Alumiinioksidin uuttamisen taustalla oleva tiede

Alumiinin louhinta bauksiitista on olennainen osa tieteen ja tekniikan alaa, joka takaa tämän monipuolisen metallin tasaisen saatavuuden. Alumiinin monien käyttötarkoitusten vuoksi sen tehokkaampia tuotantotapoja on tutkittu vuosikymmeniä.

Uuttamiseen kuuluu liuotus kuumalla natriumhydroksidilla, jonka jälkeen alumiinihydroksidi saostetaan liuoksesta ja sen jälkeen kalsinoidaan, jolloin saadaan kaupallisesti puhdasta alumiinioksidia.

Bayerin prosessi

Karl-Josef Bayer keksi Bayer-prosessin vuonna 1887, ja se on edelleen tärkein teollinen menetelmä alumiinioksidin valmistukseen. Murskattu bauksiitti sekoitetaan natriumhydroksidin kanssa, jolloin muodostuu aluminaattiliuos, joka toimii lähtökohtana jatkokäsittelyvaiheille.

Suodatus poistaa vapaan veden ja epäpuhtaudet; suodatuskakku johdetaan sitten kalsinointilaitteisiin, joita kuumennetaan korkeissa lämpötiloissa, kunnes kaikki vapaa vesi ja kemialliset epäpuhtaudet on poistettu, jolloin saadaan alumiinioksidipulveria käytettäväksi erilaisissa alumiiniprosesseissa, kuten sulatuksessa ja valussa.

Rautamalmia käytetään muiden metallien, kuten magnesiumin ja kalsiumin, tuotannossa. Kun se yhdistetään muihin alkuaineisiin, siitä voidaan muodostaa seoksia erityissovelluksiin, kuten lentokoneiden moottoreihin tai polttokennoihin; lisäksi se toimii tukimateriaalina muiden kemiallisten reaktioiden hallintaan käytettävien katalyyttien luomisessa.

Alumiinia ei voida tuottaa luonnollisesti, vaan se on louhittava malmista erilaisilla jalostustekniikoilla. Kaksi ensisijaista louhintamenetelmää ovat Bayerin ja Hall-Heroultin prosessit, joiden molempien lähtöaineena on bauksiitti.

Bauksiitti on luonnossa esiintyvä karkearakeinen kivi, joka sisältää merkittäviä määriä alumiinioksidia (Al2O3). Alumiinioksidin kaupallisesta arvosta suuri osa on alumiinioksidia; alumiinin talteenotto vaatii paljon energiaa ja kalliita laitteita; teollisuus on siksi investoinut voimakkaasti bauksiitin jalostusteknologiaan, jotta se vastaa 30% maailman kokonaistuotannosta.

Hall-Heroult-prosessi

Alumiini on välttämätön monilla teollisuudenaloilla ja monissa sovelluksissa, mutta se on ensin louhittava luonnostaan, jotta siitä olisi hyötyä. Vain muutamassa paikassa maapallolla on sen alkuaineena luonnossa - erityisesti bauksiitissa - joten on suoritettava useita jalostusprosesseja, ennen kuin saadaan valmiita alumiinituotteita, joita käytetään laajalti monissa sovelluksissa. Alumiininvalmistajat tukeutuvat suuresti sähkökemiallisiin prosesseihin, kuten Hall-Heroultin prosessiin, kun raaka-aineista tehdään arvokkaita hyödykkeitä. Näiden keskeisten kemiallisten reaktioiden ymmärtäminen antaa tietoa tästä elintärkeästä teollisuudenalasta.

Hall-Heroult-prosessi perustuu alumiinioksidin sähkökemialliseen liuottamiseen, jolloin saadaan puhdasta metallista alumiinia ja happikaasua. Koska kyseessä on erittäin monimutkainen prosessi, joka vaatii tarkkaa valvontaa tehokkaan tuotannon varmistamiseksi, lämpötilaa, virtaa ja elektrolyyttikoostumusta on hallittava tarkasti, jotta lopputulos olisi onnistunut.

