Iron oxide removal from bauxite residue through microwave roasting and magnetic separation
Authors: Καρντένια Κιάρα 
Published: May 2022

Tα Κατάλοιπα Βωξίτη (ΚΒ), γνωστά και ως ερυθρά ιλυς, είναι το στερεό παραπροϊόν που παράγεται κατά την εξαγωγή αλουμινας από βωξίτες. Συγκεκριμένα η παραγωγή ενός τόνου αλουμίνας παράγει από 0.9 εως 1.5 τόνους καταλοίπων βωξίτη, ανάλογα με τη χημική σύσταση του κατεργαζόμενου βωξίτη.Εξαιτίας της μεγάλης αλκαλικότητας, με ένα pH ανάμεσα στο 10 και 13, η διαχείριση αυτού του υλικού είναι προβληματική για τη βιομηχανία αλουμίνας. Επιπλέον, η μεγάλη ποσότητα ΚΒ που παράγεται κάθε χρόνο και η οποία ξεπερνά τους 150 εκ. τόνους παγκοσμίως, δημιουργεί ελλείψεις σε χώρος απόθεσης. Όμως η χημική σύσταση των ΚΒ, που περιέχουν οξείδια σιδήρου, αλουμινίου και τιτανίου, τα καθιστά αξιόλογους πόρους για την ανάκτηση βασικών και κρίσιμων μετάλλων ενώ παράλληλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε εφαρμογές δομικών υλικών όπως αδρανή, τσιμέντο, κεραμικά και ανόργανα πολυμερή. Τις τελευταίες δεκαετίες, η έρευνα έχει επικεντρωθεί στην εύρεση οικολογικών και ανταποδοτικών μεθόδων αξιοποίησης των ΚΒ.Σε αυτό το πλαίσιο ο σκοπός της παρούσης διδακτορικής διατριβής, είναι η ανάκτηση σιδήρου από τα ΚΒ μέσα από την ανάπτυξη δυο διαφορετικών διεργασιών αναγωγικής φρύξης των ΚΒ και μαγνητικού διαχωρισμού των παραγόμενων φρυγμάτων.Το πρώτο μέρος του PhD επικεντρώθηκε στη μελέτη της βέλτιστης διαδικασίας για τη αναγωγή των μη μαγνητικών φάσεων σιδήρου που συναντιόνται στα ΚΒ (συγκεκριμένα αιματίτης και γκαιτίτης), σε μαγνητικές φάσης όπως μαγνητίτης, βουστίτης και μεταλλικός σίδηρος. Τα ΚΒ αναμίχθηκαν με πηγή άνθρακα (μεταλλουργικό ΚΩΚ) ως αναγωγικό μέσο και φρυχθήκαν σε φούρνο ηλεκτρικής αντίστασης. Οι μαγνητικές φάσεις σιδήρου στο φρύγμα, διαχωρίστηκαν σε ένα δεύτερο στάδιο μέσω υγρού μαγνητικού διαχωρισμού, σχηματίζοντας ένα πολύτιμο συμπύκνωμα σιδήρου και ένα μη μαγνητικό κλάσμα που περιέχει στοιχεία σπάνιων γαιών μεταξύ άλλων συστατικών. Η διαδικασία φρύξης των ΚΒ έχει μοντελοποιηθεί χρησιμοποιώντας ένα θερμοχημικό λογισμικό πακέτο (FactSage 6.4) για τον καθορισμό της θερμοκρασίας της διαδικασίας, της αναλογίας μάζας άνθρακα / Καταλοίπων Βωξίτη (C/BR), του χρόνου παραμονής και την ατμόσφαιρα της διαδικασίας. Πειράματα φρύξης με διαφορετικές αναλογίες C/BR (0.112 και 0.225) και θερμοκρασίες (800 και 1100 °C), χρόνο παραμονής 4 ωρών και παρουσία ατμόσφαιρας Ν2, έχουν αποδείξει τη σχεδόν συνολική μετατροπή του σιδήρου σε μαγνητικές φάεις (99 % κ.β.). Στη συνέχεια, η διαδικασία μαγνητικού διαχωρισμού σε υγρό μαγνητικό διαχωριστή υψηλής έντασης κατέδειξε ένα οριακό εμπλουτισμό του σιδήρου στο μαγνητικό κλάσμα σε σχέση με το φρύγμα.Στο δεύτερο μέρος της εργασίας εξετάστηκε η χρήση φούρνου μικροκυμάτων ως κατάλληλη μέθοδος για τη μετατροπή του αιματίτη και του γκαίτη που περιέχεται σε κατάλοιπα βωξίτη σε μαγνητίτη, σίδηρο και μεταλλικό σίδηρο, με σύντομο χρόνο επεξεργασίας. Ο τελικός στόχος ήταν η παραγωγή φρυαγμάτων με ισχυρές μαγνητικές ιδιότητες, επιτρέποντας τον μαγνητικό διαχωρισμό του σιδήρου από το υπόλειμμα. Η επίδραση της ενέργειας μικροκυμάτων στο δείγμα, η επίδραση του χρόνου ακτινοβολίας μαζί με την αναλογία μάζας άνθρακα / ΚΒ (C/BR) ήταν οι παράμετροι που εξετάστηκαν για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Ο βελτιστοποιημένος συνδυασμός τους επέτρεψε να μετατραπεί το 79 % του σιδήρου που υπάρχει στα ΚΒ σε μεταλλικό σίδερο. Ωστόσο, σχηματίστηκε επίσης η μαγνητική φάση του ερκινίτη (FeAl2O4), η παρουσία της οποίας θα μπορούσε να θεωρηθεί μειονέκτημα καθώς θα μειώσει τη καθαρότητα του μαγνητικού κλάσματος.Για να αποφευχθεί ο σχηματισμός FeAl2O4, παρουσιάστηκε μια συνδυασμένη μέθοδος σύντηξης των ΚΒ με σόδας και αναγωγής σε φούρνο μικροκυμάτων. Στο πρώτο βήμα, όλες οι φάσεις αλουμίνας στα ΚΒ μετασχηματίστηκαν σε αργιλικά άλατα νατρίου και εκχυλίστηκαν μέσω αλκαλικής έκπλυσης. Στη συνέχεια, το υπόλειμμα της εκχύλισης αναμίχθηκε με άνθρακα και φρίχθηκε σε φούρνο μικροκυμάτων στις βέλτιστες συνθήκες. Τα οξείδιο του σιδήρου μετατράπηκαν σε μεταλλικό σίδηρο (98 %) στο φρύγμα. Επιπλέον, η φάση του ερκινίτη δεν εντοπίζεται πλέον. Το παραγόμενο φρυγμα υποβλήθηκε σε διεργασίες υγρου μαγνητικού διαχωρισμού.