Allumina dal Futuro: Scarti Metallurgici Trasformati in Oro Bianco con l’Acido Cloridrico!

Amici appassionati di scienza e innovazione, tenetevi forte perché oggi vi racconto una storia affascinante che profuma di futuro e sostenibilità! Parliamo di allumina (Al₂O₃), un materiale che forse non vi dice molto a primo impatto, ma che è fondamentale in tantissime applicazioni: dai refrattari super resistenti alle ceramiche più raffinate, dai pigmenti agli abrasivi, e persino in campo farmaceutico. Pensate che nel 2023 ne abbiamo prodotta la bellezza di 400 milioni di tonnellate a livello globale!

Un Materiale, Due Volti

Esistono principalmente due tipi di allumina: quella “da fonderia”, usata per produrre alluminio metallico (principalmente γ-Al₂O₃ ottenuta con il processo Bayer), e quella “speciale”, ricca di α-Al₂O₃, destinata a tutte le altre applicazioni che richiedono purezza e prestazioni superiori. Tra queste, spicca l’Allumina di Alta Purezza (HPA), un vero gioiello con un contenuto di Al₂O₃ tra il 99,99% e il 99,999%, super isolante elettrico e termico, richiestissima dal mercato.

Il problema? L’allumina tradizionale, ottenuta dal processo Bayer, si porta dietro impurità come sodio e ferro, che ne limitano l’uso in applicazioni più esigenti. Per l’HPA, spesso si ricorre al processo alcossido, che però parte dall’alluminio metallico, legandola alla filiera dell’alluminio primario e sollevando questioni di sostenibilità. Inoltre, le fonti di bauxite di alta qualità scarseggiano e processare minerali di bassa qualità costa sempre di più. Capite bene che trovare modi innovativi per produrre HPA da materie prime alternative e a basso costo è diventato cruciale!

La Sfida: Nuove Strade per l’Allumina

Da tempo, noi ricercatori stiamo esplorando percorsi alternativi, soprattutto focalizzandoci sul trattamento di materiali non-bauxitici ricchi di allumina in ambiente acido. Pensate che i primi studi sui processi acidi risalgono addirittura alla fine del XIX secolo! Eppure, è un campo di ricerca ancora attivissimo. Una delle alternative più promettenti è il cosiddetto “processo al cloruro di alluminio esaidrato (ACH)”. Ed è proprio qui che entra in gioco la nostra avventura!

Nel contesto del progetto SisAl Pilot, stiamo testando un approccio che sfrutta questo concetto per valorizzare le scorie di alluminato di calcio (CA). Il processo SisAl è già di per sé rivoluzionario: mira a produrre silicio metallurgico (MG-Si) in modo più sostenibile, utilizzando fonti secondarie di SiO₂ e alluminio (da scarti, rottami, ecc.) al posto del carbonio, eliminando così le emissioni dirette di CO₂. Oltre al silicio, questo processo genera, appunto, delle scorie di alluminato di calcio. E indovinate un po’? Queste scorie sono ricchissime di Al₂O₃ e i loro componenti (AlCl₃ e CaCl₂) si sciolgono a meraviglia in soluzioni di acido cloridrico (HCl). Un candidato perfetto per il nostro processo ACH! Recuperare Al₂O₃ come HPA da queste scorie renderebbe l’intero ciclo ancora più sostenibile e circolare. E non finisce qui: potremmo recuperare anche l’ossido di calcio (CaO)!

Il Nostro Innovativo Processo Metallurgico Basato su HCl

Quello che abbiamo messo a punto e che voglio raccontarvi è un processo metallurgico completo, passo dopo passo, per produrre Al₂O₃ di alta qualità partendo proprio da queste scorie di alluminato di calcio. È la prima volta, a nostra conoscenza, che si presenta un quadro così dettagliato di tutte le fasi interconnesse per ottenere allumina da scorie di alluminato.

Ecco le tappe fondamentali del nostro viaggio:

Fase 1: La Lisciviazione – Sciogliere il Tesoro

Per prima cosa, abbiamo preso le nostre scorie di CA (prodotte in un impianto pilota industriale presso ELKEM, mica noccioline!) e le abbiamo “lisciviate” con una soluzione acquosa di HCl al 20,2% p/p. L’obiettivo? Sciogliere l’alluminio contenuto nelle scorie e separare la SiO₂ come un precipitato filtrabile. Le condizioni ottimali di lisciviazione le avevamo già studiate su scorie prodotte in laboratorio, quindi siamo andati abbastanza sul sicuro. Abbiamo lavorato a 80°C, mescolando il tutto per bene. Immaginatevi questa “zuppa” calda dove l’acido fa il suo lavoro!
Dopo la reazione, abbiamo filtrato il tutto a caldo. Il risultato? Una “soluzione lisciviata pregna” (PLS) ricca di alluminio e, come vedremo, di calcio, ma con pochissimo silicio disciolto, evitando la fastidiosa formazione di gel di silice.
Le analisi hanno confermato che abbiamo estratto circa il 92% dell’alluminio e il 93,2% del calcio! Un successone! La nostra PLS conteneva principalmente AlCl₃ e CaCl₂, con magnesio e silicio come impurità maggiori (ma comunque basse) e ferro e sodio come impurità minori.

