Videnskaben bag udvinding af aluminiumoxid

Udvinding af aluminium fra bauxit er et integreret aspekt af videnskab og teknik, som sikrer en stabil forsyning af dette alsidige metal. På grund af dets mange anvendelsesmuligheder er der i årtier blevet forsket i mere effektive måder at fremstille det på.

Udvinding indebærer fordøjelse med varm natriumhydroxid, efterfulgt af udfældning af aluminiumhydroxid fra opløsningen og efterfølgende kalcinering for at producere kommercielt ren aluminiumoxid.

Bayer-processen

Karl-Josef Bayer opfandt Bayer-processen i 1887, og den er stadig i dag den primære industrielle metode til fremstilling af aluminiumoxid. Knust bauxit blandes med natriumhydroxid for at danne en aluminatopløsning, der fungerer som udgangspunkt for yderligere forarbejdningstrin.

Filtrering fjerner frit vand og urenheder; filterkagen føres derefter ind i en række kalcinatorer, der opvarmes ved høje temperaturer, indtil alt frit vand og alle kemiske urenheder er drevet ud, hvilket giver aluminiumoxidpulver til brug i forskellige aluminiumprocesser som smeltning og støbning.

Jernmalm bruges i produktionen af andre metaller, herunder magnesium og calcium. Når det kombineres med andre grundstoffer, kan det danne legeringer til specifikke anvendelser som flymotorer eller brændselsceller; desuden fungerer det som et støttemateriale til at skabe katalysatorer, der bruges til at kontrollere andre kemiske reaktioner.

Aluminium kan ikke produceres naturligt og skal udvindes fra malmen ved hjælp af forskellige raffineringsteknikker. To primære udvindingsprocesser er Bayer- og Hall-Heroult-processerne, som begge starter med bauxit som udgangsmateriale.

Bauxit er en naturligt forekommende grovkornet bjergart, der indeholder betydelige mængder aluminiumoxid (Al2O3). Aluminiumoxid udgør en stor del af den kommercielle værdi; udvinding af aluminium kræver omfattende energiforbrug og dyrt udstyr; industrien har derfor investeret kraftigt i raffineringsteknologi til bauxit for at imødekomme 30% af verdens samlede produktion.

Hall-Heroult-processen

Aluminium er vigtigt i mange industrier og anvendelser, men det skal først udvindes fra sin naturlige tilstand for at kunne bruges. Der er kun en håndfuld steder på jorden, hvor det findes i sin grundform i naturen - især i bauxit - så der skal flere raffineringsprocesser til, før man kan producere færdige aluminiumsprodukter, som bruges i mange sammenhænge. Aluminiumsproducenter er stærkt afhængige af elektrokemiske processer som Hall-Heroult, når de omdanner råmaterialer til værdifulde råvarer; forståelse af disse vigtige kemiske reaktioner giver indsigt i denne vigtige industri.

Hall-Heroult-processen er baseret på elektrokemisk opløsning af aluminiumoxid for at producere rent metallisk aluminium og oxygengas. Da det er en ekstremt kompleks proces, der kræver præcis kontrol for at få en effektiv produktion, skal temperatur, strømstyrke og elektrolytsammensætning styres nøje for at få et godt resultat.

Charles Martin Hall, dengang 20-årig førsteårsstuderende på Oberlin College i Ohio, begyndte at undersøge måder at producere aluminium på i 1880. Selvom hans første forsøg på at bruge elektrisk strøm til at udvinde aluminium fra aluminiumoxid mislykkedes, fik Hall i 1886 et gennembrud, der skulle ændre aluminiums historie for altid.

Han opløste aluminiumoxid i kryolitmineral og placerede grafitstangelektroder i opløsningen. Derefter kørte han en elektrisk strøm gennem elektroderne for at producere smeltet aluminium på den positive side (katoden), mens der blev produceret iltgas på den negative side (anoden), og Hall gentog denne proces med succes og grundlagde til sidst Pittsburgh Reduction Company i 1888.

Hall-Heroult-processen har længe været brugt som den vigtigste industrielle metode til fremstilling af aluminium. Selv om den er energikrævende, har den gjort betydelige fremskridt i løbet af de sidste 110 år for at reducere elforbruget under processen og producere kuldioxidgas, som igen giver anledning til bekymring som drivhusgas. Ikke desto mindre er der gjort en kontinuerlig indsats i løbet af denne tidsramme for at reducere den så meget som muligt.

