Olvadékáramú elektrolízis a kémia hallgatói lexikon tanulási segédletében
Az alumínium az egyik legfontosabb iparilag előállított fém, amelyet elsősorban repülőgép- és járműgyártásban használnak.
Az alumínium műszaki előállítása két szakaszban történik: Először tiszta alumínium-oxidot nyerünk a bauxit nyersanyagból, majd az oxidot felolvasztott kriolitban (Na 3 AlF 6) oldjuk fel, és az alumíniumot olvasztott só elektrolízissel állítják elő.
Az elektrolízis és az upstream folyamatok rendkívül energiaigényesek, így a fém előállítása az alumínium újrafeldolgozásával egyre fontosabbá válik.
Németországban ennek a könnyűfémnek mintegy 40% -át a jármű- és repülőgépgyártásban, 20-25% -át az építőiparban használják fel, a maradékot a gépiparban, az elektromos iparban és a csomagolóiparban használják.
Az alumínium gyártásának története
Olcsó elektromos energia biztosítása a dinamó fejlesztésével W. von SIEMENS 1870 után, valamint az alumínium-oxid elektrolízisének fejlesztése olvadt kriolitban 1886-ban, egymástól függetlenül, a francia PAUL LT HÉROULT és az Egyesült Államokban található CHARLES M. HALL által, amelyek mindkettő ekkor még csak 22 volt Évek óta áttörést hozott a nagyüzemi termelés. 1893-ban a világtermelés először haladta meg az évi 1000 tonnát, majd rendkívül gyorsan növekedett.
A világ alumíniumtermelése
A gyártási folyamat javulása az alumínium árának alakulásában is megmutatkozik.
Alumínium előállítása olvasztott só elektrolízissel
1. Alumínium-oxid extrahálása (Bayer-eljárás)
A bauxitot használják alumíniumgyártás alapanyagaként , amelyből az első lépésben alumínium-oxidot nyernek.
A bauxit egy vöröses színű üledékes kőzet, amelyet a szabadon öntött bányászat során nyernek ki. Az alumíniumgyártáshoz használt alapanyag nagyjából a következő összetételű:
Alumínium-oxid (Al 2 O 3) kb. 60%
Vas-oxid (Fe 2 O 3) 7 - 30%
Szilícium-oxid (SiO 2) 1-15%
Titán-oxid (TiO 2) 3-5%
vegyileg kötött víz 12-30%
Az alumínium a bauxitban hidroxidok formájában van jelen, mint Al (OH) 3 vagy AlO (OH). A vas oxid-hidrátként, a szilícium-dioxid vagy szilikátok formájában található.
A bauxit tartalékai a földön nagyon nagyok, 40-50 milliárd tonnát tesznek ki, az éves világtermelés 1995-ben 100 millió tonna, 2000-ben 125 millió tonna volt, és a tendencia növekszik.
A nagy bauxit-lerakódások az egyik oka annak, hogy az alumínium az oxigén és a szilícium után a földkéreg harmadik leggyakoribb eleme, 8,3 tömeg% -kal. Sok szilikátásvány (agyag, kaolin stb.) Is tartalmaz alumíniumot, de ezek az ásványi anyagok alacsony alumíniumtartalmuk miatt aligha alkalmasak nyersanyagként. Szinte csak bauxitot használnak az alumínium kinyerésére.
Az alumínium árának alakulása
Az első feldolgozási szakaszban a többi ásványt el kell választani az alumínium-hidroxidtól az úgynevezett Bayer-eljárás során. Ebben az eljárásban az őrölt bauxitot 25–45% -os nátrium-hidroxid-oldattal emésztjük nyomáson, 120–230 ° C-on. A maró nátrium koncentrációja, az emésztési idő és a szükséges hőmérséklet a bauxit típusától függ.
A bauxitban található kísérő anyagokkal ellentétben az alumínium-hidroxid nagyrészt oldódik maró nátriumban, alumíniumionok képződésével [Al (OH) 4].
Al (OH) 3 + OH - → [Al (OH) 4] -
A bauxit fel nem oldott összetevőit - főleg vas-oxidot, szilícium-oxidot és titán-oxidot, valamint néhány alumínium-hidroxidot - 90 ° C-on kiszűrjük, mossuk, és úgynevezett vörösiszapot képeznek. , amelynek színe a vas-oxidokból származik. Ez általában lerakódik, de felhasználható alapanyagként is. B. felhasználhatók az útépítésben.
