O alumínio metálico tem muitas propriedades que o tornam útil em uma ampla gama de aplicações. Ele é leve, forte, não magnético e não tóxico. Ele conduz calor e eletricidade e reflete calor e luz. É forte mas fácil de trabalhar, e mantém a sua força sob frio extremo sem se tornar frágil. A superfície de alumínio oxida rapidamente para formar uma barreira invisível à corrosão. Além disso, o alumínio pode ser fácil e economicamente reciclado em novos produtos.
Fundo
Os compostos de alumínio provaram a sua utilidade durante milhares de anos. Por volta de 5000 a.C. , oleiros persas fizeram seus vasos mais fortes de argila que continham óxido de alumínio. Antigos egípcios e babilônicos usavam compostos de alumínio em corantes para tecidos, cosméticos e remédios. Entretanto, só no início do século XIX é que o alumínio foi identificado como um elemento e isolado como um metal puro. A dificuldade de extrair o alumínio de seus compostos naturais manteve o metal raro por muitos anos; meio século após sua descoberta, ele ainda era tão raro e valioso quanto a prata.
Em 1886, dois cientistas de 22 anos de idade desenvolveram independentemente um processo de fundição que tornou possível a produção econômica em massa de alumínio. Conhecido como o processo Hall-Heroult depois de seus inventores americanos e franceses, o processo é ainda hoje o principal método de produção de alumínio. O processo Bayer de refino de minério de alumínio, desenvolvido em 1888 por um químico austríaco, também contribuiu significativamente para a produção econômica em massa de alumínio.
Em 1884, foram produzidas nos Estados Unidos 125 lb (60 kg) de alumínio, que foi vendido por aproximadamente o mesmo preço unitário da prata. Em 1995, as fábricas americanas produziram 7,8 bilhões de libras (3,6 milhões de toneladas métricas) de alumínio, e o preço da prata era setenta e cinco vezes maior do que o preço do alumínio.
Matérias-primas
Compostos de alumínio ocorrem em todos os tipos de argila, mas o minério mais útil para a produção de alumínio puro é a bauxita. A bauxita consiste em 45-60% de óxido de alumínio, juntamente com várias impurezas, tais como areia, ferro e outros metais. Embora alguns depósitos de bauxita sejam rochas duras, a maioria consiste em sujeira relativamente macia que é facilmente cavada a partir de minas a céu aberto. A Austrália produz mais de um terço do fornecimento mundial de bauxita. São necessários cerca de 4 libras (2 kg) de bauxita para produzir 1 libra (0,5 kg) de metal de alumínio.
A soda cáustica (hidróxido de sódio) é usada para dissolver os compostos de alumínio encontrados na bauxita, separando-os das impurezas. Dependendo da composição do minério de bauxita, quantidades relativamente pequenas de outros químicos podem ser usadas na extração
de alumínio. Amido, cal e sulfeto de sódio são alguns exemplos.
Criolita, um composto químico composto de sódio, alumínio e flúor, é usado como eletrólito (meio condutor de corrente) na operação de fundição. A criolita natural já foi minerada na Groenlândia, mas o composto é agora produzido sinteticamente para uso na produção de alumínio. O flúor de alumínio é adicionado para baixar o ponto de fusão da solução electrolítica.
O outro ingrediente principal usado na operação de fundição é o carbono. Os eletrodos de carbono transmitem a corrente elétrica através do eletrólito. Durante a operação de fundição, parte do carbono é consumido, pois se combina com o oxigênio para formar o dióxido de carbono. Na verdade, cerca de meio quilo (0,2 kg) de carbono é utilizado para cada quilo (2,2 kg) de alumínio produzido. Parte do carbono utilizado na fundição do alumínio é um subproduto da refinação do petróleo; o carbono adicional é obtido a partir do carvão.
Como a fundição de alumínio envolve a passagem de uma corrente elétrica através de um eletrólito fundido, ela requer grandes quantidades de energia elétrica. Em média, a produção de 2 lb (1 kg) de alumínio requer 15 kilowatt-hora (kWh) de energia. O custo da eletricidade representa cerca de um terço do custo de fundição do alumínio.
O processo de fabricação
A fabricação do alumínio é realizada em duas fases: o processo Bayer de refino do minério de bauxita para obter o óxido de alumínio e o processo Hall-Heroult de fundição do óxido de alumínio para liberar o alumínio puro.
