Електролиза на протокот на топење во помагало за учење на лексикони за студенти по хемија
Алуминиумот е еден од најважните индустриски произведени метали, кој првенствено се користи во конструкцијата на авиони и возила.
Техничкото производство на алуминиум се одвива во две фази: Прво, се добива чист алуминиум оксид од суровината боксит, потоа оксидот се раствора во растопен криолит (Na 3 AlF 6) и од него се произведува алуминиум со помош на електролиза на споена сол.
Електролизата и низводните процеси се исклучително енергетски интензивни, така што производството на метал со рециклирање на алуминиум станува сè поважно.
Во Германија, околу 40% од овој лесен метал се користи во конструкција на возила и авиони, 20-25% во градежништво, остатокот се користи во машинство, електроиндустрија и индустрија за пакување.
Историја на производство на алуминиум
Обезбедување на ефтина електрична енергија со развој на динамо од страна на В. фон СИМЕНС по 1870 година и развој на електролиза на алуминиум оксид во растопен криолит во 1886 година, независно еден од друг од страна на PAUL LT HÉROULT во Франција и CHARLES M. HALL во САД, и двајцата беа само 22 во тоа време Старите години го донесоа пробивот во големото производство. Во 1893 година светското производство за прв пат надмина 1000 тони годишно, а потоа се зголеми исклучително брзо.
Светско производство на алуминиум
Подобрувањето во производствениот процес се рефлектира и во развојот на цената на алуминиумот.
Производство на алуминиум со електролиза на фузирана сол
1. Екстракција на алуминиум оксид (Баерски процес)
Бакситот се користи како суровина за производство на алуминиум , од кој се добива алуминиум оксид во првиот чекор.
Бакситот е седиментна карпа со црвеникава боја што се извлекува при експлоатација на отворено рударство. Суровината што се користи за производство на алуминиум го има приближно следниот состав:
Алуминиум оксид (Al 2 O 3) приближно 60%
Ironелезо оксид (Fe 2 O 3) 7 - 30%
Силициум оксид (SiO 2) 1-15%
Титаниум оксид (TiO 2) 3-5%
хемиски врзана вода 12-30%
Алуминиумот е присутен во бокситот во форма на хидроксиди, како што е Al (OH) 3 или AlO (OH). Ironелезото се содржи како оксид хидрат, силициум како диоксид или во форма на силикати.
Резервите на боксит на земјата се многу големи, тие изнесуваат 40-50 милијарди тони, годишното светско производство беше 100 милиони тони во 1995 година, во 2000 година беше 125 милиони тони, а трендот се зголемува.
Големите депозити на боксит се делумно одговорни за фактот дека алуминиумот е трет најчест елемент во земјината кора по кислород и силициум со учество од 8,3% по маса. Многу силикатни минерали (глина, каолин, итн.) Исто така, содржат алуминиум, но овие минерали тешко се погодни како суровини поради нивната не толку висока содржина на алуминиум. Скоро само боксит се користи за извлекување на алуминиум.
Развој на цената на алуминиумот
Во првата фаза на преработка, другите минерали треба да се одделат од алуминиум хидроксидот во таканаречениот процес на Баер. Во овој процес, мелениот боксит се вари со 25-45% раствор на натриум хидроксид под притисок на 120 до 230 ° С. Концентрацијата на каустичната сода, времето на варење и потребната температура зависат од видот на бокситот.
За разлика од придружните супстанции во бокситот, алуминиум хидроксидот е во голема мера растворлив во каустична сода со формирање на алуминирани јони [Al (OH) 4].
Al (OH) 3 + OH - → [Al (OH) 4] -
Нерастворените компоненти на бокситот - главно железен оксид, силициум оксид и титаниум оксид, како и малку алуминиум хидроксид - се филтрираат на околу 90 ° C, се мијат и формираат позната како црвена кал , чија боја потекнува од железните оксиди. Ова обично се депонира, но може да се користи и како суровина за. B. се користат во изградба на патишта.
Растворот на натриум алуминиум се лади, а потоа се додава цврст алуминиум хидроксид како јадро за кристализација со цел да се започне кристализацијата на производот. Овој процес се нарекува сеење, а цврстите кристали Al (OH) 3 се нарекуваат и кристали од семе. Растворениот алуминиум сега повторно талогува како алуминиум хидроксид Al (OH) 3. Останатиот раствор на натриум хидроксид се доведува до почетната концентрација со испарување и се рециклира до варењето на храната. Загубите се надополнуваат со додавање на свежа лага.
