komt voor als verbinding met zuurstof en andere elementen. Het is op siliciumoxide (zand) na de meest voorkomende verbinding op aarde. De aardkorst bestaat voor 8% uit aluminium houdende grondstoffen. De productie van aluminium bestaat uit twee aparte industrieën, namelijk winning van aluinaarde uit bauxiet erts en winning van aluminium uit aluinaarde. De eerste is gevestigd bij de vindplaats en de tweede aan de kust in de nabijheid van een waterkrachtcentrale (wat in 60% van de industrieën het geval is) of zoals in Nederland bij een aardgasbron. Aluminium is het laatste constructie metaal dat ontwikkeld is, pas in de 20ste eeuw werd het op industriële schaal toegepast en is op staal na het meest gebruikte metaal ter wereld.

Bauxiet erts

Bauxiet is de grondstof voor aluminium. Om aluminium te verkrijgen wordt bauxiet erts verwerkt tot aluinaarde (Al2O3), waaruit het aluminium wordt gesmolten. Uit circa 4 kg bauxiet wordt 1 kg aluminium gewonnen. Dagbouw is mijnbouw waarbij de erts wordt gegraven aan de oppervlakte, er ontstaat dus een groeve. De aantasting van het landschap is groot, in tegenstelling tot gesloten mijnen. De bruine kleur wordt veroorzaakt door de aanwezige ijzeroxide naast andere mineralen die hier als verontreinigingen beschouwd worden. De samenstelling van bauxiet is:

• Al2O3: 50-70%
• Fe2O3: tot 25%
• H2O: 12-14%
• S2O2: 2-30%
• Plus de verontreinigingen

Bauxiet is de belangrijkste bron van aluminium. Het bestaat uit de mineralen gibbsiet (Al(OH)3), boehmiet (γ-AIO(OH)) en diaspore (α-AIO(OH)), gemengd met de twee ijzeroxiden goethiet en hematiet, het klei mineraal kaoliniet en kleine hoeveelheden anataas (TiO2) en ilmeniet (FeTiO3 of FeO.TiO2). In 1821 ontdekte de Franse geoloog Pierre Berthier bauxiet bij het dorp Les Baux in de Provence, Zuid-Frankrijk. In 1861noemde de Franse chemicus Henri Sainte-Claire Deville het mineraal "bauxiet".

Bases processen en hun uitvinders

Hans Christian Oersted

1825: De Deense scheikundige Hans Christian Oersted was de eerste die een kleine hoeveelheid aluminium produceerde en daarmee aantoonde dat er zoiets als aluminium bestaat. De hoeveelheid was te klein en vooral te onzuiver om de eigenschappen van de onbekende stof te bepalen.

Friedrich Wöhler

1845: Duitse scheikundige Friedrich Wöhler vond een nieuwe manier om aluminium te onttrekken aan de erts en maakte monsters van voldoende grootte om de eigenschappen van het metaal te kunnen bepalen. Hij is de ontdekker van aluminium als element.

Henri Sainte-Clair Deville

1854: De techniek van Wohler werd verbeterd door de Franse scheikundige Henri Sainte-Claire Deville. Er kwam een productie op gang. In 1852 kostte aluminium 1200 $ per kilogram in 1859, dank zij Henry zijn werk, 40 $ per kilogram; veel te duur voor constructie doeleinden.

Paul L.t. Héroult en Charles Martin Hall

1886: Uitvinding van het proces om aluminium te verkrijgen uit aluminiumoxide, door Amerikaanse scheikundige Charles Martin Hall en de Franse scheikundige Paul L. T Héroult. Zij ontwikkelden de nieuwe methode apart van elkaar. Het proces Hall-Héroult wordt nog steeds toegepast. 1886 moet gezien worden als de geboorte van de aluminium industrie. Overal ontstonden aluminium industrieën. In 1914 was de prijs per kilogram gedaald tot een halve Dollar.

