Aluminium

Unsur logam aluminium adalah unsur yang paling banyak ketiga di kerak bumi, terdiri dari 8% dari tanah dan batuan planet (oksigen dan silikon membentuk 47% dan 28%, masing-masing). Di alam, aluminium hanya ditemukan dalam senyawa kimia dengan unsur lain seperti belerang, silikon, dan oksigen. Aluminium metalik murni dapat diproduksi secara ekonomis hanya dari bijih aluminium oksida.

Aluminium metalik memiliki banyak sifat yang membuatnya berguna dalam berbagai aplikasi. Ini ringan, kuat, nonmagnetik, dan tidak beracun. Ia menghantarkan panas dan listrik dan memantulkan panas dan cahaya. Ini kuat tetapi mudah diterapkan, dan mempertahankan kekuatannya di bawah dingin yang ekstrem tanpa menjadi rapuh. Permukaan aluminium dengan cepat teroksidasi untuk membentuk penghalang tak terlihat terhadap korosi. Selain itu, aluminium dapat dengan mudah dan ekonomis didaur ulang menjadi produk baru.

Latar Belakang

Senyawa aluminium telah terbukti bermanfaat selama ribuan tahun. Sekitar 5000 SM. , Tembikar Persia membuat bejana terkuat mereka dari tanah liat yang mengandung aluminium oksida. Orang Mesir dan Babilonia kuno menggunakan senyawa aluminium dalam pewarna kain, kosmetik, dan obat-obatan. Namun, baru pada awal abad kesembilan belas aluminium diidentifikasi sebagai elemen dan diisolasi sebagai logam murni. Kesulitan mengekstraksi aluminium dari senyawa alaminya membuat logam itu langka selama bertahun-tahun; setengah abad setelah penemuannya, itu masih langka dan berharga seperti perak.

Pada tahun 1886, dua ilmuwan berusia 22 tahun secara independen mengembangkan proses peleburan yang memungkinkan produksi massal aluminium yang ekonomis. Dikenal sebagai proses Hall-Heroult setelah penemunya di Amerika dan Prancis, proses ini masih menjadi metode utama produksi aluminium saat ini. Proses Bayer untuk pemurnian bijih aluminium, yang dikembangkan pada tahun 1888 oleh seorang ahli kimia Austria, juga memberikan kontribusi yang signifikan terhadap produksi massal aluminium yang ekonomis.

Pada tahun 1884, 125 lb (60 kg) aluminium diproduksi di Amerika Serikat, dan dijual dengan harga satuan yang hampir sama dengan perak. Pada tahun 1995, pabrik A.S. memproduksi 7,8 miliar lb (3,6 juta metrik ton) aluminium, dan harga perak tujuh puluh lima kali lipat harga aluminium.

Bahan Baku

Senyawa aluminium terdapat di semua jenis tanah liat, tetapi bijih yang paling berguna untuk memproduksi aluminium murni adalah bauksit. Bauksit terdiri dari 45-60% aluminium oksida, bersama dengan berbagai kotoran seperti pasir, besi, dan logam lainnya. Meskipun beberapa endapan bauksit adalah batuan keras, sebagian besar terdiri dari tanah yang relatif lunak yang mudah digali dari tambang terbuka. Australia memproduksi lebih dari sepertiga pasokan bauksit dunia. Dibutuhkan sekitar 4 pon (2 kg) bauksit untuk menghasilkan 1 pon (0,5 kg) logam aluminium.

Soda kaustik (natrium hidroksida) digunakan untuk melarutkan senyawa aluminium yang ditemukan dalam bauksit, memisahkannya dari kotoran. Tergantung pada komposisi bijih bauksit, sejumlah kecil bahan kimia lain dapat digunakan dalam ekstraksi Aluminium diproduksi dalam dua fase:proses Bayer pemurnian bijih bauksit untuk mendapatkan aluminium oksida, dan Hall -Proses heroult peleburan aluminium oksida untuk melepaskan aluminium murni. dari aluminium. Pati, kapur, dan natrium sulfida adalah beberapa contohnya.