Den hydrokemiske proces

Bauxit, et naturligt mineral, der er rigt på aluminium, har en stadig stigende efterspørgsel og udbredt industriel anvendelse, hvilket giver næring til løbende forbedringer af den proces, der bruges til at omdanne dette rigelige grundstof til renset aluminium. Denne komplekse og energiintensive proces afhænger af flere faktorer, herunder reservernes placering, nærheden af energikilder til smeltning, effektivitetsforanstaltninger og engagement i bæredygtig praksis.

Bayer-processen omfatter flere trin: oplukning med kaustisk soda, udskillelse af aluminiumholdige mineraler fra opløsningen (kaldet rødt mudder), udfældning af natriumaluminatkrystaller og endelig kalcinering. Som følge heraf er det en vigtig ingrediens i aluminiumsproduktionen: Aluminiumoxid er også et uundværligt råmateriale, der bruges til fremstilling af støbte ildfaste materialer og slibemidler.

Efter Bayer-processen kan aluminiumoxid omdannes til rent aluminium ved hjælp af den elektrolytiske Hall-Heroult-proces. Dette foregår i en kulstofforet gryde udstyret med et kryolitbad, der reducerer aluminiumoxids smeltepunkt; en elektrisk strøm passerer gennem dette bad, mens ilt fra luften interagerer med katodeelektroder for at danne kuldioxidgas og flydende aluminium ved anodeelektroder; kuldioxidgas kan derefter opsamles ved anodeelektroder som kuldioxidgas, hvilket producerer kuldioxidgas, der derefter danner flydende aluminium ved anoder til brug for slutbrugere; mere information.

Diagrammer giver indsigt i de elektrokemiske reaktioner, der indgår i Hall-Heroult-processen. En ligning for aluminiumoxidudvinding giver os mulighed for at observere, at dens vigtigste processer involverer:

Saltsyreudvaskning er det første trin i udvindingen af bauxit. Ved de ideelle koncentrationer og volumen/masseforhold/reaktionstemperaturer når udvaskningshastigheden sit højdepunkt.

Aluminiumoxidet pumpes ind i bundfældningstanke, hvor det bundfældes og bliver til fast aluminiumhydroxid, før det overføres eller pumpes direkte ind i et smeltekammer, hvor det opvarmes, indtil metallisk aluminium smelter ud af det og hældes i barrer, som derefter kan smedes, valses eller trækkes i forskellige former eller størrelser til specifikke formål.

Aluminium kan bruges i en lang række færdige produkter, lige fra biler til fly. Aluminiumslegeringer har også specifikke egenskaber til specifikke anvendelser, herunder styrke, korrosionsbestandighed og ledningsevne - disse legeringer kan derefter smeltes om, støbes eller trækkes til plader for at producere komponenter til moderne maskiner, byggematerialer eller forbrugsvarer.

Oxidationsprocessen

Aluminium er et af de tre hyppigst forekommende grundstoffer på jordskorpen, men det findes ikke i naturen i ren form. I stedet skal aluminium udvindes ved hjælp af avancerede elektrokemiske processer fra det primære råmateriale bauxit for at kunne produceres kommercielt. Aluminium spiller en vigtig rolle i mange industrielle applikationer verden over.

Hall-Heroult-processen er et vigtigt trin i udvindingen af aluminium. Metoden går ud på at bruge elektrisk strøm til at igangsætte kemiske reaktioner, der adskiller aluminiumoxid fra aluminiumoxid. De studerende bør studere, hvordan denne metode fungerer, da den giver indsigt i både kemien og de tekniske udfordringer, der er forbundet med den.

Ligesom Bayer-metoden begynder denne proces med bauxit som råmateriale, der er rigt på aluminiumoxid og skal raffineres til rent metal. Selv om det er en intensiv og ressourcekrævende proces, har den gjort det muligt for industrier verden over at bruge aluminium.

I starten af processen skal bauxit først knuses og renses for at producere aluminiumoxid (Al2O3), før det blandes med kryolit (Na3AlF6) for at reducere dets smeltepunkt og forbedre ledningsevnen. Når blandingen er blandet, anbringes den i en kulstof- eller grafitpotte som en elektrolysecelle, og der tilføres elektricitet; der dannes ilt ved katoden, mens aluminiumoxid reduceres til flydende aluminium ved anoden.

Filtrering og centrifugering bruges til at adskille aluminiumoxid fra opløsningen og pumpe det til flere seks etager høje udfældningstanke, hvor faste frøkrystaller af aluminiumoxidhydrat tilsættes som faste frøkrystaller til udfældning. Når det er i disse tanke, fortyndes det med vand, indtil koncentrationen til udfældning kan ske - det opslæmmes derefter i vand for at fjerne urenheder, før det opvarmes til ca. 1.200 grader for at reagere; når det er færdigt, filtreres det igen, før det opslæmmes med damp til en alumina-slurry til produktion.