Алуминиумскиот хидроксид се мие и потоа се загрева до 1200-1300 ° C во ротациони печки. Дијаметарот на овие печки е до 3 m, а нивната должина до 70 m. Хидроксидот се претвора во оксид со елиминација на вода, процес исто така познат како калцинација.
2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O
Алуминиум оксидот добиен на овој начин има чистота од над 99,5%, тој сепак содржи приближно 0,01% железо оксид и силициум оксид и до 0,4% натриум.
Шема на процесот на Баер
2. Споена електролиза на алуминиум оксид
Намалувањето на алуминиум оксидот во метал се одвива електролитички во топење. Бидејќи точката на топење на чистиот оксид е над 2000 ° C, 5-10% алуминиум оксид се раствора во топење на криолит. Со таква мешавина на криолит и алуминиум оксид, точката на топење е помала од онаа на двете одделни супстанции.
Криолитот (натриум хексафлуороалуминат Na 3 AlF 6) е релативно редок природен бел минерал. Рударството на поранешните главни наоѓалишта на Гренланд веќе не вреди, па затоа се прави комбинација на алуминиум хидроксид, каустична сода и хидрофлуорна киселина.
Al (OH) 3 + 3 NaOH + 6 HF → Na 3 AlF 6 + 6 H 2 O
Различни соли се додаваат и во топењето на криолитот, чија задача е да ја намали точката на топење, да ја зголеми спроводливоста и да го подобри тековниот принос. Типичен состав на топењето: 80-85% Na 3 AlF 6; 5-7% CaF 2; 5-7% AlF 3; LiF; Во него се раствораат 5-10% Al 2 O 3. Температурата на топењето од 940 - 980 ° C се генерира од електрична енергија.
Cellелијата за електролиза е огноотпорна када од лим, обложена со тули. Оксидот е присутен во топењето во форма на неговите јони како Al 3+ и O 2-. На катодата, која се состои од јаглерод, алуминиумските јони се сведуваат на метал.
Al 3+ + 3 e - → Al
Течниот алуминиум се собира под топењето и редовно се цица со примена на вакуум.
Анодата е исто така направена од јаглерод; овде оксидните јони се оксидираат во кислород, кој реагира со анодниот материјал и формира јаглерод моноксид и јаглерод диоксид.
2 O 2- → O 2 + 4 e - C + 0,5 O 2 → CO C + O 2 CO 2
Бидејќи јаглеродната анода се троши од реакцијата со кислород, таа треба да се заменува од време на време.
Поради одвојувањето на алуминиум и кислород, содржината на алуминиум оксид во топењето се намалува, поради што редовно се додава оксид со цел да се одржи посакуваната концентрација.
Енергетски барања за производство на алуминиум
Енергетските потреби за производство на алуминиум со електролиза на проток на топење се многу високи; 13-15 MWh на тон алуминиум се потребни само за процесот на електролиза. Ова одговара приближно на просечната годишна потрошувачка на електрична енергија во 5-10 домаќинства. Во Германија 2-3% од електричната енергија се користи за електролиза на проток на топење на алуминиум. Поради оваа причина, алуминиумот се произведува во голем обем ширум светот во земји каде електричната енергија може да се генерира ефтино со користење на хидроенергија (на пр. Норвешка, Јужна Америка).
Ако додадете енергија потребна за производство на алуминиум оксид од боксит во форма на електрична енергија и топлинска енергија, ова резултира во вкупна потрошувачка на енергија од околу 40 MWh на тон алуминиум. Спротивно на тоа, вкупната енергетска потреба за производство на 1 тон стакло е само околу 3 MWh!
Во принцип, алуминиумот може да се рециклира многу добро. Потребата за енергија за ова е многу помала, тоа е само 5-10% од побарувачката за примарен материјал. Заради високите цени на енергијата, рециклирањето е привлечно. Б. 90% од алуминиумскиот отпад од автомобилската конструкција се рециклира.
Во Германија и ширум светот, стапката на рециклирање на алуминиум беше околу 35% во раните 90-ти.