Het Hall-Heroult proces

In het Hall-Heroult proces geschiedt de ontleding van aluminiumoxide in elektrische cellen. Aangezien aluminiumoxide een hoog smeltpunt heeft van 2045 gr C wordt het opgelost in gesmolten kryoliet (NatriumAluminiumFluoride [Na3 Al F6]), er ontstaat dan een mengsel met een smeltpunt van 950 ºC. Door dit mengsel wordt een gelijkstroom gevoerd (tot 250.000 ampère bij circa 4,5 Volt) die aluminiumoxide ontleedt door elektrolyse in vloeibaar aluminium en zuurstof. De elektrische cel waarin het mengsel zich bevindt heeft een koolstofbekleding die als kathode fungeert. Van bovenaf steken meerdere koolstof anoden in de smelt. Aan de kryolietsmelt wordt regelmatig aluminiumoxide toegevoegd. Het zuurstof reageert met koolstof van de anode tot C0 en C02 dat gelijk aan bovenzijde wordt afgevoerd, zodat het zuurstof zich niet weer verbindt met het vrije aluminium. De koolstofanode wordt dus opgebruikt en moet om de maand vervangen worden. Voor de productie van 1 ton aluminium is 0,5 ton grafiet anoden nodig. Het vloeibare aluminium op de bodem van de cel wordt regelmatig afgetapt, Tijdens aftappen van aluminium en bijvullen van de cellen met aluminiumoxide gaat het productieproces gewoon door. Het Hall-Heroult is een continu proces, enkele uren stoppen leidt tot stollen van het aluminium en onherstelbare schade aan de installatie.


Karl Joseph Bayer en het Bayer proces
1888: Uitvinding van een proces waarmee aluinaarde (aluminiumoxide Al2O3) goedkoop kan worden gewonnen uit bauxiet erts (Al2O3•3H2O) door de scheikundige Karl Joseph Bayer: Bauxiet wordt gedroogd, fijngemalen en gaat in een autoclaaf bij circa 200 ºC met een oplossing van natronloog (natriumhydroxide Na(OH)), het aluminium lost op als natriumaluminaat (NaALO2) terwijl ijzeroxide en andere verontreinigingen niet oplossen en als slib afgevoerd worden. Het aluminium slaat neer als alumiumhydroxide (Al[OH]3) dat door gloeien in draaiende buisovens wordt gecalcineerd tot aluminiumoxide(AL2O3).

Energie nodig voor aluminium winning

Voor het winnen van aluminium uit aluinaarde door middel van elektrolyse is circa 15 kWh/kg nodig en dat is een belangrijk deel van de kostprijs van het aluminium. Er wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van waterkracht, dat is nu 60%. Voor het vervaardigen van producten uit aluminium door extrusie, walsen en gieten en de transport van de producten is relatief weinig energie nodig door lage verwerkingsenergie (laag smeltpunt en laag transportgewicht.

Samenvatting aluminium winning

Aluminiumoxide (aluinaarde), waarvan de concentraties in bauxieterts gemiddeld circa 50% is. Zuiver aluminium wordt verkregen door aan bauxiet aluinaarde (Al2O3) te onttrekken (Bayer proces) en het met behulp van elektriciteit om te zetten in zuiver aluminium (Hall/ Heroult proces). Winning van aluinaarde uit bauxiet gebeurt meestal bij de plaats van de bauxietwinning. De omzetting van aluinaarde in zuiver of ‘primair’ (primair wil zeggen, aluminium uit bauxiet en secundair wil zeggen aluminium uit schroot) aluminium gebeurt op plaatsen waar energie goedkoop en schoon is, 60% van de energie wordt opgewekt door waterkracht.

Het omsmelten van aluminiumproducten voor hergebruik (secundair aluminium uit schroot) kost weinig energie, slechts circa 5%% van de energieverbruik bij primaire aluminium uit bauxiet) en vindt plaats waar voldoende aluminium schroot is. in feite hebben we dus te maken met drie industrieën, 1) Aluinaarde winning uit Bauxiet. 2) Fabricage primair aluminium uit aluinaarde. 3) Aluminium schroot smelterijen. Ook de smelterijen van secundair aluminium uit schroot gieten het metaal in broodjes voor de aluminium gieterij, walsblokken voor plaat-, band- en foliewalserij en palen voor extrusiebedrijven.