Věda o extrakci oxidu hlinitého

Těžba hliníku z bauxitu je nedílnou součástí vědecké a technické činnosti, která zajišťuje stálé dodávky tohoto univerzálního kovu. Vzhledem k jeho širokému využití probíhá výzkum účinnějších způsobů jeho výroby již několik desetiletí.

Extrakce zahrnuje rozklad horkým hydroxidem sodným, následné vysrážení hydroxidu hlinitého z roztoku a následné kalcinace za účelem získání komerčně čistého oxidu hlinitého.

Postup společnosti Bayer

Karl-Josef Bayer vynalezl Bayerův proces v roce 1887 a dodnes je hlavní průmyslovou metodou výroby oxidu hlinitého. Rozdrcený bauxit se smísí s hydroxidem sodným a vytvoří se roztok hlinitanu, který slouží jako výchozí bod pro další kroky zpracování.

Filtrací se odstraní volná voda a nečistoty; filtrační koláč se pak přivádí do řady kalcinátorů, kde se zahřívá při vysokých teplotách, dokud se nevypudí veškerá volná voda a chemické nečistoty, čímž vzniká práškový oxid hlinitý pro použití v různých procesech zpracování hliníku, jako je tavení a lití.

Železná ruda se používá k výrobě dalších kovů, včetně hořčíku a vápníku. V kombinaci s jinými prvky může vytvářet slitiny pro specifické aplikace, jako jsou letecké motory nebo palivové články; kromě toho slouží jako podpůrný materiál při vytváření katalyzátorů používaných k řízení jiných chemických reakcí.

Hliník nelze vyrobit přirozenou cestou a musí se získávat z rudy různými rafinačními technikami. Dvěma základními extrakčními procesy jsou Bayerův a Hall-Heroultův proces, které oba začínají bauxitem jako výchozím materiálem.

Bauxit je přirozeně se vyskytující hrubozrnná hornina obsahující značné množství oxidu hlinitého (Al2O3). Velkou část jeho komerční hodnoty tvoří oxid hlinitý; získávání hliníku vyžaduje rozsáhlou spotřebu energie a nákladné vybavení; průmysl proto investoval velké prostředky do technologie rafinace bauxitu, aby pokryl 30% celkové světové produkce.

Hall-Heroultův proces

Hliník je nezbytný v mnoha průmyslových odvětvích a aplikacích, ale aby byl použitelný, musí být nejprve získán z přírodního stavu. Pouze na několika místech na Zemi se nachází jeho přírodní forma - především v bauxitu -, takže před výrobou hotových hliníkových výrobků, které se používají v mnoha aplikacích, musí proběhnout několik rafinačních procesů. Výrobci hliníku se při přeměně surovin na cenné komodity do značné míry spoléhají na elektrochemické procesy, jako je Hall-Heroultův proces; pochopení těchto klíčových chemických reakcí umožňuje nahlédnout do tohoto důležitého odvětví.

Hall-Heroultův proces je založen na elektrochemickém rozpouštění oxidu hlinitého za vzniku čistého kovového hliníku a plynného kyslíku. Jelikož se jedná o mimořádně složitý proces, který pro efektivní výrobu vyžaduje přesné řízení, musí být pro dosažení úspěšných výsledků přísně řízena teplota, proud a složení elektrolytu.

Charles Martin Hall, tehdy dvacetiletý student prvního ročníku Oberlin College v Ohiu, začal v roce 1880 zkoumat způsoby výroby hliníku. Přestože jeho první pokusy o získání hliníku z oxidu hlinitého pomocí elektrického proudu selhaly, v roce 1886 Hall učinil průlom, který navždy změnil historii hliníku.

Rozpustil oxid hlinitý v kryolitovém minerálu a do roztoku umístil grafitové tyčové elektrody. Poté elektrodami protékal elektrický proud, čímž se na kladné straně (katodě) vytvářel roztavený hliník, zatímco na záporné straně (anodě) docházelo k produkci plynného kyslíku.Hall tento proces úspěšně opakoval a nakonec v roce 1888 založil Pittsburgh Reduction Company.

Hall-Heroultův proces se již dlouho používá jako hlavní průmyslová metoda výroby hliníku. Ačkoli je energeticky náročný, za posledních 110 let se podařilo dosáhnout významných pokroků ve snižování spotřeby elektrické energie během procesu a produkce oxidu uhličitého, který zase představuje určitý problém jako skleníkový plyn. Přesto se v tomto časovém horizontu vyvíjelo neustálé úsilí o jeho co největší snížení.

Hydrochemický proces

Bauxit, přírodní minerál bohatý na hliník, má stále rostoucí poptávku a široké průmyslové využití, což podporuje neustálé zdokonalování procesu přeměny tohoto hojného prvku na čištěný hliník. Tento složitý a energeticky náročný postup závisí na mnoha faktorech, včetně umístění zásob, blízkosti zdrojů energie pro tavicí operace, opatření na zvýšení účinnosti a závazku k udržitelným postupům.

