Бокситы что это, где используются?

Представьте кусок невзрачной красноватой осадочной породы с глинистой или пористой каменистой структурой, которая не окисляется, не горит и не растворяется в воде. Это боксит — главный мировой источник алюминия, металла, который высоко ценится за свои уникальные свойства и используется в самых разных сферах промышленности. Из этой статьи вы узнаете о составе, свойствах и месторождениях бокситов. Мы разберем особенности добычи, переработки и дальнейшего использования этих пород, а также оценим их экономическую значимость и перспективы развития бокситовой промышленности.

Определение бокситов

Боксит — это общее название для осадочных пород с высокой долей содержания алюминия. Происхождение термина основано на названии французской коммуны Ле-Бо-де-Прованс (Les Baux-de-Provence), расположенной на юге страны. Именно там в 1821 году геолог Пьер Бертье впервые обнаружил этот материал. Однако до промышленного производства алюминия из бокситов тогда было еще очень далеко. Поначалу металл был невероятно дорогим, и из него делали украшения, которые ценились выше, чем золотые и серебряные.

Состав и свойства бокситов

Бокситы могут иметь весьма разнообразный состав, представленный в основном алюминиевыми минералами. Эти минералы ценятся за высокое содержание глинозема, или оксида алюминия Al₂O₃. Как правило, бокситы содержат 40–60% глинозема, и чем выше этот показатель, тем большую ценность представляет алюминиевая руда. В бокситах обычно содержится один или сразу несколько гидроксидов алюминия.

• Гиббсит — Al(OH)₃. Проявляет удивительное разнообразие форм и по внешнему виду часто напоминает каменные цветы. Обычно находится в молодых месторождениях и легко перерабатывается. Назван в честь Джорджа Гиббса — американского минералога, собравшего коллекцию из более чем 20 000 образцов.
• Бёмит — γ-AlO(OH). Является промежуточным звеном между гиббситом и диаспором в процессе минерализации. Бемит требует более энергоемкой переработки, но часто используется как добавка, повышающая огнестойкость полимеров. Назван в честь немецкого химика Иоганна Бёма, проводившего рентгеновские исследования гидроксидов алюминия.
• Диаспор — α-AlO(OH). Одна из модификаций бёмита. Чаще всего имеет чешуйчатую структуру и содержится в наиболее древних месторождениях. Диаспор сочетает такие, казалось бы, противоположные свойства, как твердость и хрупкость. Его название связано с древнегреческим словом «διασπορά», что в переводе на русский язык означает «рассеяние».

Необходимым, но «нежелательным» компонентом в составе бокситов является кремнезем, или оксид кремния SiO₂. При высокой доле содержания кремнезема при переработке требуются дополнительные ресурсы, так как он активно вступает в реакции с химическими реагентами, необходимыми для растворения бокситов и последующего извлечения алюминия. Поэтому по содержанию кремнезема в добываемой руде судят о ее качестве.

В меньшей степени, нежели кремнезем, в состав бокситов могут входить и другие вещества. 

• Оксиды железа — распространенные виды железной руды гематит (Fe₂O₃) и гётит (FeO(OH)) придают бокситам характерный красноватый оттенок. При высокой доле содержания таких соединений бокситы также можно использовать для извлечения железа.
• Диоксиды титана — чаще всего встречается анатаз (TiO₂), который делает цвет породы более тусклым. Титан очень высоко ценится в промышленности, и хотя бокситы не являются основным ресурсом для его добычи, некоторые современные технологии позволяют извлекать и этот металл.
• Другие элементы — бокситы зачастую содержат примеси калия, кальция, магния, марганца, фосфора и хрома. Особенно ценной примесью считается галлий — дорогой металл, используемый в полупроводниковой промышленности, который весьма редко встречается в земной коре.

Независимо от особенностей химического состава, бокситы проявляют комплекс характерных свойств, среди которых:

• твердость;
• огнеупорность;
• непластичность;
• растворимость в щелочах.

Образование месторождений

В современной геологии первым и необходимым этапом образования бокситовых месторождений считается выветривание горных пород. Так называют совокупность химических реакций, происходящих под воздействием различных внешних факторов — не только ветра, но и солнечных лучей и дождей.

При образовании бокситов ключевым процессом является латеритное выветривание, для которого характерен жаркий и влажный климат тропического и субтропического поясов: среднегодовая температура от 25 °C и не менее 1 500 мм осадков в год. Находясь в таких условиях в течение миллионов лет, содержащие алюминий породы, например, гранит, базальт или сланцы начинают разлагаться. Большая часть легкорастворимых элементов вымываются из пород и уходят в грунтовые воды, поэтому в бокситах остаются, в основном, соединения алюминия, железа и титана.

