Електролиза с топящ се поток в учебната помагала за студент по лексика по химия

Алуминият е един от най-важните индустриално произведени метали, който се използва предимно в самолетостроенето и автомобилостроенето.
Техническото производство на алуминий се осъществява на два етапа: Първо, чистият алуминиев оксид се получава от суровината боксит, след това оксидът се разтваря в разтопен криолит (Na 3 AlF 6) и алуминият се получава от него чрез електролиза със стопена сол.
Електролизата и горните процеси са изключително енергоемки, така че производството на метал чрез рециклиране на алуминий става все по-важно.

В Германия около 40% от този лек метал се използва в конструкцията на превозни средства и самолети, 20-25% в строителството, останалото се използва в машиностроенето, електрическата индустрия и опаковъчната индустрия.

История на производството на алуминий

Осигуряването на евтина електрическа енергия с развитието на динамото от W. von SIEMENS след 1870 г. и развитието на електролизата на алуминиев оксид в разтопен криолит през 1886 г., независимо един от друг от PAUL LT HÉROULT във Франция и CHARLES M. HALL в САЩ, и двамата по това време са едва 22 Годините донесоха пробив в мащабното производство. През 1893 г. световното производство за първи път надхвърля 1000 тона/година и след това нараства изключително бързо.

Световно производство на алуминий

Подобрението в производствения процес се отразява и в развитието на цената на алуминия.

Производство на алуминий чрез електролиза със разтопена сол

1. Екстракция на алуминиев оксид (процес на Байер)

Бокситът се използва като суровина за производството на алуминий , от който в първия етап се получава алуминиев оксид.
Бокситът е червеникаво оцветена седиментна скала, която се добива при открит добив. Суровината, използвана за производство на алуминий, има приблизително следния състав:

Алуминиев оксид (Al 2 O 3) приблизително 60%
Железен оксид (Fe 2 O 3) 7 - 30%
Силициев оксид (SiO2) 1-15%
Титанов оксид (TiO 2) 3-5%
химически свързана вода 12-30%

Алуминият присъства в боксит под формата на хидроксиди, като Al (OH) 3 или AlO (OH). Желязото се съдържа като оксиден хидрат, силиций като диоксид или под формата на силикати.
Запасите от боксит на земята са много големи, те възлизат на 40-50 милиарда тона, годишното световно производство е 100 милиона тона през 1995 г., през 2000 г. е 125 милиона тона и тенденцията се увеличава.
Големите находища на боксит са отчасти отговорни за факта, че алуминият е третият най-често срещан елемент в земната кора след кислорода и силиция с дял от 8,3% по маса. Много силикатни минерали (глина, каолин и др.) Също съдържат алуминий, но тези минерали едва ли са подходящи като суровини поради не толкова високото си съдържание на алуминий. Почти само боксит се използва за добив на алуминий.

Развитие на цената на алуминия

В първия етап на обработка останалите минерали трябва да бъдат отделени от алуминиевия хидроксид в така наречения процес на Байер. В този процес смленият боксит се усвоява с 25-45% разтвор на натриев хидроксид под налягане при 120 до 230 ° C. Концентрацията на содата каустик, времето за усвояване и необходимата температура зависят от вида на боксита.

За разлика от съпътстващите вещества в боксита, алуминиевият хидроксид е до голяма степен разтворим в сода каустик с образуването на алуминатни йони [Al (OH) 4].
Al (OH) 3 + OH - → [Al (OH) 4] -

Неразтворените компоненти на бокситите - главно железен оксид, силициев оксид и титанов оксид, както и някои алуминиеви хидроксиди - се филтрират при около 90 ° C, измиват се и образуват така наречената червена кал , чийто цвят идва от железните оксиди. Това обикновено се депозира, но може да се използва и като суровина за. Б. да се използва в пътното строителство.
Разтворът на натриев алуминат се охлажда и след това се добавя твърд алуминиев хидроксид като ядро за кристализация, за да започне кристализацията на продукта. Този процес се нарича засяване, твърдите кристали Al (OH) 3 също се наричат зародишни кристали. След това разтвореният алуминат се утаява отново като алуминиев хидроксид Al (OH) 3. Останалият разтвор на натриев хидроксид се довежда до първоначалната концентрация чрез изпаряване и се рециклира до храносмилането. Загубите се компенсират чрез добавяне на прясна луга.
Алуминиевият хидроксид се измива и след това се нагрява до 1200-1300 ° С във въртящи се пещи. Диаметърът на тези фурни е до 3 m, дължината им до 70 m. Хидроксидът се превръща в оксид с елиминиране на вода, процес, известен още като калциниране.

