알루미나 추출의 과학

보크사이트에서 알루미늄을 추출하는 것은 이 다용도 금속의 안정적인 공급을 보장하는 과학 및 엔지니어링의 필수적인 측면입니다. 알루미늄의 다양한 용도로 인해 보다 효율적인 생산 방법에 대한 연구가 수십 년 동안 진행되어 왔습니다.

추출은 뜨거운 수산화나트륨으로 분해한 다음 용액에서 수산화알루미늄을 침전시키고 이후 소성하여 상업적으로 순수한 알루미나를 생산하는 과정을 거칩니다.

바이엘 프로세스

1887년 칼-요제프 바이엘은 바이엘 공법을 발명했으며, 오늘날에도 알루미나를 생산하는 주요 산업 방식으로 사용되고 있습니다. 분쇄된 보크사이트는 수산화나트륨과 혼합되어 알루미네이트 용액을 형성하며, 이는 추가 공정 단계의 시작점이 됩니다.

여과를 통해 유리 수분과 불순물을 제거하고, 필터 케이크는 일련의 소성기에 공급되어 모든 유리 수분과 화학 불순물이 제거될 때까지 고온에서 가열되어 제련 및 주조와 같은 다양한 알루미늄 공정에 사용되는 알루미나 분말을 생산합니다.

철광석은 마그네슘과 칼슘을 포함한 다른 금속 생산에 사용됩니다. 다른 원소와 결합하면 항공기 엔진이나 연료 전지와 같은 특정 용도의 합금을 만들 수 있으며, 다른 화학 반응을 제어하는 데 사용되는 촉매를 만드는 데 지원 재료로도 사용됩니다.

알루미늄은 자연적으로 생산할 수 없으며 다양한 정제 기술을 사용하여 광석에서 추출해야 합니다. 두 가지 주요 추출 공정은 보크사이트를 원료로 하는 베이어 공정과 홀-헤룰트 공정입니다.

보크사이트는 자연적으로 발생하는 거친 입자의 암석으로 상당한 양의 알루미늄 산화물(Al2O3)을 함유하고 있습니다. 알루미나는 상업적 가치의 대부분을 차지하며, 알루미늄을 추출하려면 막대한 에너지 사용과 고가의 장비가 필요하기 때문에 업계에서는 보크사이트 정제 기술에 막대한 투자를 통해 세계 총 생산량의 30%를 충족하고 있습니다.

홀-헤룰트 프로세스

알루미늄은 많은 산업과 응용 분야에서 필수적이지만, 유용하게 사용하려면 먼저 자연 상태에서 추출해야 합니다. 지구상에서 자연 상태의 원소 형태가 존재하는 곳은 소수에 불과하며, 특히 보크사이트가 대표적이기 때문에 다양한 용도로 널리 사용되는 알루미늄 완제품을 생산하기 위해서는 여러 정제 과정을 거쳐야 합니다. 알루미늄 제조업체는 원료를 가치 있는 상품으로 전환하기 위해 홀-헤룰트와 같은 전기화학 공정에 크게 의존하며, 이러한 주요 화학 반응을 이해하면 이 중요한 산업에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

홀-헤룰트 공정은 알루미나의 전기 화학적 용해에 의존하여 순수한 금속 알루미늄과 산소 가스를 생산합니다. 효율적인 생산을 위해 정밀한 제어가 필요한 매우 복잡한 공정이므로 성공적인 결과를 위해서는 온도, 전류, 전해질 구성 성분을 모두 엄격하게 관리해야 합니다.

1880년 당시 20세의 오하이오주 오벌린 대학 1학년생이었던 찰스 마틴 홀은 알루미늄 생산 방법을 연구하기 시작했습니다. 전류를 이용해 알루미나에서 알루미늄을 추출하려는 초기 시도는 실패했지만, 1886년 홀은 알루미늄의 역사를 영원히 바꿔놓을 획기적인 시도를 해냈습니다.

그는 알루미나를 크라이오라이트 광물에 녹이고 흑연 막대 전극을 용액에 넣었습니다. 그런 다음 전극에 전류를 흘려 양극(음극)에서는 용융 알루미늄이 생성되고 음극(양극)에서는 산소 가스가 생성되도록 했고, 홀은 이 과정을 성공적으로 반복하여 1888년 피츠버그 환원 회사를 설립했습니다.

홀-헤룰트 공법은 오랫동안 알루미늄을 생산하는 주요 산업 방식으로 사용되어 왔습니다. 에너지 집약적이지만 지난 110년 동안 공정 중 전기 사용을 줄이고 이산화탄소 가스를 생산하여 온실가스로서의 우려가 제기되어 왔습니다. 그럼에도 불구하고 이 기간 동안 온실가스를 최대한 줄이기 위해 지속적인 노력을 기울여 왔습니다.

