Бокситы

Боксит — это осадочная горная порода, состоящая преимущественно из гидроксидов алюминия (гиббсит, бёмит, диаспор) и оксидов железа (гематит, гётит, магнетит). Является главным промышленным сырьём для производства глинозёма (оксида алюминия, Al₂O₃), из которого в дальнейшем выплавляют алюминий металлургическим способом. Название порода получила от французского селения Ле-Бо-де-Прованс (Les Baux-de-Provence), где она была впервые обнаружена и описана в 1821 году геологом Пьером Бертье.

Химический состав и минералогия

Бокситы представляют собой сложную полиминеральную смесь. Основными рудными минералами являются три модификации гидроксида алюминия:

• Гиббсит (Al(OH)₃) — тригидратная форма, наиболее распространённая в молодых бокситах.
• Бёмит (γ-AlO(OH)) — моногидратная форма, характерен для более древних и метаморфизованных пород.
• Диаспор (α-AlO(OH)) — моногидратная форма, наиболее плотная и твёрдая, встречается в глубоко метаморфизованных бокситах.

Помимо алюминийсодержащих минералов, в состав бокситов входят:

• Оксиды и гидроксиды железа: гематит (Fe₂O₃), гётит (FeO(OH)), магнетит (Fe₃O₄). Они придают породе характерный красный, бурый или вишнёвый цвет. Высокое содержание железа (более 25%) ухудшает качество руды.
• Оксиды кремния: кварц (SiO₂), опал, халцедон. Кремнезём является вредной примесью, так как в процессе переработки связывает щёлочь и переходит в красный шлам, увеличивая его объём и потери алюминия.
• Карбонаты: кальцит (CaCO₃), доломит (CaMg(CO₃)₂). Их присутствие может вызывать вспенивание при выщелачивании.
• Минералы титана: рутил (TiO₂), анатаз, ильменит. Обычно присутствуют в небольших количествах.
• Прочие примеси: соединения фосфора, ванадия, галлия, хрома, циркония. Галлий часто извлекают попутно из растворов глинозёмного производства.

Химический состав бокситов выражается в массовых долях оксидов. Основной показатель качества руды — кремниевый модуль (отношение Al₂O₃ к SiO₂). Для промышленной переработки он должен быть не менее 2–2,5. Высококачественные бокситы имеют модуль 10–15 и выше.

Физические свойства

Боксит не имеет единой кристаллической структуры, его свойства сильно варьируются в зависимости от состава и структуры.

• Цвет: от белого и серого (при низком содержании железа) до красного, бурого, фиолетового и чёрного. Чаще всего встречаются красные и бурые разновидности.
• Твёрдость: от 1 до 6 по шкале Мооса. Гиббситовые бокситы мягкие, землистые, диаспоровые — твёрдые, плотные.
• Плотность: 2,5–3,5 г/см³.
• Структура: разнообразная — оолитовая (с округлыми зёрнами), бобовая, пизолитовая, пористая, кавернозная, массивная.
• Текстура: часто землистая, глиноподобная, реже — слоистая или брекчиевидная.
• Пластичность: не обладает пластичностью, в отличие от глин. При намокании не размокает.
• Растворимость: нерастворим в воде, но хорошо разлагается в концентрированных растворах щелочей (в автоклавах) и серной кислоте.

Происхождение и классификация

Бокситы образуются в результате длительного химического выветривания (латеритизации) алюмосиликатных пород (гранитов, базальтов, гнейсов, сланцев) в условиях жаркого и влажного климата. Процесс включает вынос кремнезёма и щелочных металлов с поверхности и накопление остаточных гидроксидов алюминия и железа. По генезису выделяют два главных типа месторождений:

• Остаточные (латеритные): образуются на месте разрушения материнской породы. Залегают плащеобразно на вершинах холмов и плато. Характерны для тропических регионов (Гвинея, Австралия, Бразилия, Индия). Обычно содержат гиббсит и отличаются высоким качеством.
• Осадочные (переотложенные): образуются при размыве и переносе продуктов выветривания водными потоками с последующим осаждением в прибрежных зонах морей, озёр или в карстовых впадинах. Залегают в виде пластов и линз. Характерны для умеренных и субтропических зон (Россия, Казахстан, Китай, страны Средиземноморья). Часто содержат бёмит и диаспор, имеют более сложный минеральный состав.

По минеральному составу бокситы делятся на:

• Гиббситовые (тригидратные) — наиболее лёгкие для переработки.
• Бёмитовые (моногидратные) — требуют более жёстких условий выщелачивания.
• Диаспоровые (моногидратные) — самые трудно перерабатываемые.
• Смешанные (гиббсит-бёмитовые и др.).