Cryolite, senyawa kimia yang terdiri dari natrium, aluminium, dan fluor, digunakan sebagai elektrolit (media penghantar arus) dalam operasi peleburan. Kriolit alami pernah ditambang di Greenland, tetapi senyawa tersebut sekarang diproduksi secara sintetis untuk digunakan dalam produksi aluminium. Aluminium fluorida ditambahkan untuk menurunkan titik leleh larutan elektrolit.

Bahan utama lainnya yang digunakan dalam operasi peleburan adalah karbon. Elektroda karbon mentransmisikan arus listrik melalui elektrolit. Selama operasi peleburan, sebagian karbon dikonsumsi karena bergabung dengan oksigen untuk membentuk karbon dioksida. Faktanya, sekitar setengah pon (0,2 kg) karbon digunakan untuk setiap pon (2,2 kg) aluminium yang diproduksi. Beberapa karbon yang digunakan dalam peleburan aluminium adalah produk sampingan dari penyulingan minyak; tambahan karbon diperoleh dari batubara.

Karena peleburan aluminium melibatkan melewatkan arus listrik melalui elektrolit cair, memerlukan sejumlah besar energi listrik. Rata-rata, produksi 2 lb (1 kg) aluminium membutuhkan energi 15 kilowatt-jam (kWh). Biaya listrik mewakili sekitar sepertiga dari biaya peleburan aluminium.

Manufaktur
Proses

Pembuatan aluminium dilakukan dalam dua fase:proses Bayer pemurnian bijih bauksit untuk mendapatkan aluminium oksida, dan proses Hall-Heroult peleburan aluminium oksida untuk melepaskan aluminium murni.

Proses Bayer

• 1 Pertama, bijih bauksit dihancurkan secara mekanis. Kemudian, bijih yang dihancurkan dicampur dengan soda api dan diproses di pabrik penggilingan untuk menghasilkan bubur (suspensi berair) yang mengandung partikel bijih yang sangat halus.
• 2 Slurry dipompa ke digester, tangki yang berfungsi seperti pressure cooker. Bubur dipanaskan hingga 230-520 °F (110-270 °C) di bawah tekanan 50 lb/in ² (340 kPa). Kondisi ini dipertahankan untuk waktu mulai dari setengah jam sampai beberapa jam. Soda kaustik tambahan dapat ditambahkan untuk memastikan bahwa semua senyawa yang mengandung aluminium larut.
• 3 Bubur panas, yang sekarang menjadi larutan natrium aluminat, melewati serangkaian tangki flash yang mengurangi tekanan dan memulihkan panas yang dapat digunakan kembali dalam proses pemurnian.
• 4 Slurry dipompa ke dalam tangki pengendapan. Saat bubur berada di tangki ini, kotoran yang tidak akan larut dalam soda kaustik mengendap di dasar bejana. Salah satu produsen membandingkan proses ini dengan pasir halus yang mengendap di dasar segelas air gula; gula tidak mengendap karena larut dalam air, sama seperti aluminium di tangki pengendapan tetap larut dalam soda kaustik. Residu (disebut "lumpur merah") yang terakumulasi di dasar tangki terdiri dari pasir halus, oksida besi, dan oksida elemen jejak seperti titanium.
• 5 Setelah kotoran hilang, cairan yang tersisa, yang terlihat seperti kopi, dipompa melalui serangkaian filter kain. Setiap partikel halus pengotor yang tertinggal dalam larutan akan terperangkap oleh filter. Bahan ini dicuci untuk mendapatkan kembali alumina dan soda api yang dapat digunakan kembali.
• 6 Cairan yang disaring dipompa melalui serangkaian tangki pengendapan setinggi enam lantai. Kristal benih alumina hidrat (alumina terikat pada molekul air) ditambahkan melalui bagian atas setiap tangki. Kristal benih tumbuh saat mereka mengendap melalui cairan dan alumina terlarut menempel padanya.
• 7 Kristal mengendap (mengendap di dasar tangki) dan dibuang. Setelah dicuci, mereka dipindahkan ke kiln untuk dikalsinasi (pemanasan untuk melepaskan molekul air yang secara kimiawi terikat pada molekul alumina). Konveyor sekrup memindahkan aliran kristal yang terus menerus ke dalam tungku silinder yang berputar yang dimiringkan untuk memungkinkan gravitasi memindahkan material melaluinya. Suhu 2.000 ° F (1.100 ° C) mengusir molekul air, meninggalkan kristal alumina anhidrat (tanpa air). Setelah meninggalkan kiln, kristal melewati pendingin.