Charles Martin Hall, joka oli tuolloin 20-vuotias ensimmäisen vuoden opiskelija Ohion Oberlin Collegessa, alkoi tutkia tapoja valmistaa alumiinia vuonna 1880. Vaikka hänen ensimmäiset yrityksensä, joissa hän käytti sähkövirtaa alumiinin erottamiseksi alumiinioksidista, epäonnistuivat, Hall teki vuonna 1886 läpimurron, joka muutti alumiinin historian lopullisesti.

Hän liuotti alumiinioksidia kryoliitti-mineraaliin ja sijoitti grafiittisauvaelektrodit liuokseen. Sitten hän ajoi sähkövirran elektrodiensa läpi tuottaakseen sulaa alumiinia positiiviselle puolelle (katodi), kun taas happikaasun tuotanto tapahtui negatiiviselle puolelle (anodi). Hall toisti tämän prosessin menestyksekkäästi ja perusti lopulta Pittsburgh Reduction Companyn vuonna 1888.

Hall-Heroult-prosessia on käytetty pitkään pääasiallisena teollisena alumiinin valmistusmenetelmänä. Vaikka se on energiaintensiivinen, se on viimeisten 110 vuoden aikana edistynyt merkittävästi vähentääkseen sähkön käyttöä prosessin aikana ja tuottaakseen hiilidioksidikaasua, joka puolestaan aiheuttaa huolta kasvihuonekaasuna. Tänä aikana on kuitenkin pyritty jatkuvasti vähentämään sitä mahdollisimman paljon.

Hydrokemiallinen prosessi

Bauksiitin, runsaasti alumiinia sisältävän luonnonmineraalin, kysyntä kasvaa jatkuvasti, ja sitä käytetään laajalti teollisuudessa, minkä vuoksi prosessia, jolla tämä runsas alkuaine muutetaan puhdistetuksi alumiiniksi, kehitetään jatkuvasti. Tämä monimutkainen ja energiaintensiivinen prosessi riippuu monista tekijöistä, kuten varantojen sijainnista, sulatustoiminnan energialähteiden läheisyydestä, tehokkuusvaatimuksista ja sitoutumisesta kestäviin käytäntöihin.

Bayerin prosessiin kuuluu useita vaiheita: liuotus natriumhydroksidilla, alumiinipitoisten mineraalien erottaminen liuoksesta (ns. punalieju), natriumaluminaattikiteiden saostaminen ja lopuksi kalsinointi. Tuloksena on alumiinin valmistuksen olennainen ainesosa: Alumiinioksidi on myös välttämätön raaka-aine, jota käytetään valettavien tulenkestävien aineiden ja hioma-aineiden valmistuksessa.

Bayerin prosessin jälkeen alumiinioksidi voidaan muuntaa puhtaaksi alumiiniksi Hall-Heroultin elektrolyyttisellä prosessilla. Tämä tapahtuu hiilellä vuoratussa kattilassa, joka on varustettu kryoliittihauteella, joka alentaa alumiinioksidin sulamispistettä; sähkövirta kulkee tämän ammeen läpi, kun ilmasta peräisin oleva happi vuorovaikuttaa katodielektrodien kanssa muodostaen hiilidioksidikaasua ja nestemäistä alumiinia anodielektrodeissa; hiilidioksidikaasu voidaan sitten kerätä anodielektrodeihin hiilidioksidikaasuksi, jolloin syntyy hiilidioksidikaasua, joka sitten muodostaa nestemäistä alumiinia anodeissa loppukäyttäjien käytettäväksi; lisätietoja.