O processo da Bayer
- 1 Primeiro, o minério de bauxita é triturado mecanicamente. Em seguida, o minério triturado é misturado com soda cáustica e processado em um moinho para produzir uma polpa (uma suspensão aquosa) contendo partículas muito finas de minério.
- 2 A lama é bombeada para um digestor, um tanque que funciona como uma panela de pressão. A lama é aquecida a 230-520°F (110-270°C) sob uma pressão de 50 lb/pol 2 (340 kPa). Estas condições são mantidas por um tempo que varia de meia hora a várias horas. Pode ser adicionada soda cáustica adicional para garantir que todos os compostos contendo alumínio sejam dissolvidos.
- 3 A lama quente, que agora é uma solução de aluminato de sódio, passa por uma série de tanques de flash que reduzem a pressão e recuperam o calor que pode ser reutilizado no processo de refinação.
- 4 O chorume é bombeado para um tanque de decantação. Como a lama repousa neste tanque, as impurezas que não se dissolvem na soda cáustica se depositam no fundo do vaso. Um fabricante compara este processo com o assentamento de areia fina no fundo de um copo de água com açúcar; o açúcar não se dissolve porque é dissolvido na água, assim como o alumínio no tanque de assentamento permanece dissolvido na soda cáustica. O resíduo (chamado “lama vermelha”) que se acumula no fundo do tanque consiste em areia fina, óxido de ferro e óxidos de oligoelementos como o titânio.
- 5 Depois das impurezas se depositarem, o líquido restante, que se parece um pouco com o café, é bombeado através de uma série de filtros de pano. Quaisquer partículas finas de impurezas que permaneçam na solução são aprisionadas pelos filtros. Este material é lavado para recuperar alumina e soda cáustica que podem ser reutilizadas.
- 6 O líquido filtrado é bombeado através de uma série de tanques de precipitação de seis andares. Cristais de semente de hidrato de alumina (alumina ligada a moléculas de água) são adicionados através da parte superior de cada tanque. Os cristais de semente crescem à medida que se depositam através do líquido e a alumina dissolvida se aglutina a eles.
- 7 Os cristais precipitam-se (se depositam no fundo do tanque) e são removidos. Após a lavagem, eles são transferidos para um forno para calcinação (aquecimento para liberar as moléculas de água que estão quimicamente ligadas às moléculas de alumina). Uma rosca transportadora move um fluxo contínuo de cristais para um forno rotativo e cilíndrico que é inclinado para permitir que a gravidade mova o material através dele. Uma temperatura de 2.000° F (1.100° C) afasta as moléculas de água, deixando os cristais de alumina anidros (sem água). Após sair do forno, os cristais passam através de um resfriador.
O processo Hall-Heroult
A fundição de alumina em alumínio metálico é feita em uma cuba de aço chamada pote de redução. O fundo do pote é revestido com carbono, que atua como um eletrodo (condutor de corrente elétrica) do sistema. Os eletrodos opostos consistem de um conjunto de hastes de carbono suspensas acima do pote; elas são abaixadas em uma solução eletrolítica e mantidas cerca de 1,5 pol. (3,8 cm) acima da superfície do alumínio fundido que se acumula no piso do pote. Os vasos de redução são dispostos em filas (linhas de vasos) que consistem em 50-200 vasos que são conectados em série para formar um circuito elétrico. Cada linha de potes pode produzir 66.000-110.000 toneladas (60.000-100.000 toneladas métricas) de alumínio por ano. Uma instalação típica de fundição consiste em duas ou três linhas de potes. Dentro do pote de redução, os cristais de alumina são dissolvidos em criolita fundida a uma temperatura de 1.760-1.780° F (960-970° C) para formar uma solução eletrolítica que conduzirá a eletricidade das hastes de carbono para o leito revestido de carbono do pote. Uma corrente contínua (4-6 volts e 100.000-230.000 amperes) é passada através da solução. A reação resultante quebra as ligações entre os átomos de alumínio e oxigênio nas moléculas de alumina. O oxigênio que é liberado é atraído para as hastes de carbono, onde forma o dióxido de carbono. Os átomos de alumínio libertados fixam-se no fundo do pote como metal fundido.