2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Получаваният по този начин алуминиев оксид има чистота над 99,5%, все още съдържа приблизително 0,01% железен оксид и силициев оксид всеки и до 0,4% натрий.

Схема на процеса на Байер

2. Разтопен електролиз на алуминиев оксид
Редукцията на алуминиев оксид до метал се извършва електролитно в стопилка. Тъй като точката на топене на чистия оксид е над 2000 ° С, 5-10% алуминиев оксид се разтваря в стопилка от криолит. При такава смес от криолит и алуминиев оксид температурата на топене е по-ниска от тази на двете отделни вещества.
Криолит (натриев хексафлуороалуминат Na 3 AlF 6) е сравнително рядък естествен бял минерал. Добивът на бившите основни находища в Гренландия вече не си струва, така че се прави комбинация от алуминиев хидроксид, сода каустик и флуороводородна киселина.

Al (OH) 3 + 3 NaOH + 6 HF → Na 3 AlF 6 + 6 H 2 O

Към криолитната стопилка също се добавят различни соли, чиято задача е да понижи точката на топене, да увеличи проводимостта и да подобри текущия добив. Типичен състав на стопилката: 80-85% Na 3 AlF 6; 5-7% CaF2; 5-7% AlF3; LiF; 5-10% Al 2 O 3 се разтварят в него. Температурата на стопилката от 940 - 980 ° C се генерира от електрическа енергия.

Клетката за електролиза е огнеупорна, облицована с тухли ламарина. Оксидът присъства в стопилката под формата на йони като Al 3+ и O 2-. На катода, който е направен от въглерод, алуминиевите йони се редуцират до метал.
Al 3+ + 3 e - → Al
Течният алуминий се събира под стопилката и редовно се изсмуква чрез прилагане на вакуум.
Анодът също е направен от въглерод; тук оксидните йони се окисляват до кислород, който реагира с анодния материал, образувайки въглероден окис и въглероден диоксид.

2 O 2- → O 2 + 4 e - C + 0.5 O 2 → CO C + O 2 → CO 2

Тъй като въглеродният анод се консумира от реакцията с кислород, той трябва да се подменя от време на време.
Поради разделянето на алуминия и кислорода, съдържанието на алуминиев оксид в стопилката намалява, поради което оксидът се добавя редовно, за да се поддържа желаната концентрация.

Енергийни изисквания за производството на алуминий

Енергийните нужди за производството на алуминий чрез електролиза в стопилка са много високи; 13-15 MWh на тон алуминий са необходими само за процеса на електролиза. Това съответства приблизително на средногодишното потребление на електроенергия в 5-10 домакинства. В Германия 2-3% от електрическата енергия се използва за електролиза на алуминиева стопилка. Поради тази причина алуминият се произвежда широко в световен мащаб в страни, където електрическата енергия може да се генерира евтино с помощта на водна енергия (напр. Норвегия, Южна Америка).
Ако добавите енергията, необходима за производството на алуминиев оксид от боксит под формата на електрическа енергия и топлинна енергия, това води до обща консумация на енергия от около 40 MWh на тон алуминий. За разлика от това, общите енергийни нужди за производството на 1 тон стъкло са само около 3 MWh!

По принцип алуминият може да бъде рециклиран много добре. Изискването за енергия за това е много по-ниско, то е само 5-10% от изискването за първичен материал. Поради високите цени на енергията рециклирането е доста привлекателно. Б. 90% от алуминиевите отпадъци от автомобилното строителство се рециклират.
В Германия и по света процентът на рециклиране на алуминий е бил около 35% в началото на 90-те години.