Месторождения и добыча

Мировые запасы бокситов, по данным Геологической службы США (USGS), оцениваются в 30–35 миллиардов тонн. Основные запасы сосредоточены в нескольких странах:

Добыча бокситов ведётся преимущественно открытым (карьерным) способом. Вскрышные породы удаляются, затем руда экскавируется и транспортируется на обогатительные фабрики или непосредственно на глинозёмные заводы. В России основные месторождения расположены в Ленинградской области (Бокситогорск), Архангельской области (Иксинское, Вежаю-Ворыквинское), Республике Коми (Средне-Тиманское), Свердловской области (Североуральский бокситовый рудник) и Красноярском крае (Чадобецкое).

Переработка (процесс Байера)

Более 90% бокситов перерабатывается по способу Байера, разработанному австрийским химиком Карлом Йозефом Байером в 1887–1892 годах. Процесс состоит из нескольких стадий:

1. Дробление и размол: боксит измельчается в присутствии оборотного щелочного раствора (едкого натра, NaOH).
2. Выщелачивание: пульпа нагревается в автоклавах до 150–250 °C (в зависимости от типа минерала) под давлением. Гидроксиды алюминия переходят в раствор в виде алюмината натрия (Na[Al(OH)₄]).
3. Отделение красного шлама: нерастворимый остаток (оксиды железа, кремнезём, титан) отделяется от горячего раствора путём сгущения и фильтрации. Красный шлам является крупнотоннажным отходом производства.
4. Декомпозиция (разложение): осветлённый раствор алюмината натрия охлаждается и разбавляется, в него вносят затравку — мелкие кристаллы гидроксида алюминия. В результате гидролиза гидроксид алюминия выпадает в осадок.
5. Кальцинация: осадок гидроксида алюминия промывается, фильтруется и прокаливается (обжигается) при температуре 1000–1200 °C. В результате удаляется химически связанная вода, и получается чистый глинозём (Al₂O₃) — белый порошок.

Глинозём затем отправляется на электролизное производство алюминия (процесс Холла — Эру).

Применение

Основная область использования бокситов — производство алюминия. Однако помимо этого, бокситы и продукты их переработки применяются в других отраслях:

• Абразивная промышленность: электрокорунд (искусственный корунд), получаемый плавкой боксита в электропечах, используется для изготовления шлифовальных кругов, наждачной бумаги и режущих инструментов.
• Огнеупорная промышленность: высокоглинозёмистые бокситы (с содержанием Al₂O₃ > 50%) применяются для производства огнеупорного кирпича, бетонов и футеровок для металлургических печей.
• Химическая промышленность: из бокситов получают соли алюминия (сульфат алюминия, коагулянты для очистки воды), а также галлий (попутно).
• Производство цемента: бокситы используются как корректирующая добавка при получении высокоглинозёмистого цемента, обладающего быстрым твердением и высокой огнеупорностью.
• Металлургия: бокситы применяются в качестве флюса при выплавке стали для удаления серы и фосфора.

Экологические аспекты

Добыча и переработка бокситов связаны с рядом экологических проблем. Карьерная разработка приводит к нарушению земель, изменению ландшафта и пылевому загрязнению. Основной экологической проблемой глинозёмного производства является образование огромных объёмов красного шлама — высокощелочного отхода (pH 10–13). На каждую тонну глинозёма образуется 1–1,5 тонны шлама. Хранение шлама в специальных прудах-отстойниках требует больших площадей и несёт риск прорыва дамб и загрязнения грунтовых вод. Ведутся активные исследования по утилизации красного шлама (в производстве стройматериалов, как сорбент, для извлечения редкоземельных элементов), однако промышленные масштабы переработки пока незначительны.

Интересные факты

• Название «боксит» происходит от французской коммуны Ле-Бо-де-Прованс, где в 1821 году геолог Пьер Бертье впервые обнаружил и описал красную глиноподобную породу, содержащую 52% оксида алюминия.
• Бокситы не являются минералом в строгом смысле этого слова, так как не имеют определённой кристаллической структуры и постоянного химического состава. Это горная порода, состоящая из смеси нескольких минералов.
• В России первое месторождение бокситов (Тихвинское) было открыто в 1916 году в Ленинградской области, что положило начало отечественной алюминиевой промышленности.
• Самые крупные в мире месторождения бокситов находятся в Гвинее (запад Африки), где сосредоточено около четверти всех мировых запасов.
• Процесс Байера позволяет перерабатывать бокситы с содержанием глинозёма от 30% и выше, но при низком кремниевом модуле (менее 2,5) экономически выгоднее использовать спекание (метод, применяемый для низкокачественных бокситов).

Источники

• Геологический словарь. В 2-х томах. — М.: Недра, 1978.
• Справочник металлурга по цветным металлам. Том 1. Производство глинозёма. — М.: Металлургия, 1985.
• Д. В. Шилов. Технология производства глинозёма. — М.: Учёбное пособие, 2010.
• Данные Геологической службы США (USGS) — Mineral Commodity Summaries, 2023.
• Большая российская энциклопедия. Статья «Бокситы».