Proses Hall-Heroult

Peleburan alumina menjadi aluminium metalik berlangsung dalam tong baja yang disebut pot reduksi. Bagian bawah pot dilapisi dengan karbon, yang bertindak sebagai salah satu elektroda (penghantar arus listrik) dari sistem. Elektroda yang berlawanan terdiri dari satu set batang karbon yang digantung di atas pot; mereka diturunkan ke dalam larutan elektrolit dan ditahan sekitar 1,5 inci (3,8 cm) di atas permukaan aluminium cair yang menumpuk di lantai pot. Pot reduksi disusun berjajar (potlines) yang terdiri dari 50-200 pot yang dirangkai secara seri membentuk rangkaian listrik. Setiap potline dapat menghasilkan 66.000-110.000 ton (60.000-100.000 metrik ton) aluminium per tahun. Pabrik peleburan khas terdiri dari dua atau tiga potline.

• 8 Dalam pot reduksi, kristal alumina dilarutkan dalam kriolit cair pada suhu 1.760-1.780 ° F (960-970 ° C) untuk membentuk larutan elektrolit yang akan menghantarkan listrik dari batang karbon ke lapisan karbon tempat tidur pot. Arus searah (4-6 volt dan 100.000-230.000 ampere) dilewatkan melalui larutan. Reaksi yang dihasilkan memutuskan ikatan antara atom aluminium dan oksigen dalam molekul alumina. Oksigen yang dilepaskan tertarik ke batang karbon, di mana ia membentuk karbon dioksida. Atom-atom aluminium yang dibebaskan mengendap di dasar pot sebagai logam cair.

  Proses peleburan berlangsung terus-menerus, dengan lebih banyak alumina ditambahkan ke larutan kriolit untuk menggantikan senyawa yang terdekomposisi. Arus listrik konstan dipertahankan. Panas yang dihasilkan oleh aliran listrik di elektroda bawah membuat isi panci tetap cair, tetapi di atas elektrolit cair cenderung terbentuk kerak. Secara berkala, kerak dipecah untuk memungkinkan lebih banyak alumina ditambahkan untuk diproses. Aluminium cair murni terakumulasi di bagian bawah pot dan disedot. Panci dioperasikan 24 jam sehari, tujuh hari seminggu.

• 9 Sebuah wadah dipindahkan ke bawah potline, mengumpulkan 9.000 pon (4.000 kg) aluminium cair, yang 99,8% murni. Logam dipindahkan ke tungku penahan dan kemudian dilemparkan (dituangkan ke dalam cetakan) sebagai ingot. Salah satu teknik umum adalah menuangkan aluminium cair ke dalam cetakan horizontal yang panjang. Saat logam bergerak melalui cetakan, bagian luarnya didinginkan dengan air, menyebabkan aluminium mengeras. Poros padat muncul dari ujung cetakan, di mana ia digergaji pada interval yang sesuai untuk membentuk batangan dengan panjang yang diinginkan. Seperti proses peleburan itu sendiri, proses pengecoran ini juga berlangsung terus menerus.

Produk Sampingan/Limbah

Alumina, zat antara yang dihasilkan oleh proses Bayer dan yang merupakan bahan mentah untuk proses Hall-Heroult, juga merupakan produk akhir yang berguna. Ini adalah zat tepung putih dengan konsistensi yang berkisar dari bedak talek hingga gula pasir. Ini dapat digunakan dalam berbagai macam produk seperti deterjen, pasta gigi, dan bola lampu neon. Ini adalah bahan penting dalam bahan keramik; misalnya, digunakan untuk membuat gigi palsu, busi, dan kaca depan keramik bening untuk pesawat militer. Senyawa pemoles yang efektif, digunakan untuk menyelesaikan hard drive komputer, di antara produk lainnya. Sifat kimianya membuatnya efektif dalam banyak aplikasi lain, termasuk catalytic converter dan bahan peledak. Itu bahkan digunakan dalam bahan bakar roket—400.000 lb (180.000 kg) dikonsumsi dalam setiap peluncuran pesawat ulang-alik. Sekitar 10% dari alumina yang diproduksi setiap tahun digunakan untuk aplikasi selain membuat aluminium.

Produk limbah terbesar yang dihasilkan dalam pemurnian bauksit adalah tailing (sisa bijih) yang disebut "lumpur merah". Sebuah kilang menghasilkan jumlah lumpur merah yang hampir sama dengan alumina (dalam hal berat kering). Ini mengandung beberapa zat yang berguna, seperti besi, titanium, soda, dan alumina, tetapi tidak ada yang dapat mengembangkan proses yang ekonomis untuk memulihkannya. Selain sejumlah kecil lumpur merah yang digunakan secara komersial untuk mewarnai pasangan bata, ini benar-benar produk limbah. Sebagian besar kilang hanya mengumpulkan lumpur merah di kolam terbuka yang memungkinkan sebagian kelembapannya menguap; ketika lumpur telah mengering hingga konsistensi yang cukup padat, yang mungkin memakan waktu beberapa tahun, lumpur itu akan tertutup kotoran atau bercampur dengan tanah.

Beberapa jenis produk limbah dihasilkan oleh dekomposisi elektroda karbon selama operasi peleburan. Pabrik aluminium di Amerika Serikat menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca, menghasilkan sekitar 5,5 juta ton (5 juta metrik ton) karbon dioksida dan 3.300 ton (3.000 metrik ton) perfluorokarbon (senyawa karbon dan fluor) setiap tahun.

Sekitar 120.000 ton (110.000 metrik ton) material potlining bekas (SPL) dikeluarkan dari pot reduksi aluminium setiap tahun. Ditunjuk sebagai bahan berbahaya oleh Badan Perlindungan Lingkungan (EPA), SPL telah menimbulkan masalah pembuangan yang signifikan bagi industri. Pada tahun 1996, pabrik daur ulang yang direncanakan pertama dibuka; tanaman ini mengubah SPL menjadi frit kaca, produk antara dari mana kaca dan keramik dapat diproduksi. Pada akhirnya, SPL daur ulang muncul dalam produk seperti ubin keramik, serat kaca, dan butiran sirap aspal.

Masa Depan

Hampir semua produsen aluminium di Amerika Serikat adalah anggota dari Kemitraan Industri Aluminium Sukarela (VAIP), sebuah organisasi yang bekerja sama dengan EPA untuk menemukan solusi atas masalah polusi yang dihadapi industri. Fokus utama penelitian adalah upaya untuk mengembangkan bahan elektroda inert (tidak aktif secara kimia) untuk pot reduksi aluminium. Senyawa titanium-diboride-grafit menunjukkan harapan yang signifikan. Di antara manfaat yang diharapkan datang ketika teknologi baru ini disempurnakan adalah penghapusan emisi gas rumah kaca dan pengurangan 25% dalam penggunaan energi selama operasi peleburan.