O processo de fundição é contínuo, com mais alumina sendo adicionada à solução de criolita para substituir o composto decomposto. Uma corrente elétrica constante é mantida. O calor gerado pelo fluxo de eletricidade no eletrodo inferior mantém o conteúdo do pote em estado líquido, mas uma crosta tende a formar uma crosta no topo do eletrólito fundido. Periodicamente, a crosta é quebrada para permitir que mais alumina seja adicionada para processamento. O alumínio fundido puro acumula-se no fundo do pote e é sifonado. As panelas são operadas 24 horas por dia, sete dias por semana.
Subprodutos/ Resíduos
Alumina, a substância intermediária que é produzida pelo processo Bayer e que constitui a matéria-prima para o processo Hall-Heroult, também é um produto final útil. É uma substância branca, em pó, com uma consistência que vai desde o pó de talco até ao açúcar granulado. Pode ser utilizado numa vasta gama de produtos, como detergentes para roupa, pasta de dentes e lâmpadas fluorescentes. É um ingrediente importante em materiais cerâmicos; por exemplo, é usado para fazer dentes falsos, velas de ignição e pára-brisas de cerâmica transparente para aviões militares. Um composto de polimento eficaz, é usado para terminar discos rígidos de computadores, entre outros produtos. As suas propriedades químicas tornam-no eficaz em muitas outras aplicações, incluindo conversores catalíticos e explosivos. É até utilizado em combustível para foguetes – 400.000 lb (180.000 kg) é consumido em todos os lançamentos de naves espaciais. Aproximadamente 10% da alumina produzida a cada ano é utilizada para outras aplicações além da fabricação de alumínio.
O maior resíduo gerado no refino de bauxita é o rejeito (resíduos de minério) chamado “lama vermelha”. Uma refinaria produz aproximadamente a mesma quantidade de lama vermelha que produz alumina (em termos de peso seco). Ela contém algumas substâncias úteis, como ferro, titânio, soda e alumina, mas ninguém tem sido capaz de desenvolver um processo econômico para recuperá-los. Além de uma pequena quantidade de lama vermelha que é utilizada comercialmente para colorir alvenaria, este é realmente um produto de desperdício. A maioria das refinarias simplesmente recolhe a lama vermelha num tanque aberto que permite que alguma da sua humidade se evapore; quando a lama secou a uma consistência suficientemente sólida, o que pode demorar vários anos, é coberta com sujidade ou misturada com terra.
Vários tipos de resíduos são gerados pela decomposição dos eléctrodos de carbono durante a operação de fundição. As plantas de alumínio nos Estados Unidos criam quantidades significativas de gases de efeito estufa, gerando cerca de 5,5 milhões de toneladas (5 milhões de toneladas métricas) de dióxido de carbono e 3.300 toneladas (3.000 toneladas métricas) de perfluorocarbonos (compostos de carbono e flúor) a cada ano.
Aproximadamente 120.000 toneladas (110.000 toneladas métricas) de material de revestimento de potes gastos (SPL) é removido a cada ano das panelas de redução de alumínio. Designado um material perigoso pela Agência de Proteção Ambiental (EPA), o SPL tem colocado um problema significativo de descarte para a indústria. Em 1996, foi inaugurada a primeira de uma série planejada de plantas de reciclagem; estas plantas transformam o SPL em fritas de vidro, um produto intermediário a partir do qual o vidro e a cerâmica podem ser fabricados. Finalmente, o SPL reciclado aparece em produtos como telhas cerâmicas, fibras de vidro e grânulos de telha de asfalto.
O Futuro
Praticamente todos os produtores de alumínio nos Estados Unidos são membros da Parceria Industrial Voluntária do Alumínio (VAIP), uma organização que trabalha em estreita colaboração com a EPA para encontrar soluções para os problemas de poluição que a indústria enfrenta. Um grande foco de pesquisa é o esforço para desenvolver um material de eletrodo inerte (quimicamente inativo) para vasos de redução de alumínio. Um composto de titânio-diborida-grafite mostra uma promessa significativa. Entre os benefícios esperados quando esta nova tecnologia for aperfeiçoada estão a eliminação das emissões de gases de efeito estufa e uma redução de 25% no uso de energia durante a operação de fundição.
– Loretta Hall