수화학적 프로세스

알루미늄이 풍부한 천연 광물인 보크사이트는 수요가 계속 증가하고 산업적으로 광범위하게 활용되면서 이 풍부한 원소를 정제된 알루미늄으로 변환하는 공정에 대한 지속적인 개선이 이루어지고 있습니다. 이 복잡하고 에너지 집약적인 공정은 매장지의 위치, 제련 작업을 위한 동력원의 근접성, 효율성 측정 및 지속 가능한 관행에 대한 노력 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

바이엘 공정은 가성소다를 이용한 소화, 용액에서 알루미늄 함유 미네랄 분리(적진흙이라고 함), 알루미늄산나트륨 결정 침전, 최종 소성 등 여러 단계로 이루어집니다. 결과적으로 알루미늄 생산의 필수 요소입니다: 알루미나는 주조 가능한 내화물과 연마재 제조에 사용되는 필수 원료이기도 합니다.

바이엘 공정에 이어 홀-헤룰트 전해 공정을 통해 알루미나를 순수 알루미늄으로 전환할 수 있습니다. 이 공정은 산화알루미늄의 녹는점을 낮추는 크라이올라이트 욕조가 장착된 탄소 안감 냄비에서 이루어지며, 이 욕조를 통해 전류가 흐르면서 공기 중의 산소가 음극 전극과 상호작용하여 양극 전극에서 이산화탄소 가스와 액체 알루미늄을 형성하고, 양극 전극에서 이산화탄소 가스로 수집되어 최종 사용자가 사용할 수 있도록 양극에서 액체 알루미늄을 생성하는 방식으로 이루어집니다.

다이어그램은 홀-헤룰트 공정을 구성하는 전기 화학 반응에 대한 통찰력을 제공합니다. 알루미나 추출 방정식을 통해 주요 공정을 관찰할 수 있습니다:

염산 침출은 보크사이트 추출의 초기 단계입니다. 이상적인 농도와 부피-질량비/반응 온도에서 침출 속도가 최고조에 달합니다.

침전조 탱크로 펌핑된 알루미나는 침전되어 고체 수산화알루미늄을 생성한 후 제련실로 직접 이송되거나 펌핑되어 금속 알루미늄이 녹을 때까지 가열된 다음 잉곳에 부어져 단조, 압연, 특정 용도에 맞게 다양한 모양이나 크기로 뽑아낼 수 있습니다.

알루미늄은 자동차에서 항공기에 이르기까지 다양한 완제품에 활용될 수 있습니다. 알루미늄 합금은 또한 강도, 내식성, 전도성 등 특정 용도에 맞는 특정 특성을 가지고 있으며, 이러한 합금을 제련, 주조 또는 압연하여 최신 기계, 건축 자재 또는 소비재용 부품을 생산할 수 있습니다.

산화 과정

알루미늄은 지구 지각에 가장 풍부한 3대 원소 중 하나이지만 순수한 형태로 자연적으로 발생하지는 않습니다. 따라서 알루미늄을 상업적으로 생산하기 위해서는 주원료인 보크사이트에서 첨단 전기화학 공정을 통해 추출해야 합니다. 알루미늄은 전 세계의 많은 산업 분야에서 필수적인 역할을 합니다.

홀-헤룰트 공정은 알루미늄을 추출하는 데 필수적인 단계입니다. 이 방법은 전류를 사용하여 알루미늄 산화물에서 알루미나를 분리하는 화학 반응을 시작합니다. 학생들은 이 방법이 어떻게 작동하는지에 대해 공부해야 하며, 이를 통해 화학 및 기술적 과제에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

바이엘 공법과 마찬가지로 이 공정은 산화알루미늄이 풍부하고 순수한 금속으로 정제해야 하는 보크사이트를 원료로 시작합니다. 자원 집약적이고 집약적인 공정이지만, 이 공정을 통해 전 세계 산업에서 알루미늄을 활용할 수 있게 되었습니다.

공정을 시작하려면 먼저 보크사이트를 분쇄하고 정제하여 알루미나(Al2O3)를 만든 다음, 녹는점을 낮추고 전도성을 높이기 위해 크라이오라이트(Na3AlF6)와 혼합해야 합니다. 혼합이 완료되면 이 혼합물을 탄소 또는 흑연 냄비에 전해질 전지로 넣고 전기를 가하면 음극에서 산소가 형성되고 양극에서 알루미나가 액체 알루미늄으로 환원됩니다.

여과와 원심분리를 통해 용액에서 알루미나를 분리한 다음, 6층 높이의 여러 침전 탱크로 펌핑하여 침전을 위한 고체 종자 결정으로 알루미나 수화물의 고체 종자 결정이 추가됩니다. 이 탱크에서 침전을 위한 농도가 될 때까지 물로 희석한 다음 불순물을 제거하기 위해 물로 슬러리화하여 약 1,200℃로 가열하여 반응을 일으키고, 반응이 완료되면 다시 여과하여 증기로 슬러리화하여 알루미나 슬러리로 만들어 생산합니다.

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