Kaaviot tarjoavat tietoa sähkökemiallisista reaktioista, jotka muodostavat Hall-Heroult-prosessin. Alumiinioksidin uuttamisen yhtälön avulla voidaan havaita, että sen pääprosessit sisältävät:

Suolahappoliuotus on ensimmäinen vaihe bauksiitin uuttamisessa. Ihanteellisissa pitoisuuksissa ja tilavuus-massasuhteessa/reaktiolämpötiloissa liuotusnopeus saavuttaa huippunsa.

Alumiinioksidi pumpataan saostussäiliöihin, jossa se laskeutuu ja siementyy kiinteäksi alumiinihydroksidiksi, minkä jälkeen se siirretään tai pumpataan suoraan sulatuskammioon, jossa sitä kuumennetaan, kunnes siitä sulaa metallinen alumiini, joka kaadetaan harkoiksi, jotka voidaan sitten takoa, valssata tai vetää eri muotoisiksi tai kokoisiksi erityisiin käyttötarkoituksiin.

Alumiinia voidaan käyttää erilaisissa lopputuotteissa autoista lentokoneisiin. Alumiiniseoksilla on myös erityisiä ominaisuuksia tiettyjä käyttötarkoituksia varten, kuten lujuus, korroosionkestävyys ja johtavuus - nämä seokset voidaan sulattaa, valaa tai vetää levyiksi, joista voidaan valmistaa komponentteja nykyaikaisiin koneisiin, rakennusmateriaaleihin tai kulutustavaroihin.

Hapetusprosessi

Alumiini on yksi maankuoren kolmesta runsaimmin esiintyvästä alkuaineesta, mutta sitä ei esiinny luonnossa puhtaassa muodossaan. Sen sijaan alumiinia on louhittava kehittyneillä sähkökemiallisilla prosesseilla ensisijaisesta raaka-aineesta bauksiitista, jotta sitä voidaan tuottaa kaupallisesti. Alumiini on olennainen osa monia teollisia sovelluksia maailmanlaajuisesti.

Hall-Heroult-prosessi on olennainen vaihe alumiinin talteenotossa. Menetelmässä käytetään sähkövirtaa käynnistämään kemiallisia reaktioita, jotka erottavat alumiinioksidin alumiinioksidista. Opiskelijoiden olisi tutkittava, miten tämä menetelmä toimii, koska se antaa tietoa sekä menetelmän kemiasta että siihen liittyvistä teknisistä haasteista.

Kuten Bayerin menetelmässä, myös tässä prosessissa raaka-aineena on bauksiitti, joka sisältää runsaasti alumiinioksidia ja joka on jalostettava puhtaaksi metalliksi. Vaikka prosessi on intensiivinen ja resurssi-intensiivinen, se on mahdollistanut alumiinin hyödyntämisen teollisuudessa kaikkialla maailmassa.

Prosessin alussa bauksiitti on ensin murskattava ja puhdistettava alumiinioksidin (Al2O3) tuottamiseksi, minkä jälkeen se sekoitetaan kryoliitin (Na3AlF6) kanssa sulamispisteen alentamiseksi ja johtavuuden parantamiseksi. Kun seos on sekoitettu, se laitetaan hiili- tai grafiittiastiaan elektrolyyttikennoksi ja siihen syötetään sähköä; katodissa muodostuu happea, kun taas anodissa alumiinioksidi pelkistyy nestemäiseksi alumiiniksi.

Alumiinioksidi erotetaan liuoksesta suodattamalla ja sentrifugoimalla ja pumpataan useisiin kuusikerroksisiin saostussäiliöihin, joihin lisätään alumiinioksidihydraatin kiinteitä siemenkiteitä saostusta varten. Kun se on näissä säiliöissä, sitä laimennetaan vedellä, kunnes se voidaan konsentroida saostusta varten - sitten se lietetään vedessä epäpuhtauksien poistamiseksi ennen kuin se kuumennetaan noin 1 200 celsiusasteeseen reaktiota varten; kun se on valmis, se suodatetaan uudelleen ennen kuin se lietetään höyryn avulla alumiinioksidilietteeksi tuotantoa varten.