Fase 2: Precipitazione con HCl Gassoso – Far Nascere i Cristalli

Una volta ottenuta la nostra PLS bella carica di alluminio, siamo passati alla fase successiva: la precipitazione dell’alluminio sotto forma di sale di cloruro di alluminio esaidrato (AlCl₃∙6H₂O, o ACH). Come? Iniettando HCl gassoso (sparging) nella soluzione. L’HCl gassoso si scioglie facilmente nella soluzione acquosa, aumentandone la concentrazione. Questo fa sì che la solubilità dell’AlCl₃(aq) diminuisca drasticamente, portando alla sua precipitazione come ACH. È un po’ come quando aggiungete troppo zucchero al caffè e quello in eccesso si deposita sul fondo!
Abbiamo monitorato attentamente la concentrazione dei vari metalli disciolti man mano che aumentava la molarità dell’HCl. L’alluminio ha iniziato a precipitare quasi linearmente all’inizio, per poi avere un crollo verticale tra 5 e 8,5 M di HCl, indicando una precipitazione rapidissima. Le impurità (Ca, Mg, Fe, Si) sono rimaste abbastanza stabili fino a circa 10 M di HCl, tranne per il calcio, che ha mostrato una certa tendenza a co-precipitare, soprattutto in quel range, probabilmente come antarcticite (CaCl₂·6H₂O). Abbiamo scelto una concentrazione finale di HCl di 10 M come ottimale, perché ci garantiva un’alta precipitazione di alluminio (ben il 98%!) con una co-precipitazione relativamente bassa delle impurità (circa l’8,5% del calcio, il 4,1% del magnesio e quantità trascurabili di silicio e ferro).

Fase 3: Lavaggio con Acetone – Una Doccia Purificante

I cristalli di ACH ottenuti non erano ancora perfetti. Per eliminare ulteriormente le impurità metalliche disciolte, abbiamo pensato a un lavaggio con un agente organico. Tra i vari candidati, l’acetone ci è sembrato il più promettente: è volatile e ha la capacità di sciogliere selettivamente le impurità di cloruri metallici, lasciando tranquillo il nostro ACH.
Abbiamo quindi lavato il precipitato di ACH con acetone purissimo a temperatura ambiente. Dopo aver filtrato questa “pappetta” di ACH/Acetone, abbiamo ottenuto due fasi: una soluzione di acetone carica di impurità e il nostro prodotto ACH purificato. E i risultati sono stati sorprendenti! L’analisi dell’ACH purificato ha rivelato una purezza del 97,5%. Un dato interessantissimo è stata la quasi totale assenza di ferro: l’acetone se l’era portato via tutto, confermando la sua efficacia! Anche una parte del calcio e del magnesio co-precipitati sono stati rimossi. L’alluminio, come speravamo, è rimasto quasi interamente nell’ACH. E l’acetone? Potrebbe essere recuperato per distillazione e riutilizzato, rendendo il processo ancora più green!

Fase 4: Calcinazione – Il Gran Finale Verso l’α-Al₂O₃

L’ultimo passo per ottenere la nostra ambita allumina è la calcinazione dell’ACH purificato. Questo significa scaldarlo ad alte temperature. La decomposizione dell’ACH è un processo complesso, ma a circa 1100°C si forma la fase desiderata: l’α-Al₂O₃, la forma termodinamicamente stabile.
Abbiamo eseguito la calcinazione in due step: un primo a temperature più basse (150-200°C) in un forno tubolare sotto flusso di azoto, per raccogliere i fumi di HCl prodotti, e un secondo step in una muffola da laboratorio, all’aria aperta, spingendoci fino a 1200°C.
L’analisi XRD del prodotto finale ha confermato che avevamo ottenuto principalmente corindone (α-Al₂O₃), con piccole quantità di allumine di transizione (delta e kappa). La purezza chimica dell’Al₂O₃ finale? Un ottimo 98,5%! Il calcio era l’unica impurità rilevata sopra l’1%, mentre tutti gli altri elementi erano a livelli bassissimi (≤0,1%).

Cosa Significa Tutto Questo?

Beh, significa che abbiamo dimostrato la fattibilità di un percorso acido per produrre allumina di buona qualità partendo da scorie di alluminato di calcio, un sottoprodotto industriale! Questo materiale, con la sua alta percentuale di fase α e una purezza superiore al 98%, potrebbe già trovare impiego nell’industria ceramica, specialmente per parti strutturali che richiedono buona resistenza meccanica, chimica e alle alte temperature.
Certo, per applicazioni ancora più “delicate” come ceramiche speciali, LED o separatori per batterie agli ioni di litio, dovremmo spingere ulteriormente sulla purezza e minimizzare le fasi metastabili. Ma questo è solo l’inizio! Ulteriori processi di purificazione, applicati prima della calcinazione, potrebbero portarci a un prodotto di purezza ancora maggiore, aprendo le porte a un ventaglio ancora più ampio di applicazioni.

Questo lavoro rappresenta un passo importante verso una metallurgia più sostenibile, la valorizzazione di materie prime secondarie e lo sviluppo di processi alternativi per la produzione di allumina. È un esempio concreto di come la ricerca possa trasformare un “rifiuto” in una risorsa preziosa, contribuendo a un’economia sempre più circolare. E io, modestamente, sono entusiasta di aver contribuito a questa piccola, grande rivoluzione!

Fonte: Springer