Як витягнути алюміній за допомогою електролізу?

Алюміній - один з найпоширеніших металів у земній корі, але він рідко існує в чистому вигляді в природі. Натомість він зазвичай зустрічається в рудах, таких як боксит, який містить оксид алюмінію (Al₂o₃). Видалення чистого алюмінію з цих руд вимагає ряду складних процесів, при цьому електроліз - це ядровий етап, який перетворює оксид алюмінію в металевий алюміній. Зал - процес Héroult, розроблений наприкінці 19 століття, залишається домінуючим методом вилучення промислового алюмінію сьогодні. Ось детальний розбиття того, як алюміній витягується електролізом.
1. Підготовка сировини: Очищаючий оксид алюмінію
Перш ніж розпочати електроліз, оксид алюмінію повинен бути очищений від руди. Боксит, основне джерело алюмінію, містить такі домішки, як оксиди заліза, кремнезем та діоксид титану. Ці домішки перешкоджали б процесу електролізу, тому їх видаляють за допомогою процесу Bayer:
• Боксит подрібнюють і змішують з гарячим, концентрованим розчином гідроксиду натрію (NaOH). Оксид алюмінію розчиняється в лузі з утворенням алюмінату натрію (Naalo₂), тоді як такі домішки, як оксиди заліза, залишаються твердими і фільтруються.
• Потім розчин алюмінату натрію охолоджується, а кристали гідроксиду алюмінію (Al (OH) ₃) осаджуються додаванням кристалів насіння.
• Ці кристали нагріваються приблизно до 1000 градусів у обертовій печі, де вони розкладаються на чистий оксид алюмінію (Al₂o₃) та водяну пару. Цей очищений оксид алюмінію, відомий як глинозем, є ключовою сировиною для електролізу.
2. Підготовка електроліту: опускання температури плавлення
Оксид алюмінію має надзвичайно високу температуру плавлення (понад 2000 градусів), що робить його непрактичним для розплаву безпосередньо при електролізі. Для зниження робочої температури його розчиняють у розплавленому електроліті, який називається кріолітом (Na₃alf₆), який має значно нижчу температуру плавлення (близько 1,010 градусів). Додавання невеликих кількостей інших фтору (наприклад, алюмінієвого фтору, Alf₃) додатково регулює властивості електроліту, знижуючи його температуру плавлення приблизно до 950–970 градусів -, ідеально підходить для ефективного електролізу.
3. Електролітична клітина: основне обладнання для вилучення алюмінію
Електролітична комірка, що використовується в залі - Процес Héroult - це великий прямокутний резервуар, вистелений рефрактерними матеріалами, щоб витримати високі температури. Він складається з двох ключових компонентів:
• Катод: дно і сторони клітини вистелені вуглецевими цеглою, які діють як катод. Ці вуглецеві цегли проводять електроенергію і забезпечують стабільну поверхню для збору розплавленого алюмінію.
• Аноди: підвішені над катодом - це множинні вуглецеві аноди, як правило, виготовлені з - запечених вуглецевих блоків. Ці аноди підключені до джерела живлення і занурюються в розплавлений електроліт.
Клітина заповнюється розплавленим кріолітовим електролітом, а очищений оксид алюмінію постійно додається для підтримки постійної концентрації.
4. Процес електролізу: перетворення оксиду алюмінію в алюміній
Коли електричний струм проходить через клітинку (як правило, 100 000–300 000 Ампер), виникають такі реакції:
• На катоді: алюмінієві іони (al³⁺) в електроліті притягуються до негативно зарядженого катода, де вони набирають електрони і зводяться до розплавленого алюмінію:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
Розплавлений алюміній, щільніше, ніж електроліт, опускається на дно клітини і накопичується на катоді.
• На аноді: оксидні іони (o²⁻) з оксиду алюмінію притягуються до позитивно зарядженого анода. Вони втрачають електрони і реагують з вуглецевим анодом для утворення вуглекислого газу:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻​
C (s) + o₂ (g) → co₂ (g)
Ця реакція споживає вуглецеві аноди з часом, тому їх потрібно періодично замінювати. Розплавлений алюміній сифонів з клітини через регулярні проміжки часу (як правило, кожні 1–2 дні) і кидають у злитки або подальше обробляються.
5. Енергетичні вимоги та екологічні міркування
Електроліз - це енергія - інтенсивний процес: виробництво однієї тонни алюмінію вимагає приблизно 13000–16 000 кВт · год електроенергії. З цієї причини, алюмінієві плавки часто розташовані поблизу гідроелектростанцій або інших джерел низької вартості -, відновлюваної енергії для зменшення витрат та впливу на навколишнє середовище.
Процес також генерує вуглекислий газ (CO₂) від споживання анода, що сприяє викидам парникових газів. Щоб вирішити це, дослідники розробляють інертні аноди (наприклад, керамічні або металеві сплави), які не реагують з киснем, усуваючи викиди CO₂. Перебуваючи ще на експериментальній стадії, інертні аноди можуть революціонізувати виробництво алюмінію, роблячи його більш стійким.
6. Повідомлення - Обробка: вдосконалення та кастинг
Розплавлений алюміній, витягнутий з електролітичної клітини, зазвичай 99,5–99,8% чистого. Для високих застосувань чистоти (наприклад, аерокосмічних компонентів) він піддається подальшому вдосконаленню за допомогою таких методів, як електролітичне рафінування або вакуумне дегазування, щоб видалити домішки, що залишилися, такі як залізо та кремнію. Потім очищений алюміній кидають у злитки, аркуші чи інші форми для використання у виробництві.
Висновок
Електроліз - це наріжний камінь екстракції алюмінію, що дозволяє перетворити оксид алюмінію з бокситу в чистий, корисний алюміній. Зал - Процес Héroult, з його залежністю від розплавленого кріолітового електроліту та вуглецевих електродів, був уточнений протягом століття, щоб збалансувати ефективність та масштабованість. Незважаючи на те, що такі проблеми, як високе споживання енергії та викиди CO₂, зберігаються, поточні інновації -, такі як інертні аноди та вдосконалені електроліти - обіцяють зробити вилучення алюмінію більш стійким у майбутньому. Наразі зал - Процес Héroult залишається основою глобального алюмінієвого виробництва, що живить промисловості від будівництва до транспорту.