A nátrium-aluminát-oldatot lehűtjük, majd szilárd alumínium-hidroxidot adunk hozzá kristályosodási magként a termék kristályosodásának megkezdése érdekében. Ezt a folyamatot magnak nevezzük, a szilárd Al (OH) 3 kristályokat magkristályoknak is nevezzük. Az oldott aluminát ezután újra kicsapódik alumínium-hidroxid Al (OH) 3-ként. A visszamaradó nátrium-hidroxid-oldatot bepárlással a kezdeti koncentrációhoz hozzuk, és visszavezetjük az emésztésre. A veszteségeket pótoljuk friss lúg hozzáadásával.
Az alumínium-hidroxidot mossuk, majd forgókemencékben 1200-1300 ° C-ra melegítjük. Ezeknek a kemencéknek az átmérője legfeljebb 3 m, hosszúságuk pedig legfeljebb 70 m. A hidroxid a víz eltávolításával oxidokká alakul, ezt a folyamatot kalcinálásnak is nevezik.
2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O
Az így kapott alumínium-oxid tisztasága meghaladja a 99,5% -ot, még mindig tartalmaz körülbelül 0,01% vas-oxidot és szilícium-oxidot, és legfeljebb 0,4% nátriumot.
A Bayer-folyamat vázlata
2. Fuzionált alumínium-oxid elektrolízis
Az alumínium-oxid fémdé történő redukciója olvadékban elektrolitikusan megy végbe. Mivel a tiszta oxid olvadáspontja 2000 ° C felett van, 5-10% alumínium-oxidot oldunk kriolitolvadékban. Ilyen kriolit és alumínium-oxid keverék mellett az olvadáspont alacsonyabb, mint a két egyedi anyagé.
A kriolit (nátrium-hexafluor-aluminát Na 3 AlF 6) egy viszonylag ritka természetes fehér ásvány. A korábbi főbb lerakódások bányászata Grönlandon már nem jövedelmező, ezért alumínium-hidroxid, maró nátrium és fluorsav kombinációját állítják elő.
Al (OH) 3 + 3 NaOH + 6 HF → Na 3 AlF 6 + 6 H20
Különféle sókat is kevernek a kriolitolvadékba, amelynek feladata az olvadáspont csökkentése, a vezetőképesség növelése és a jelenlegi hozam javítása. Az olvadék tipikus összetétele: 80-85% Na3 AlF6; 5-7% CaF2; 5-7% AlF3; LiF; 5-10% Al 2 O 3 oldódik fel benne. Az olvadék hőmérséklete 940–980 ° C az elektromos energiából származik.
Az elektrolízis cella tűzálló, téglával bélelt acéllemez kád. Az oxid az olvadékban ionok formájában Al 3+ és O 2 formájában van jelen. A szénből készült katódnál az alumíniumionok fémdé redukálódnak.
Al 3+ + 3 e - → Al
A folyékony alumínium az olvadék alatt összegyűlik, és vákuum alkalmazásával rendszeresen elszívja.
Az anód szintén szénből készül; itt az oxidionok oxigénné oxidálódnak, amely az anódanyaggal reagálva szén-monoxidot és szén-dioxidot képez.
2 O 2- → O 2 + 4 e - C + 0,5 O 2 → CO C + O 2 → CO 2
Mivel az oxigénnel történő reakció elfogyasztja a szénanódot, időnként ki kell cserélni.
Az alumínium és az oxigén elválasztása miatt az olvadékban csökken az alumínium-oxid-tartalom, ezért rendszeresen hozzáadnak oxidot a kívánt koncentráció fenntartása érdekében.
Az alumíniumgyártás energiaigénye
Az alumínium olvadékáramú elektrolízissel történő előállításának energiaigénye nagyon magas; önmagában az elektrolízishez 13-15 MWh tonnára van szükség. Ez nagyjából megfelel 5-10 háztartás átlagos éves villamosenergia-fogyasztásának. Németországban az elektromos energia 2-3% -át felhasználják az alumínium olvadékáramú elektrolízishez. Emiatt az alumíniumot világszerte nagy mennyiségben állítják elő olyan országokban, ahol a villamos energia olcsón előállítható a vízerő felhasználásával (pl. Norvégia, Dél-Amerika).
Ha hozzáadjuk az alumínium-oxid bauxitból történő előállításához szükséges energiát elektromos energia és hőenergia formájában, akkor ez az összes energiafogyasztás körülbelül 40 MWh tonnánként alumíniumot eredményez. Ezzel szemben 1 tonna üveg előállításának teljes energiaigénye csak körülbelül 3 MWh!
Elvileg az alumínium nagyon jól újrahasznosítható. Ennek energiaigénye jóval alacsonyabb, csupán az elsődleges anyag igényének 5-10% -a. A magas energiaárak miatt az újrahasznosítás meglehetősen vonzó. B. A gépjárműgyártásból származó alumínium hulladék 90% -át újrahasznosítják.
Németországban és világszerte az alumínium újrahasznosítási aránya az 1990-es évek elején 35% körül mozgott.