Minería y refinación: de la tierra roja al aluminio

No importa cuántas sílabas uses para decirlo, el aluminio es uno de los metales industriales más útiles que tenemos. Ligero, resistente, de fácil aleación, altamente conductivo y fácil de mecanizar, moldear y extruir, el aluminio ha encontrado su camino en prácticamente todos los procesos industriales y productos comerciales imaginables.

La vida moderna sería imposible sin el aluminio y, sin embargo, el metal plateado ha tenido un uso generalizado solo durante los últimos 100 años. Hubo un tiempo, no hace tanto tiempo, en que la vajilla de aluminio era un símbolo de estatus, y una vez valía literalmente más que su peso en oro. La razón detrás de su rareza única radica en el esfuerzo necesario para extraer el elemento abundante de las rocas que lo transportan, así como la energía para hacerlo. Las fuerzas que bloquearon el aluminio fuera del uso humano hasta hace poco tiempo han sido superadas, y vale la pena analizar la química y la ingeniería necesarias para hacerlo en nuestra próxima entrega de "Minería y refinación".

El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Pero para algo que representa el 8% en promedio del suelo bajo tus pies, es extremadamente difícil de encontrar en su forma elemental. No hay afloramientos ni vetas de aluminio metálico para minar; el aluminio casi siempre se encuentra en sus diversas formas de óxido, y necesita ser liberado químicamente para ser de alguna utilidad como metal industrial.

Si bien las rocas que contienen aluminio están ampliamente distribuidas, solo hay unos pocos depósitos económicamente significativos del mineral principal de aluminio: la bauxita. El contenido exacto de bauxita varía, pero generalmente se compone de minerales de óxido de aluminio en asociación con hidróxidos de aluminio, arcillas, cuarzo y minerales que contienen hierro. Algunos de los depósitos de bauxita más grandes y ricos se encuentran en los trópicos, donde alternan períodos de altas temperaturas y lluvias abundantes seguidos de largos períodos secos.

La meteorización química que favorecen estas condiciones es realmente el primer paso en el procesamiento del aluminio: rompe la bauxita, que ya es una roca muy blanda, en pedazos del tamaño de un bocado que se recogen fácilmente. La mayor parte de la bauxita se extrae utilizando técnicas de minería a cielo abierto. El líder mundial actual en la producción de bauxita es Australia, que produce alrededor de una cuarta parte de la producción mundial. China ocupa el segundo lugar, con la nación de África occidental de Guinea en tercer lugar. También hay grandes depósitos de bauxita en Brasil y el Caribe, principalmente en Jamaica.

Debido a que solo hay unos pocos lugares en el mundo donde se extrae bauxita, el mineral se envía con frecuencia largas distancias para su posterior procesamiento. Esto puede terminar siendo una propuesta peligrosa cuando el mineral se envía a través del océano debido a la licuefacción y la separación dinámica. La bauxita normalmente contiene mucha arcilla y, cuando se expone al agua de lluvia, puede formar una suspensión similar a arenas movedizas que se comporta como un líquido. Cuando se carga en las bodegas de un buque granelero, la bauxita demasiado húmeda puede chapotear y, junto con la tendencia del agua en la suspensión a migrar hacia arriba, cambia el centro de gravedad del buque con resultados desastrosos.

El mineral de bauxita en bruto debe tratarse químicamente para eliminar las impurezas y dejarlo listo para fundir el aluminio que contiene. Casi siempre se usa el proceso Bayer para lograr esto, y consiste en cocinar grandes lotes de bauxita triturada en un recipiente a presión con una solución de soda cáustica o hidróxido de sodio. A 150° a 200° C, los óxidos e hidróxidos de aluminio, que normalmente son insolubles en agua, reaccionan con el sodio del hidróxido de sodio para formar aluminato de sodio:

Esto solubiliza el aluminio en la bauxita pero no las impurezas, que son principalmente óxidos de hierro. Los materiales insolubles, junto con el exceso de hidróxido de sodio, se filtran en un producto de desecho llamado "lodo rojo". Grandes cantidades de lodo rojo se producen en las plantas de procesamiento de bauxita y se almacenan en lagunas, a menudo formadas por la inundación de pozos de bauxita cuando el mineral se procesa cerca de donde se extrajo. Los óxidos en el lodo rojo tienen valor económico y pueden recuperarse para su uso en procesos industriales que incluyen la recuperación de trazas de elementos de tierras raras que pueden estar presentes en los relaves. El lodo rojo también puede conducir al desastre si no se maneja adecuadamente.

El paso final en el procesamiento de bauxita consiste en precipitar el aluminio en el filtrado y purificarlo. Esto se logra sembrando la solución que contiene el aluminato de sodio con cristales altamente purificados de hidróxido de aluminio. Esto hace que se formen cristales de hidróxido de aluminio y se caigan de la solución sobresaturada:

Los cristales de hidróxido de aluminio se recogen y tratan en un horno rotatorio de alta temperatura. En un proceso llamado calcinación, el hidróxido de aluminio se descompone térmicamente en cristales de óxido de aluminio de color blanco puro:

El siguiente paso del procesamiento es realmente fundir el aluminio elemental de la alúmina. El proceso utilizado para lograr esto es el proceso Hall-Héroult, llamado así por el químico estadounidense Charles Martin Hall y el científico e inventor francés Paul Héroult, quienes de forma independiente y casi simultánea inventaron el proceso en 1886. El proceso básicamente busca deshacer los procesos oxidativos de la naturaleza. que originalmente bloqueó el aluminio elemental en sus óxidos para formar bauxita. Lo hace electrolíticamente y, por lo tanto, requiere acceso a cantidades masivas de electricidad barata para ser económicamente viable; esta es la razón por la cual las fundiciones de aluminio a menudo se ubican cerca de las represas hidroeléctricas.

Para electrolizar el polvo de alúmina, primero debe licuarse. Simplemente derretirlo no es factible, ya que tiene un punto de fusión escandalosamente alto (2072° C). La clave del proceso Hall-Héroult fue el descubrimiento de la criolita, una sal de sodio, aluminio y flúor. La criolita reduce el punto de fusión de la alúmina a unos 900 °C, lo que hace posible la electrólisis. La criolita se produce naturalmente, pero es muy rara y se encuentra solo en unos pocos lugares de la Tierra. Casi toda la criolita utilizada para la fundición de aluminio ahora se produce sintéticamente.

A escala industrial, el proceso Hall-Héroult se lleva a cabo a niveles casi ridículos, con plantas de fundición tan grandes que se pueden ver desde el espacio. Cada celda de reacción de acero, llamada olla, está revestida con cerámica y tiene un cátodo de grafito en la parte inferior. La olla se carga con polvo de alúmina y criolita, y se introduce en la mezcla un ánodo compuesto macizo. El ánodo está hecho principalmente de coque fundido con un marco de cobre o acero para conducir la corriente necesaria (cientos de miles de amperios) para electrolizar la solución.

La reacción de electrólisis hace que se forme aluminio metálico en el ánodo de cada celda. El metal fundido es más denso que el electrolito, por lo que las gotas se hunden hasta el fondo de la olla donde se acumulan en el cátodo. Las ollas funcionan continuamente y se necesitan entre uno y tres días para que se acumule suficiente aluminio fundido. El metal líquido se extrae con un sifón, los ánodos consumibles se intercambian según sea necesario y se agrega otra carga a la olla.

El aluminio que sale de la olla es aproximadamente un 99 % de aluminio puro y generalmente se moldea en lingotes o barras para su posterior procesamiento. El aluminio con este nivel de pureza se usa principalmente para envases de alimentos o como conductores eléctricos, como líneas eléctricas aéreas. Si se desea un metal de mayor pureza, otro proceso electrolítico conocido como proceso Hoopes puede llevar la pureza hasta el nivel de "cuatro nueves" (99,99 %). Todos los metales a partir del 99 % de pureza se conocen como aluminio de la "serie 1000".

Sin embargo, el aluminio puro generalmente no es tan útil industrialmente, por lo que la mayoría del aluminio se alea con otros metales para lograr otras características. Por ejemplo, la serie 2000 de aluminio se alea principalmente con cobre para brindar resistencia y dureza, y encuentra su camino en la fabricación de aeronaves. Los metales de la serie 3000, como la aleación 3003 que se encuentra en los conductos y los utensilios de cocina, están aleados con manganeso para facilitar su trabajo. El silicio está aleado con aluminio para formar los metales de la serie 4000; agregar magnesio da como resultado los metales de la serie 6000 como los populares 6061 y 6063 que aparecen en todo, desde extrusiones de aluminio hasta bloques de motor.