Alumínio: Produção, Propriedades e Impacto Ambiental

Introdução

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, constituindo cerca de 8% do solo e rocha. Oxigénio e silício dominam o resto, com 47% e 28% respetivamente. Na natureza, o alumínio existe apenas em compostos com elementos como enxofre, silício e oxigénio. Alumínio metálico puro só pode ser extraído de minérios de óxido de alumínio.

Alumínio metálico é valorizado pela sua leveza, alta resistência, natureza não magnética e não tóxica. Conduz calor e eletricidade, reflete luz e mantém resistência a temperaturas extremas sem se tornar frágil. Uma fina camada invisível de óxido forma-se rapidamente na superfície, proporcionando resistência natural à corrosão. Além disso, o alumínio é um dos materiais mais recicláveis do mundo, com altos retornos económicos a partir de matéria-prima reciclada.

Contexto Histórico

Compostos de alumínio têm sido utilizados há milénios. Por volta de 5000 a.C., oleiros persas criavam os vasos de argila mais resistentes adicionando alúmina. Antigos egípcios e babilónios usavam sais de alumínio em tintas, cosméticos e medicamentos. Não foi até ao início do século XIX que o elemento foi isolado em forma pura. Devido à dificuldade de extração, o alumínio permaneceu tão raro e valioso como a prata durante muitas décadas.

Em 1886, dois jovens cientistas – Hall nos Estados Unidos e Héroult em França – desenvolveram independentemente o processo eletrolítico de fundição Hall-Héroult, tornando viável produção em larga escala. O processo Bayer, patenteado em 1888 pelo químico austríaco Karl Bayer, refinou o minério e tornou-se essencial para o crescimento da indústria. Em 1884, os EUA produziram 60 kg (125 lb) de alumínio, com preço aproximadamente igual ao da prata. Em 1995, fábricas dos EUA produziram 3,6 milhões de toneladas (7,8 mil milhões de lb) de alumínio, enquanto a prata era ainda setenta e cinco vezes mais cara por unidade.

Matérias-Primas

O minério mais valioso para produzir alumínio puro é bauxite, que contém 45-60% de óxido de alumínio junto com impurezas como areia, ferro e vestígios de metais. Embora alguns depósitos sejam rocha dura, a maioria é mole, facilmente extraída por métodos a céu aberto. Austrália fornece mais de um terço da bauxite mundial. Aproximadamente 2 kg (4 lb) de bauxite são necessários para produzir 0,5 kg (1 lb) de alumínio.

Soda cáustica (hidróxido de sódio) dissolve compostos de alumínio na bauxite, separando-os de impurezas. Dependendo da composição do minério, pequenas quantidades de amido, cal ou sulfureto de sódio também podem ser adicionadas.

A produção de alumínio envolve duas etapas principais: o processo Bayer, que refina bauxite em alúmina (Al₂O₃), e o processo Hall-Héroult, que funde eletroliticamente alúmina em metal puro.

Criolita (Na₃AlF₆) serve como eletrólito na etapa de fundição. Historicamente extraída na Gronelândia, é agora sintetizada. Fluoreto de alumínio é adicionado para baixar ponto de fusão do eletrólito.

Elétrodos de carbono conduzem corrente elétrica através do eletrólito. Durante fundição, carbono reage com oxigénio para formar CO₂. Aproximadamente 0,2 kg de carbono são consumidos por 2,2 kg de alumínio produzido. Algum carbono origina-se de subprodutos de refinação de petróleo, com o restante derivado de carvão.

Como o processo Hall-Héroult requer grandes correntes, consome energia elétrica significativa. Produzir 1 kg de alumínio tipicamente requer 15 kWh de eletricidade, que representa cerca de um terço do custo de fundição.

Processo de Fabrico

A produção de alumínio divide-se no processo Bayer e no processo Hall-Héroult.