Пусть и в меньшей степени, но месторождения бокситов также формируются и в умеренных широтах. Например, диаспор впервые обнаружили на Урале в 1801 году, неподалеку от Екатеринбурга. Такие месторождения называют карстовыми. Карсты — это процессы, при которых подземная вода растворяет горные породы, что зачастую изменяет рельеф местности (прим.ред: отсюда название карстовых воронок и карстовых пещер). При формировании карстовых бокситовых месторождений вымывались карбонатные породы, в основном известняк и доломиты, а освободившееся место занимали глинистые слои — исходные материалы для бокситов. 

Месторождения бокситов

Данные об общемировом содержании бокситов в земной коре разнятся — различные организации оценивают их уровень от 55 до 75 млрд тонн. Примерно 88% запасов относится к латеритным месторождениям, а оставшиеся 12% — к карстовым. В 2024 году специалисты Геологической службы США провели комплексное исследование и опубликовали рейтинг стран с наибольшими запасами бокситов (в млрд тонн):

• Гвинея — 7,4;
• Австралия — 3,5;
• Вьетнам — 3,1;
• Индонезия — 2,8;
• Бразилия — 2,7.

Россия входит в топ-10 стран по наибольшим запасам бокситов с показателем около 500 млн тонн. Крупнейшие месторождения нашей страны находятся в Свердловской, Архангельской, Ленинградской и Белгородской областях, а также в Республике Коми.

Добыча бокситов

Чаще всего бокситы добывают открытым методом, то есть посредством разработки карьеров. Из-за особенностей формирования месторождений алюминиевая руда залегает не слишком глубоко — в пределах 500 метров под поверхностью. Первым делом удаляется вскрыша — слой пустых пород, покрывающих полезные ископаемые. Затем в работу вступает тяжелая карьерная техника, в частности, гидравлические экскаваторы, слой за слоем извлекающие пласты бокситов. Затем породу помещают в дробильные установки, где ее измельчают для транспортировки и дальнейшей переработки.

Подземный, или шахтный, метод используется для добычи бокситов, залегающих на глубине более 500 метров. Некоторые месторождения залегают гораздо глубже — например, шахта «Черёмуховская-Глубокая», расположенная в Свердловской области, достигает глубины 1 550 метров. В шахтах руду извлекают в процессе буровзрывных работ или с помощью механизированных устройств, режущих породу. Подземный метод требует значительных финансовых затрат, однако он меньше вредит экологии.

Переработка в глинозем и алюминий

Хотя восстанавливать алюминий из хлоридов научились еще в начале XIX века, однако промышленная технология получения алюминия из бокситов была разработана лишь к его концу. Впервые ее стала применять фирма «AluminumCompany of America», после чего цены на алюминий резко упали, и начался новый этап в истории развития металлургических технологий.

Уже более 100 лет основным способом переработки бокситов в глинозем является процесс Байера. Австро-венгерский химик Карл Йозеф Байер запатентовал его в 1888 году. Именно после внедрения этого метода в промышленность цены на алюминий упали примерно на 80%. Суть процесса заключается в том, чтобы очистить боксит от всех дополнительных примесей, оставив только минеральные оксиды алюминия. Давайте подробнее рассмотрим ключевые этапы переработки.

• Подготовка сырья. Бокситы дробят и перемалывают до состояния порошка, чтобы облегчить контакт с химическим реагентом.
• Растворение. Порошок смешивают с раствором каустической соды (NaOH), нагревают до 200 °C и подвергают воздействию давления порядка 35 атмосфер. В результате глинозем растворяется в щелочи, в отличие от большинства примесей. Чем больше кремнезема содержится в бокситах, тем больше каустической соды требуется при растворении.
• Фильтрация. Из полученной смеси извлекают осадок с побочными компонентами, известный под названием красный шлам. Красный шлам включает определяющие его цвет оксиды железа, а также титан и кремнезем.
• Осаждение. Чтобы преобразовать оставшийся раствор в твердый оксид алюминия, его разбавляют холодной водой и переливают в большие осадительные баки. В результате глинозем оседает, а щелочной реагент высвобождается обратно в раствор и годится для повторного использования.
• Прокаливание. На заключительном этапе мокрый гидроксид алюминия нагревают до температуры свыше 1 000 °C, благодаря чему из него удаляется химически связанная вода и остается сухой глинозем.

