Kaip išgauti aliuminį elektrolizės būdu?

Aliuminis yra vienas gausiausių metalų žemės plutoje, tačiau jis retai būna savo grynos formos gamtoje. Vietoj to, jis paprastai randamas tokiose rūdose kaip boksitas, kuriame yra aliuminio oksido (Al₂o₃). Ištraukiant gryną aliuminį iš šių rūdų reikia daugybės sudėtingų procesų, o elektrolizė yra pagrindinis žingsnis, kuris aliuminio oksidą paverčia metaliniu aliuminiu. „Hall - Héroult“ procesas, sukurtas XIX amžiaus pabaigoje, išlieka dominuojantis šiandien pramoninio aliuminio ištraukimo metodas. Čia pateiktas išsamus aliuminio ekstrahuojamo elektrolizės būdu.
1. Žaliavos paruošimas: Aliuminio oksido valymas
Prieš prasidedant elektrolizę, iš jo rūdos reikia išgryninti aliuminio oksidą. Boksitas, pagrindinis aliuminio šaltinis, turi priemaišų, tokių kaip geležies oksidai, silicio dioksidas ir titano dioksidas. Šios priemaišos trukdytų elektrolizės procesui, todėl jos pašalinamos naudojant „Bayer“ procesą:
• Boksitas susmulkinamas ir sumaišomas su karštu, koncentruotu natrio hidroksido (NaOH) tirpalu. Aliuminio oksidas ištirpsta šarve, kad susidarytų natrio aliuminatas (Naalo₂), o priemaišos, tokios kaip geležies oksidai, išlieka kietos ir filtruojamos.
• Tada natrio aliuminato tirpalas aušinamas, o aliuminio hidroksidas (Al (OH) ₃) kristalai nusodinami pridedant sėklų kristalų.
• Šie kristalai kaitinami iki maždaug 1000 laipsnių sukamoje krosnyje, kur jie suskaidomi į gryną aliuminio oksidą (Al₂o₃) ir vandens garus. Šis išgrynintas aliuminio oksidas, žinomas kaip aliuminio oksidas, yra pagrindinė elektrolizės žaliava.
2. Elektrolito paruošimas: Lydymo taško nuleidimas
Aliuminio oksidas turi ypač aukštą lydymosi temperatūrą (daugiau nei 2000 laipsnių), todėl nepraktiška tirpti tiesiogiai elektrolizei. Norint sumažinti veikimo temperatūrą, ji ištirpsta išlydytame elektrolite, vadinamame kriolitu (Na₃alf₆), kurio lydymosi taškas yra daug mažesnis (apie 1 010 laipsnių). Pridedant nedidelius kitų fluoridų kiekius (pvz., Aliuminio fluoridą, Alf₃) dar labiau sureguliuojama elektrolito savybės, sumažindama jo lydymosi tašką iki maždaug 950–970 laipsnių -, idealiai idealiai tinka efektyviai elektrolizei.
3. Elektrolitinė ląstelė: pagrindinė aliuminio ekstrahavimo įranga
Salėje naudojama elektrolitinė ląstelė - Héroult procesas yra didelis, stačiakampis bakas, išklotas ugniai atspariomis medžiagomis, kad atlaikytų aukštą temperatūrą. Jį sudaro du pagrindiniai komponentai:
• Katodas: Ląstelės dugnas ir šonai yra iškloti anglies plytomis, kurios veikia kaip katodas. Šios anglies plytos gamina elektrą ir suteikia stabilų paviršių išlydytam aliuminiui surinkti.
• Anodai: pakabinami virš katodo yra keli anglies anodai, paprastai gaminami iš pre - keptų anglies blokų. Šie anodai yra prijungti prie maitinimo šaltinio ir panardinant į išlydytą elektrolitą.
Ląstelė užpildyta išlydytu kriolito elektrolitu, o išgrynintas aliuminio oksidas nuolat pridedamas, kad būtų išlaikyta pastovi koncentracija.
4. Elektrolizės procesas: aliuminio oksido konvertavimas į aliuminį
Kai per ląstelę praleidžiama elektros srovė (paprastai 100 000–300 000 amperų), įvyksta šios reakcijos:
• Katode: aliuminio jonai (al³⁺) elektrolite traukia neigiamai įkrautą katodą, kur jie įgyja elektronų ir yra sumažinami iki išlydyto aliuminio:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
Išlydytas aliuminis, būdamas tankesnis nei elektrolitas, pasineria į ląstelės dugną ir kaupiasi ant katodo.
• Anode: oksido jonai (O²⁻) iš aliuminio oksido traukia teigiamai įkrautą anodą. Jie praranda elektronus ir reaguoja su anglies anodu, kad susidarytų anglies dioksidas:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻​
C (s) + o₂ (g) → co₂ (g)
Ši reakcija laikui bėgant sunaudoja anglies anodus, todėl juos reikia periodiškai pakeisti. Išlydytas aliuminis reguliariais intervalais (paprastai kas 1–2 dienas) yra ląsteli nuo ląstelės ir išmetamas į luitus arba toliau perdirbamas.
5. Energijos reikalavimai ir aplinkos apsaugos aspektai
Elektrolizė yra energija - intensyvus procesas: Norint pagaminti vieną toną aliuminio, reikia maždaug 13 000–16 000 kWh elektros energijos. Dėl šios priežasties aliuminio lydyklos dažnai būna šalia hidroelektrinių ar kitų žemų - išlaidų, atsinaujinančios energijos, siekiant sumažinti sąnaudas ir poveikį aplinkai.
Procesas taip pat sukuria anglies dioksidą (CO₂) iš anodo vartojimo, kuris prisideda prie šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo. Norėdami tai išspręsti, tyrėjai kuria inertinius anodus (pvz., Keraminius ar metalo lydinius), kurie nereaguoja su deguonimi ir pašalina CO₂ išmetimą. Kol tebėra eksperimentiniame etape, inertiniai anodai galėjo pakeisti revoliuciją aliuminio gamyboje, todėl jis taps tvarus.
6. Post - apdorojimas: rafinavimas ir liejimas
Iš elektrolitinės ląstelės ekstrahuotas išlydytas aliuminis paprastai yra 99,5–99,8% grynas. Aukštos - grynumo taikymui (pvz. Po to išgrynintas aliuminis išmetamas į luitus, lakštus ar kitas formas, skirtas naudoti gamyboje.
Išvada
Elektrolizė yra kertinis aliuminio ekstrahavimo akmuo, leidžiantis pakeisti aliuminio oksidą iš boksito į gryną, naudojamą aliuminį. Salė - héroult procesas, priklausantis išlydytam kriolito elektrolitui ir anglies elektrodams, buvo patikslinta per šimtmetį, kad būtų subalansuotas efektyvumas ir mastelio keitimas. Nors išlieka tokie iššūkiai kaip didelio energijos suvartojimas ir išmetamųjų teršalų kiekis, tačiau vykstančios naujovės -, pavyzdžiui, inertiniai anodai ir pažangūs elektrolitai - žada ateityje padaryti aliuminio išgavimą tvaresnį. Kol kas „Hall -“ Héroult procesas išlieka pasaulinės aliuminio gamybos, maitinimo pramonėje nuo statybos iki transporto, pagrindas.