Aluminium

Aluminium is een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst, het wordt aangetroffen in de vorm van aluminiumoxide, meestal gebonden met ijzeroxiden en –silicaten. Winbare concentraties (rond de 50%) worden aangetroffen in bauxiet, een mineraal dat wijd verspreid over de wereld wordt gevonden. De voorraden liggen doorgaans dicht aan het aardoppervlak en worden in dagbouw gewonnen.

Productie aluminium

De productie van aluminium gebeurt in twee stappen:

Het Bayerproces: van bauxiet naar alumina (zuiver aluminiumoxide)

In de eerste stap moet eerst het bauxiet geïsoleerd worden van het omringende gesteente. Vervolgens wordt het (gemalen) bauxiet gemengd met natronloog. Aluminiumoxide lost hierin op (als natriumaluminaat). IJzeroxide (en andere verontreinigingen in het ruwe bauxiet) lost niet op en kan worden afgefilterd. De natte slurrie die op het filter achterblijft, staat bekend als red mud. De rode kleur is het gevolg van het hoge ijzeroxide-gehalte (vergelijk de rode kleur van roest). De alkalische red mud wordt opgeslagen in grote bassins; het duurt zeker tien jaar voordat de slurry weer is geneutraliseerd door reactie met CO$_2$ uit de lucht. Uit de schone natrumalumininaat-oplossing die is overgebleven laat men nu zuiver aluminiumhydroxide (Al(OH)$_3$) uitkristalliseren. Hieruit wordt tenslotte aluminiumoxide (Al$_2$O$_3$) gevormd door verhitting.

Deze stap staat ook bekend als het Bayer-proces, dat overigens nergens in Nederland wordt uitgevoerd. Aangezien we in Nederland zelf geen bauxietvoorraden hebben, zou uitvoering van het Bayer-proces in Nederland inhouden dat er heel veel ongewenst materiaal met het ruwe bauxiet getransporteerd zou moeten worden en dat we hier in Nederland afvalbekkens voor red mud zouden moeten inrichten.

Meer weten: Bayerproces^w

Het Hall-Héroult proces: van alumina naar metallisch aluminium

Deze stap staat bekend als het Hall-Héroult proces. Dit is een elektrolyseproces, waarbij metallisch aluminium gevormd wordt aan de kathode. Anders dan bij de productie van chloor uit zout, kan alumina niet opgelost worden in water; het oplosmiddel voor alumina in het Hall-Héroult proces is vloeibaar cryoliet (natrumhexafluoroaluminaat, Na$_3$AlF$_6$). Het elektrolyseproces wordt uitgevoerd bij een temperatuur van circa 1000$^o$C. Het metallische aluminium is zwaarder dan het vloeibare cryoliet en zakt naar de bodem. Het wordt periodiek afgetapt uit de elektrolyse-cel. Aan de anode (van grafiet) komt kooldioxide vrij, die ontstaat door dat de zuurstof die aan de anode vrijkomt (uit het opgeloste alumina) zich daar verbindt met koolstof van de anode zelf. De anode wordt dus langzaam ‘opgegeten’ en moet periodiek worden vervangen. Behalve CO$_2$ ontstaan er ook andere gasvormige emissies, met name waterstoffluoride (HF) afkomstig is van het gesmolten cryoliet.

Meer weten: Hall-Héroult-proces^w en in de Engelse Wikipedia^w

Het Hall-Héroult proces werd wel in Nederland uitgevoerd, tot voor kort op twee plaatsen: in Delfzijl (Aldel) en in Vlissingen. De procesinstallaties voor het proces staan bekend als aluminiumsmelters. Dat woord is in het Nederlands misleidend, want bij ‘smelten’ denken wij aan de fase-overgang van vast naar vloeibaar materiaal, zonder dat daarbij de samenstelling van het materiaal chemisch verandert. De verwarring ontstaat doordat wat wij in het Nederlands ‘smelten’ noemen in het Engels ‘melting’ heet. Voor de chemische reactie waarbij een vloeibaar metallisch product ontstaat uit een oplossing in gesmolten zout, gebruikt het Engels de term ‘smelting’. In het Nederlands kunnen wij het onderscheid tussen het Engelse ‘melting’ en ‘smelting’ niet maken.

Energie-intensiteit

De energie-intensiteit van de procesindustrie betekent dat energiekosten vaak een belangrijk aandeel hebben in de productiekosten. De energie-intensiteit van de primaire aluminiumproductie verklaart ook waarom de aluminiumsmelters in Nederland (Vlissingen en Delfzijl) uit bedrijf genomen zijn. In reactie op de aardgasvondst in Slochteren is die industrie bewust naar Nederland gehaald; we konden immers spotgoedkope elektriciteit uit aardgas bieden! Inmiddels is de situatie drastisch veranderd en is onze elektriciteit veel te duur geworden voor de aluminiumproducenten om de internationale concurrentie aan te kunnen. Wereldwijd zien we dat de primaire aluminiumproductie vooral verschoven is naar landen waar overvloedig goedkope elektriciteit uit duurzame bronnen (waterkracht) beschikbaar is (bijv. IJsland).

Aluminiumsmelters verslinden energie in de vorm van elektriciteit. De productie van 1 kg aluminium vraagt ongeveer 15 ± 0,5 kWh ofwel 52 tot 56 MJ. De allermodernste smelters halen circa 46 MJ per kg primair aluminium. Omdat aluminiumsmelters die energie gebruiken in de vorm van elektriciteit, is het voor de levensvatbaarheid van zo’n smelter van levensbelang dat er goedkope elektriciteit beschikbaar is en dat transportverliezen minimaal zijn. Afhankelijk van de geografische locatie en de stroomkosten, maakt elektriciteit zo’n 20% tot 40% uit van de productiekosten van primair aluminium. Veel smelters zijn direct verbonden met een elektriciteitscentrale om kostbare transmissieverliezen te voorkomen. De smelter in Vlissingen lag dicht bij de kerncentrale in Borssele en de vestiging van de smelter in Delfzijl (in 1966 in bedrijf genomen door de toenmalige Hoogovens) was indertijd een logische keuze omdat daar ruimschoots goedkope elektriciteit uit gasgestookte centrales beschikbaar was. Op dit moment zien we dat aluminiumsmelters vooral gebouwd worden in landen waar goedkope elektriciteit overvloedig beschikbaar is, bijv. in Noorwegen en Brazilië (goedkope waterkracht), IJsland (waterkracht en overvloedige geothermische energie) en in het Midden-Oosten (overvloedige gasvoorraden).

Voor de productie van 1 ton zuiver aluminium wordt gemiddeld zo’n 4,6 ton bauxiet gewonnen (het aluminiumgehalte varieert tussen verschillende vindplaatsen). Als je de rest van de grondstoffen die voor de productie van aluminium nodig zijn, ook meerekent, dan mag je ervan uitgaan dat de grondstof-footprint minstens 5 ton materiaal is per ton aluminium.

Meer weten: Aluminium^w

Aluminium recycling

Aluminium kent talloze toepassingen. Omdat het een licht metaal is helpt het bijv. bij vervanging van staal in auto’s, om energie te besparen tijdens de levensduur van de auto. Aluminium wordt volop gerecycled, zodat de energie-inhoud van het primaire materiaal grotendeels behouden blijft. Recycling van aluminium kost slechts 5% van de energie die nodig is voor de productie van primair aluminium. Aluminium wordt zowel toegepast in producten met korte levensduur (drankblikjes met een levensduur van enkele maanden) als in producten met een lange levensduur, zoals auto’s (gemiddelde levensduur 10 jaar), vliegtuigen en hoogspanningskabels (levensduur van decennia).

Bij het recyclen van aluminium wordt het metaal eerst gescheiden van andere materialen (papier, plastics etc.), in kleinere stukken gehakt en goed gereinigd. Vervolgens wordt het in ovens verhit tot het smelt (bij temperaturen van rond de 750$^o$C). Verontreinigingen komen bovendrijven op het vloeibare aluminium en kunnen zo worden verwijderd. De smelt wordt bovendien ontgast. Afhankelijk van de zuiverheid van de smelt en de gewenste kwaliteit, worden tenslotte nog elementen als koper, zink, mangaan, silicium e.d. in kleine hoeveelheden toegevoegd om de gewenste legering te maken. Een legering kun je vergelijken met een vaste oplossing: door bepaalde elementen in lage concentraties toe te voegen aan een metaalsmelt, kun je eigenschappen als buig- en treksterkte, geleidbaarheid e.d. heel precies beïnvloeden.

Meer weten: Infoblad van het Aluminium Centrum over recycing van aluminium^w

Laatste wijziging: 12-01-2024

Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.