Bayerův proces zahrnuje několik kroků: rozklad pomocí kaustické sody, oddělení minerálů obsahujících hliník z roztoku (tzv. červené bahno), srážení krystalů hlinitanu sodného a nakonec kalcinaci. Výsledkem je základní složka výroby hliníku: Hliník je také nepostradatelnou surovinou používanou při výrobě litých žáruvzdorných materiálů a brusiv.

Po Bayerově procesu lze oxid hlinitý převést na čistý hliník pomocí Hall-Heroultova elektrolytického procesu. Ten probíhá v nádobě s uhlíkovou vložkou a kryolitovou lázní, která snižuje teplotu tání oxidu hlinitého; touto lázní prochází elektrický proud, zatímco kyslík ze vzduchu interaguje s katodovými elektrodami za vzniku plynného oxidu uhličitého a kapalného hliníku na anodových elektrodách; plynný oxid uhličitý lze pak shromažďovat na anodových elektrodách jako plynný oxid uhličitý, čímž vzniká plynný oxid uhličitý, který pak na anodách tvoří kapalný hliník pro použití konečnými uživateli; více informací.

Schémata nabízejí pohled na elektrochemické reakce, které tvoří Hallův-Heroultův proces. Rovnice pro extrakci oxidu hlinitého nám umožňuje pozorovat, že jeho hlavní procesy zahrnují:

Prvním krokem při extrakci bauxitu je loužení kyselinou chlorovodíkovou. Při jejích ideálních koncentracích a poměru objemu a hmotnosti/reakčních teplotách dosahuje vyluhování nejvyšší rychlosti.

Po přečerpání do srážecích nádrží se oxid hlinitý usadí a vyseje, čímž vznikne pevný hydroxid hlinitý, a poté se přenese nebo přečerpá přímo do tavicí komory, kde se zahřívá, dokud se z něj neroztaví kovový hliník, který se pak nalije do ingotů, které se pak mohou kovat, válcovat, tažit do různých tvarů nebo velikostí pro konkrétní použití.

Hliník lze použít v řadě hotových výrobků, od automobilů po letadla. Slitiny hliníku mají také specifické vlastnosti pro konkrétní použití, včetně pevnosti, odolnosti proti korozi a vodivosti - tyto slitiny lze následně roztavit, odlít nebo vytáhnout do plechů a vyrobit z nich součásti pro moderní stroje, stavební materiály nebo spotřební zboží.

Proces oxidace

Hliník je jedním ze tří nejrozšířenějších prvků v zemské kůře, ale v přírodě se nevyskytuje v čisté formě. Místo toho musí být hliník získáván pomocí pokročilých elektrochemických procesů z primární suroviny bauxitu, aby mohl být komerčně vyráběn. Hliník hraje nedílnou roli v mnoha průmyslových aplikacích po celém světě.

Hall-Heroultův proces je nedílnou součástí procesu získávání hliníku. Tato metoda zahrnuje použití elektrického proudu k zahájení chemických reakcí, které oddělují oxid hlinitý od oxidu hlinitého. Studenti by si měli prostudovat, jak tato metoda funguje, protože poskytuje vhled jak do její chemie, tak do souvisejících technických problémů.

Stejně jako u Bayerovy metody se i tento proces začíná bauxitem jako surovinou, která je bohatá na oxid hlinitý a kterou je třeba rafinovat na čistý kov. Ačkoli se jedná o náročný proces, který vyžaduje velké množství zdrojů, umožnil průmyslu po celém světě využívat hliník.

Na začátku procesu se bauxit musí nejprve rozdrtit a vyčistit, aby se získal oxid hlinitý (Al2O3), a poté smíchat s kryolitem (Na3AlF6), aby se snížil jeho bod tání a zvýšila vodivost. Po smíchání se tato směs vloží do uhlíkového nebo grafitového hrnce jako elektrolytický článek a přivede se elektřina; na katodě se vytvoří kyslík, zatímco na anodě se oxid hlinitý redukuje na tekutý hliník.

Filtrací a odstřeďováním se oddělí oxid hlinitý od roztoku a přečerpá se do několika šestipatrových srážecích nádrží, kde se přidávají pevné krystaly hydrátu oxidu hlinitého jako pevné krystaly pro srážení. Jakmile je v těchto nádržích, ředí se vodou, dokud nemůže dojít ke koncentraci pro srážení - poté se rozmělní ve vodě, aby se odstranily nečistoty, a zahřívá se na teplotu přibližně 1 200 stupňů C pro svou reakci; po dokončení se opět filtruje, než se rozmělní párou na kaši oxidu hlinitého pro výrobu.