С помощью выплавки из глинозема получают алюминий. Однако оксид алюминия имеет невероятно высокую температуру плавления — 2 044 °C. Чтобы снизить энергозатраты, специалисты используют обходные пути. Глинозем растворяют в криолите (Na₃AlF₆), что позволяет снизить температуру плавления примерно до 1 000 °C. Затем к расплавленной смеси применяют метод электролиза — под воздействием высокого постоянного тока запускаются химические реакции. Молекулы глинозема разрушаются, и на дне сосуда скапливается жидкий алюминий. Алюминий заливают в специальные формы, где он застывает, образуя слитки.

Применение бокситов

Львиная доля добытого боксита, а именно порядка 85–90%, находит металлургическое применение и перерабатывается в глинозем и алюминий. При этом глинозем не только является сырьем для получения алюминия, но благодаря высокой температуре плавления сам по себе представляет ценное сырье и часто входит в состав жаропрочных изделий: печей, огнеупорного кирпича, керамических изделий.

Алюминий широко применяется в самых разных сферах промышленности, среди которых:

• авиастроение — изготовление обшивки;
• автопром — конструктивные элементы двигателей;
• строительство — несущие конструкции, сайдинги и оконные рамы;
• пищевая промышленность — банки для напитков и фольга для запекания;
• электроника — печатные платы и корпуса смартфонов и других высокотехнологичных устройств.

Бокситы, которые не уходят на переработку в глинозем, также используются в металлургии. Например, при выплавке стали их применяют в качестве флюса — материала, ускоряющего образование шлаков в процессе удаления углеродосодержащих примесей из чугуна. Наиболее твердые бокситы, содержащие диаспор, обжигают в печах для изготовления электрокорунда. Этот сверхпрочный и огнеупорный материал зачастую является основой для производства литейных форм и шлифовальных абразивных инструментов.

Бокситы в мировой экономике 

В списке лидеров по объему добычи бокситов 2 верхние строчки занимают страны с наибольшим количеством запасов — Гвинея и Австралия. Несмотря на это, Австралия находится на 5 месте в рейтинге стран-производителей алюминия, а Гвинея и вовсе не производит этот металл, отправляя бокситы на экспорт. Наибольшую выгоду из добытых бокситов извлекает Китай. Эта страна обладает весьма скудными запасами, но на ее долю приходится 60% мирового производства алюминия. Вторую и третью строчку занимают Индия и Россия с долями 6 и 5% соответственно.

Добыча алюминиевой руды нередко приводит и к социальным конфликтам. Бокситовые рудники нередко находятся на территориях коренных народов Западной Африки и Северной Австралии. Испытывая трудности с питьевой водой и продуктами питания, жители этих регионов не получают справедливой компенсации от горнодобывающих компаний.

Экологические последствия переработки бокситов

При открытых горных работах в процессе добычи бокситов удаляются растительность и верхние слои почвы, что наносит серьезный ущерб экосистемам и ведет к снижению биоразнообразия на обширной территории. Кроме того, при разработке карьеров атмосфера и вода загрязняются вредными веществами. 

Значительный ущерб окружающей среде причиняют и хранилища красных шламов. Побочные продукты процесса Байера содержат множество химических соединений, отравляющих почву и грунтовые воды. В 2010 году из-за утечки красного шлама ядовитые отходы попали в венгерскую реку Маркал, что привело к гибели всех рыб, животных и птиц, обитающих на территории площадью 40 км². Высыхая, красные шламы превращаются в пыль, провоцирующую раковые опухоли и другие заболевания легких.

Альтернативы и перспективы использования бокситов и производства алюминия

Переход на «зеленую» энергетику только увеличивает потребность в алюминии, так как из него делают детали электромобилей, солнечных панелей и других средств производства возобновляемой энергии. Чтобы избежать экологической катастрофы, необходимо задуматься об альтернативном производстве алюминия, без использования бокситов.

В России и ряде европейских стран разработаны технологии извлечения алюминия из нефелиновой руды. В отличие от бокситов, нефелин содержит совсем немного алюминия в виде алюмосиликатов — AlSiO₄. Переработка нефелиновой руды наносит меньший вред экологии, но требует значительных финансовых затрат в пересчете на единицу материала. Кроме того, подобная руда весьма редко встречается в природе.

Уже готовый алюминий можно переплавлять бесконечное количество раз без потери исходного материала. При этом переработка алюминия требует в 20 раз меньше электроэнергии, чем его первичное производство. Сегодня в России перерабатывается порядка 40% алюминия, а к 2030 году этот показатель планируют увеличить до 70%.