Processo Bayer

• 1. Bauxite é triturada mecanicamente e misturada com soda cáustica, depois moída para produzir pasta fina.
• 2. A pasta é bombeada para um digestor – essencialmente uma panela de pressão – aquecida a 110-270 °C sob 340 kPa por 30 minutos a várias horas. Soda cáustica adicional assegura dissolução completa de compostos de alumínio.
• 3. A pasta quente, agora solução de aluminate de sódio, passa por tanques de flash que baixam pressão e recuperam calor para reutilização.
• 4. Num tanque de decantação, impurezas não dissolvidas assentam no fundo como "lama vermelha". O alumínio solúvel permanece no líquido.
• 5. O líquido límpido é filtrado através de tecido para reter quaisquer partículas finas remanescentes. A lavagem do filtro produz alúmina e soda cáustica reutilizáveis.
• 6. Cristais de semente de hidrato de alúmina são introduzidos numa série de tanques de precipitação de seis andares. À medida que a solução arrefece, cristais crescem e assentam no fundo.
• 7. Os cristais são lavados, depois calcinados num forno a 1.100 °C para remover água ligada, produzindo alúmina anidra. Um arrefecedor segue o forno para trazer o produto a temperatura ambiente.

Processo Hall-Héroult

Fundição ocorre em cubas de redução de aço revestidas a carbono. Os elétrodos superiores são hastes de carbono suspensas logo acima do alumínio fundido. Cubas são dispostas em linhas (linhas de cubas) de 50-200 unidades, cada linha produzindo 60.000-100.000 t de alumínio anualmente. Uma fábrica típica contém duas ou três linhas de cubas.

• 8. Dentro de cada cuba, alúmina dissolve-se em criolita fundida a 960-970 °C, formando eletrólito. Corrente contínua de 4-6 V e 100.000-230.000 A passa através, quebrando ligações Al-O. Oxigénio reage com hastes de carbono para formar CO₂; alumínio fundido acumula-se no fundo.
• 9. O processo é contínuo: alúmina é adicionada à medida que se decompõe, enquanto corrente constante e calor mantêm mistura fundida. Periodicamente, a crosta que se forma no topo é quebrada para permitir mais alúmina. Alumínio sifonado é recolhido num cadinho que desce pela linha de cubas, acumulando 4.000 kg de metal 99,8% puro. A fusão é então vertida em moldes horizontais longos, arrefecida com água e cortada em lingotes.

Subprodutos e Resíduos

Alúmina, produto intermédio do processo Bayer, é ela própria valiosa. É material branco, pulverulento usado em detergentes, pastas de dentes, lâmpadas fluorescentes, cerâmica (dentes falsos, velas de ignição, vidro blindado militar), compostos de polimento, conversores catalíticos, explosivos e até combustível de foguetão – cada lançamento de vaivém consome 180.000 kg de alúmina. Cerca de 10% da alúmina produzida anualmente é vendida para estes usos alternativos.

O principal resíduo da refinação de bauxite é "lama vermelha". Para cada tonelada de alúmina produzida, gera-se aproximadamente uma tonelada de lama vermelha. Embora contenha ferro, titânio, soda e alúmina residual, não existe método de recuperação economicamente viável. Geralmente é armazenada em lagoas até secar, depois espalhada em terra.

Fundição também gera gases de efeito de estufa. Fábricas dos EUA emitem aproximadamente 5,5 milhões de toneladas de CO₂ e 3.300 toneladas de perfluorocarbonetos anualmente. Adicionalmente, cerca de 120.000 toneladas de revestimento de cuba gasto (SPL) – classificado como perigoso pela EPA – são removidas anualmente. A primeira instalação de reciclagem de SPL abriu em 1996, convertendo material em frita de vidro usada em azulejos cerâmicos, fibras de vidro e telhas asfálticas.

O Futuro

A maioria dos produtores de alumínio dos EUA pertence à Voluntary Aluminum Industrial Partnership (VAIP), colaborando com a EPA para enfrentar desafios ambientais. Investigação atual foca-se no desenvolvimento de materiais de elétrodo inertes para substituir carbono. Um compósito promissor de grafite-titânio-diboreto poderia eliminar emissões de gases de efeito de estufa e reduzir energia de fundição em 25% uma vez comercializado.