آلومینا (Al₂O₃)، که به عنوان اکسید آلومینیوم نیز شناخته می‌شود، ماده اولیه کلیدی در تولید فلز آلومینیوم است. این ماده سفیدرنگ و کریستالی، از سنگ معدن بوکسیت استخراج می‌شود و نقش حیاتی در صنایع مختلفی مانند ساخت آلومینیوم اکسترود شده (مانند محصولات Bonnell Aluminum) ایفا می‌کند. Bonnell Aluminum، به عنوان یکی از پیشروهای تولید اکستروژن‌های سفارشی آلومینیوم در آمریکای شمالی، از آلومینیوم اولیه (که از آلومینا تولید می‌شود) برای ساخت پروفیل‌های ساختمانی، خودروسازی و صنعتی استفاده می‌کند. در کارخانه‌های آن‌ها (مانند نیوان، جورجیا)، فرآیندهای ریخته‌گری و اکستروژن بر پایه آلومینیوم خالص استوار است، اما استخراج و تولید آلومینا توسط تأمین‌کنندگان اولیه مانند Alcoa انجام می‌شود. در این محتوا، به بررسی فرآیند استخراج و تولید آلومینا می‌پردازیم، با تأکید بر روش‌های صنعتی استاندارد و ارتباط آن با تولیدکنندگان مانند Bonnell.
مراحل استخراج بوکسیت (سنگ معدن اصلی آلومینا)
بوکسیت، منبع اصلی آلومینا، از هوازدگی سنگ‌های سیلیکاته مانند گرانیت و بازالت تشکیل می‌شود و حاوی ۳۰-۶۰% آلومینا است. استخراج آن شامل مراحل زیر است:
اکتشاف و معدن‌کاری: بوکسیت عمدتاً در کشورهایی مانند استرالیا، گینه و برزیل استخراج می‌شود. فرآیند شامل حفاری، انفجار و برداشتن لایه‌های سطحی است.
خردایش و شستشو: سنگ استخراج‌شده خرد و شسته می‌شود تا ناخالصی‌های اولیه (مانند سیلیس و اکسیدهای آهن) جدا شود.
حمل به پالایشگاه: بوکسیت به کارخانه‌های آلومینا منتقل می‌شود. در مقیاس جهانی، بیش از ۳۰۰ میلیون تن بوکسیت سالانه استخراج می‌شود.
فرآیند تولید آلومینا: روش بایر (Bayer Process)
روش بایر، ابداع‌شده توسط کارل جوزف بایر در ۱۸۸۷، بیش از ۹۵% آلومینای جهان را تولید می‌کند. این فرآیند شیمیایی، آلومینا را از بوکسیت جدا می‌کند و شامل چهار مرحله اصلی است:
حل کردن (Digestion): بوکسیت خردشده در محلول هیدروکسید سدیم (NaOH) تحت فشار (۴-۵ اتمسفر) و دمای ۱۴۰-۲۴۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود. آلومینا به صورت سدیم آلومینات (NaAlO₂) حل می‌شود، در حالی که ناخالصی‌ها (مانند آهن و سیلیس) رسوب می‌کنند.
واکنش اصلی:
Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O
جداسازی (Clarification): محلول از رسوبات قرمز (Red Mud) فیلتر می‌شود. لجن قرمز، حاوی اکسیدهای آهن و تیتانیوم، به عنوان ضایعات مدیریت می‌شود (حدود ۱-۲ تن لجن به ازای هر تن آلومینا).
رسوب‌گذاری (Precipitation): محلول خنک شده و هیدروکسید آلومینیوم (Al(OH)₃) رسوب می‌کند. این مرحله با اضافه کردن کریستال‌های اولیه برای تسریع فرآیند انجام می‌شود.
کلسیناسیون (Calcination): هیدروکسید آلومینیوم در کوره‌های دوار با دمای ۱۰۰۰-۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند تا آلومینای خالص (۹۹.۵%+) تولید شود.
واکنش نهایی:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O
این فرآیند انرژی‌بر است و حدود ۱۰ کیلووات‌ساعت برق به ازای هر کیلوگرم آلومینا مصرف می‌کند. دو پوند آلومینا، یک پوند آلومینیوم تولید می‌کند.
ارتباط با تولید آلومینیوم و Bonnell Aluminum
آلومینای تولیدشده در مرحله بعدی به آلومینیوم خالص تبدیل می‌شود (فرآیند هال-هرولت: الکترولیز آلومینا در کریولیت مذاب با دمای ۹۵۰ درجه سانتی‌گراد). Bonnell Aluminum، که بخشی از Tredegar Corporation است، از این آلومینیوم اولیه برای ریخته‌گری آلیاژها (مانند سری ۶۰۰۰ با منیزیم و سیلیسیم) استفاده می‌کند. در کارخانه ریخته‌گری نیوان، جورجیا، آلومینیوم مذاب از آلومینا الکترولیز شده، به شمش تبدیل و سپس اکسترود می‌شود. محصولات Bonnell شامل پروفیل‌های T-slotted، ترنزیشن‌های لوکس و قطعات خودرو است که سبکی و دوام آلومینیوم (از آلومینای باکیفیت) را بهره می‌برد.
چالش‌ها و پایداری
چالش‌های زیست‌محیطی: لجن قرمز و مصرف آب بالا. شرکت‌هایی مانند Alcoa (تأمین‌کننده Bonnell) بر بازیافت و تولید کم‌کربن تمرکز دارند.
روندهای آینده: استفاده از هیدروژن برای کاهش انتشار CO₂ و استخراج از منابع جایگزین مانند خاک رس.
در ایران: کارخانه آلومینای ایران (جاجرم) تنها تولیدکننده آلومینا است و ۲۰% نیاز داخلی را تأمین می‌کند.