Интересные факты

• Глинозем содержится не только в бокситах, но и в некоторых драгоценных камнях. Например, рубины и сапфиры имеют абсолютно одинаковую химическую формулу — Al₂O₃, но отличаются примесями. Хром обеспечивает рубинам яркий красный цвет, а сочетание железа и титана придает сапфирам синий оттенок.
• В 1855 году на Всемирной выставке в Париже слиток алюминия был выставлен рядом с драгоценностями французской короны. До изобретения процесса Байера этот металл ценился выше, чем золото.
•  Столовые приборы первого президента Французской Республики Наполеона IIIбыли сделаны не из серебра, а из алюминия, что служило демонстрацией роскоши. А к 1970-м вилки и ложки из алюминия лежали в каждой советской столовой, а алюминиевая кружка – в каждом туристическом рюкзаке. Впрочем, впоследствии посуда из алюминия была признана вредной для человека. Особенно небезопасно готовить в ней кислую пищу, в том числе русские щи.  

• В 2015 году у берегов Вьетнама затонуло грузовое судно «Bulk Jupiter», на котором перевозили более 46 000 тонн бокситов. Расследование показало, что причиной катастрофы стало состояние перевозимого сырья. Содержание влаги в нем превысило 10%, что привело к эффекту разжижения бокситов: они начали вести себя как жидкость, сместились в трюмах и спровоцировали крен судна, усиливавшийся до тех пор, пока «Bulk Jupiter» не перевернулся.

Бокситы в вопросах и ответах

1. Что такое бокситы и почему они важны?

Бокситы — это определенные типы осадочных и, в частности, карстовых пород. Они являются основным ресурсом для производства алюминия.

2. Каков химический состав бокситов?

Основой химического состава бокситов являются оксиды алюминия. Также он содержит соединения кремния, железа, титана и другие примеси.

3. Как образуются месторождения бокситов?

Большинство месторождений бокситов образуются в процессе латеритного выветривания, когда в течение многих миллионов лет из пород вымываются легкорастворимые компоненты.

4. Какие существуют типы бокситовых месторождений?

Помимо латеритных месторождений, также существуют карстовые. Они образуются из-за того, что глинистые материалы замещают горные породы, разрушаемые водой.

5. Где находятся крупнейшие залежи бокситов?

Крупнейшие залежи бокситов находятся в Гвинее и Австралии.

6. Как добывают бокситы в промышленных масштабах?

В промышленных масштабах бокситы, в основном, добывают открытым методом, разрабатывая карьеры и извлекая пласты пород.

7. В чем заключается процесс Байера?

Процесс Байера позволяет извлекать из бокситов глинозем. Он включает этапы перемалывания сырья, растворения, фильтрации, осаждения и прокаливания.

8. Как из бокситов получают алюминий?

После извлечения глинозема из бокситов его смешивают с криолитом[П1]  — солью плавиковой кислоты — и затем в процессе электролиза расплавленного материала получают алюминий.

9. Какие отрасли используют бокситы, кроме алюминиевой?

Бокситы используются при выплавке стали из чугуна, так как они ускоряют процесс отделения углеродных примесей.

10. Какие страны лидируют в добыче бокситов?

В добыче бокситов лидируют Гвинея и Австралия.

11. Как экологически безопасно добывать бокситы?

Самым экологически безопасным способом добычи бокситов является подземный, однако строительство шахт не подходит для разработки абсолютного большинства месторождений из-за неглубокого залегания ресурса.

12. Что такое красные шламы и как с ними борются?

Красные шламы — это побочные продукты, возникающие при переработке бокситов в глинозем. В основном их отправляют в опасные для экологии хранилища, но некоторые технологии позволяют перерабатывать шламы и извлекать ценные элементы, такие как титан или галлий.

13. Существуют ли альтернативы бокситам?

Основной альтернативой бокситам является нефелин, однако это весьма редкая руда, требующая затратной переработки.

14. Как перерабатывают алюминий и можно ли обойтись без его получения из бокситов?

Алюминий переплавляют для последующего использования без потерь исходного материала. В настоящее время обойтись без бокситов практически невозможно, так как они обеспечивают порядка 95% мирового производства алюминия.

15. Каково будущее бокситовой промышленности?

Будущее бокситовой промышленности имеет ряд рисков. Например, Гвинея, являющаяся крупнейшим добытчиком бокситов, в настоящее время начинает отзыв лицензий у компаний, не строящих перерабатывающие предприятия на территории страны. Также необходимо учитывать экологические риски — во всем мире в хранилищах содержится порядка 5 млрд тонн красного шлама.

***

Производство алюминия и глинозема из бокситов стало одним из важнейших факторов перехода к высокотехнологичной эпохе, ведь без них не было бы запущено массовое производство транспортных средств и технологических устройств, без которых очень сложно представить жизнь в современном мире. При этом «зеленая» экономика требует все большего количества алюминия, усиливая давления на экосистемы. Остается надеяться на разработку технологий, которые обеспечат достаточное производство алюминия без ущерба окружающей среде.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: JJ Harrison, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons