سنگ معدن بوکسیت به عنوان اصلی ترین ذخیره اکسید آلومینوم به شمار می رود. این نوع سنگ اغلب به شکل آلومینای هیدراته یا گیبسیت ، دیاسپور یا بوهمیت می باشد. سنگ معدن بوکسیت به شکل معمول دارای 40 تا 60 درصد وزنی آلومینا به صورت هیدروکسید می باشد و 10 تا 30 درصد وزنی باقی مانده را حاوی اکسید کلسیم، اکسید تیتانیوم، اکسید آهن و مقداری اکسید سیلیسیم،آب می باشد.

در کل برای اینکه وارد بحث کاربردهای آلومینا و گاما آلومینا و دیگر ساختارهای آن  بشویم لازم است این نوع سنگ معدن و شیوه های استخراج آن را بشناسیم . از سوی دیگر انجام فرایند خالص سازی در انواع ساختارهای آلومینا بعد از انجام مراحل استخراج عملیاتی است که نیاز به حساسیت بیشتری دارد.

آلومینا دارای فرمول شیمیایی Al2O3 است که با عنوان متداول ترین شکل اکسید نمک آلومینیوم شناخته می شود که به صورت مکرر در ارتباط با خصوصیات و ویژگی های آن بحث کرده ایم. این متریال در حالت طبیعی به شکل یک ترکیب جامد در 3 فرم ساختاری مشاهده می شود که به فاز کریستالی مشهور است. یکی از نمونه های شکل پایدار این متریال در دماهای بالا با نام آلفا آلومینا معروف است که با فرمول شیمیایی ɑ-Al2O3 شناخته می شود و در لاتین با عنوان corundum مشهور است. ساختارهای آلومینا در دمای پایین به شکل های دیگری مانند بتا، گاما آلومینا تغییر پیدا می کند. همه ی این عناصر به عنوان یک سری کامل از اکسید های قلیایی آلومینا است.

فرایند بایر بر روی سنگ معدن بوکسیت

فرایند بایر بر روی سنگ معدن بوکسیت دارای 4 مرحله می باشد که شامل:

هضم: پس از انجام عملیات خرد کردن، شستن و خشک شدن که بر روی سنگ بوکسیت اجرا می شود آن را در معرض سود سوز آور با فرمول شیمیایی NaOH در دمای بالا قرار می دهند.

شفاف سازی: در این مرحله نوبت به عملیات پاکسازی از گل قرمز می رسد که در آن ترکیب فیلتر شده را به همراه ناخالصی ها دور می ریزند.

ته نشینی: در سومین مرحله از فرایند بایر بر روی سنگ معدن بوکسیت محلول حاوی آلومینایی که باقی مانده است را به مخازنی با عنوان رسوب دهنده انتقال می دهند. عملکرد مخازن رسوب دهنده به این شکل است که محلول گرم شده و شروع به خنک شدن می کند. در حین این فرایند بذرهای هیدروکسید آلومینیوم نیز اضافه می شود که باعث می شود بلورهای جامد هیدروکسید آلومینیوم تحریک بشوند. پس از انجام این عملیات مشاهده می کنید که هیدروکسید آلومینیوم در کف مخزن ته نشین می شود و از آن خارج می شود.

تکلیس (آهکی کردن): در مرحله ی پایانی از فرایند بایر بر روی هیدروکسید آلومینیوم باقی مانده ی سود سوزآور را حرارت داده و می شویند تا آب اضافه از آن خارج شود. بعد از انجام این فرایند یک پودر سفید رنگ با دانه های ریز ظاهر می شود که همان آلومینا می باشد. این ماده شباهت زیادی با شکر خوراکی دارد. با این تفاوت که ساختار آن بسیار سخت است و می تواند یک شیشه را خراش دهد.

در پایان باید به این موضوع اشاره کنیم که استخراج آلومینا به روش سنتز نیز انجام می گیرد. اما روش بایر مرسوم تر است روش بایر معایبی دارد مثل

• هزینه ی بالا
• تاثیر منفی ناخالصی ها بر خواص الکتریکی آلومینا
• لزوم مصرف بالای آب در حین فرایند استخراج که باعث نیاز به مخازن بزرگ آب می شود.
• میزان زیاد ضایعات
• احتیاج به انرژی زیاد جهت گرم کردن مخازن آب
• نیاز به فرآیندهای جانبی جهت کاهش ناخالصی هایی مانند اکسید سدیم می باشد.

بررسی ذخیره سنگ معدن بوکسیت

سنگ بوکسیت در حالت عادی مانند دیگر سنگ های معادن به شکل طبیعی می باشد از این عنصر برای تولید آلومینا استفاده می کنند که در حالت جامد است و مهم ترین ویژگی آن شکل کریستالی آن می باشد. در سنگ معدن بوکسیت ساختار اکسید آلومینیوم به صورت منابع زیر در طبیعت موجود می باشد که به شرح زیر است.

• دیاسپور (diaspore): ɑ-AlO(OH) ؛ 85 درصد وزنی از آلومینیوم اکسید
• گیبسیت (gibbsite): Al(OH)3؛ 4/65 درصد وزنی از آلومینیوم اکسید
• بوهمیت (bohmite): ƴ-AlO(OH) ؛ 85 درصد وزنی از آلومینیوم اکسید

نکته ی دیگری که در رابطه با سنگ بوکسیت وجود دارد این است که این نوع سنگ علاوه بر آلومینا حاوی کانی های معدنی دیگری نیز می باشد که بر اساس درصد وزنی به شکل زیر است:

• CaO / 1-3%
• Tio2 / 2-3%
• Fe2O3 / 15 -23%
• SiO2 / 2-7%
• کربن آلی؛ وانادیوم و فلز روی در مقادیر بسیار اندک

ترکیباتی که در بالا به آن ها اشاره شد در سنگ معدن بوکسیت وجود دارند که از ویژگی های شیمیایی خاصی برخوردار هستند این عناصر در هنگام عملیات مختلف برای استخراج آلومینا از سنگ بوکسیت رفتارهای مختلفی از خود بروز می دهند.

سنگ بوکسیت به دلیل اینکه حاوی بوهمیت می باشد به سادگی در کاستیک سودا حل می گردد و بنابراین باعث می شود انرژی کمتری برای انجام فرایند بایر مصرف بشود.

تفاوت بوکسیت و آلومینا در چیست؟

سنگ بوکسیت به عنوان یک سنگ معدنی شناخته می شود که به صورت آلومینای هیدراته شده یعنی به شکل بوهمیت و گیبسیت یا دیاسپور مشاهده می شود. تفاوت بوکسیت و آلومینا در این است که این سنگ به شکل خام بوده و علاوه بر آلومینا حاوی اکسید فلزاتی مانند تیتانیوم، آهن، کلسیم و سیلیسیم می باشد. این در حالی است که آلومینا به رایج ترین شکل نمک آلومینیوم اطلاق می شود. این ترکیب به شکل جامد است و در سه فاز ساختاری وجود دارد که به آن فاز کریستالی می گویند.

پایدارترین شکل آلومینا با عنوان آلفا آلومینا شناخته می شود. این فرم یکی از ترکیب های پایدار در دماهای بسیار زیاد به شمار می رود. بتا و گاما آلومینا به عنوان ساختارهای کریستالی این ماده هستند که در دماهای پایین تر تغییر حالت پیدا می کنند. این سه فرم به عنوان یک سری کامل از اکسیدهای قلیایی آلومینا به شمار می روند.

سنگ بوکسیت به صورت معمول یک سنگ معدنی خاص است که از آن برای تولید ترکیب جامد آلومینا به شکل کریستالی استفاده می شود.

انواع بوکسیت

سنگ بوکسیت لاتریتی: بیشترین نوع سنگ بوکسیت که در دنیا یافت می شود از این نوع است. معمولا این نوع سنگ در کشورهایی یافت می شود که از آب و هوای استوایی برخوردار هستند. در حال حاضر بزرگترین تولید کننده بوکسیت در جهان کشور استرالیا است. فرایند تشکیل شدن این نوع سنگ پس از انجام فرایند لاتریزه شدن سنگهایی  سیلیکاتی مانند: بازالت،سینیت و شیل، گرانیت، گنیس انجام می گیرد.

نکته ی مهمی که در ارتباط با تشکیل شدن سنگ معدن بوکسیت وجود دارد ارتباط آن با بستر آب غنی و شرایط شدید هوازدگی است.

سنگ بوکسیت کربنی: این مدل سنگ در طبیعت کمیاب تر از نمونه ی دیگر است و در نقاط محدودی از جهان مانند اروپا ، گینه و جامائیکا مشاهده می شود. روند شکل گیری سنگ های کربنی این است که بر روی سنگ های آهکی و دولومیتی شکل می گیرند. از دیدگاه دیگر بوکسیت های کربنی حاصل انباشته شدن لایه های سفالی بر روی سنگ های کربنی و هوازدگی سنگ بوکسیت لاتریتی می باشند. پس از این مرحله این لایه های انباشته شده به تدریج حل شده و با سنگ آهک ترکیب شده و در اثر فرایند شیمیایی سنگ های کربنی به وجود می آیند.

منابع طبیعی سنگ های بوکسیت در نزدیکی سطح زمین قرار دارند. با توجه به این امر معمولا بوکسیت از معادنی استخراج می شود که به صورت روباز هستند. با توجه به اینکه برای استخراج این سنگ احتیاج به عملیات حفاری زیادی نیست از این رو این سنگ رسوبی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.