Veda o extrakcii oxidu hlinitého

Ťažba hliníka z bauxitu je neoddeliteľnou súčasťou vedy a techniky, ktorá zabezpečuje stabilné dodávky tohto univerzálneho kovu. Vzhľadom na jeho široké využitie sa už desaťročia uskutočňuje výskum účinnejších spôsobov jeho výroby.

Extrakcia zahŕňa rozklad horúcim hydroxidom sodným, po ktorom nasleduje vyzrážanie hydroxidu hlinitého z roztoku a následné kalcinovanie na získanie komerčne čistého oxidu hlinitého.

Postup spoločnosti Bayer

Karl-Josef Bayer vynašiel Bayerov proces v roku 1887 a dodnes je to základná priemyselná metóda výroby oxidu hlinitého. Rozdrvený bauxit sa zmieša s hydroxidom sodným a vytvorí sa roztok hlinitanu, ktorý slúži ako východiskový bod pre ďalšie kroky spracovania.

Filtráciou sa odstráni voľná voda a nečistoty; filtračný koláč sa potom privádza do série kalcinátorov, kde sa zahrieva pri vysokých teplotách, kým sa nevyženie všetka voľná voda a chemické nečistoty, čím sa získa oxid hlinitý v prášku na použitie v rôznych procesoch výroby hliníka, ako je tavenie a odlievanie.

Železná ruda sa používa na výrobu iných kovov vrátane horčíka a vápnika. V kombinácii s inými prvkami môže vytvárať zliatiny pre špecifické aplikácie, ako sú letecké motory alebo palivové články; okrem toho slúži ako podporný materiál pri vytváraní katalyzátorov používaných na riadenie iných chemických reakcií.

Hliník sa nedá vyrobiť prirodzenou cestou a musí sa získavať z rudy rôznymi technikami rafinácie. Dva základné procesy extrakcie sú Bayerov a Hall-Heroultov proces, ktoré sa začínajú bauxitom ako východiskovým materiálom.

Bauxit je prirodzene sa vyskytujúca hrubozrnná hornina obsahujúca značné množstvo oxidu hlinitého (Al2O3). Hliník tvorí väčšinu jeho komerčnej hodnoty; ťažba hliníka si vyžaduje rozsiahlu spotrebu energie a drahé zariadenia; priemysel preto investoval veľké prostriedky do technológie rafinácie bauxitu, aby pokryl 30% celkovej svetovej produkcie.

Hall-Heroultov proces

Hliník je nevyhnutný v mnohých priemyselných odvetviach a aplikáciách, ale aby bol použiteľný, musí sa najprv získať z prírodného stavu. Len na niekoľkých miestach na Zemi sa nachádza jeho elementárna forma v prírode - predovšetkým v bauxite - takže pred výrobou hotových hliníkových výrobkov, ktoré sa používajú v mnohých aplikáciách, musí prebehnúť niekoľko procesov rafinácie. Výrobcovia hliníka sa pri premene surovín na cenné komodity vo veľkej miere spoliehajú na elektrochemické procesy, ako je Hall-Heroult; pochopenie týchto kľúčových chemických reakcií umožňuje nahliadnuť do tohto dôležitého odvetvia.

Hallov-Heroultov proces spočíva v elektrochemickom rozpúšťaní oxidu hlinitého s cieľom získať čistý kovový hliník a plynný kyslík. Keďže ide o mimoriadne zložitý proces, ktorý si na efektívnu výrobu vyžaduje presné riadenie, teplota, prúd a zloženie elektrolytu musia byť prísne riadené, aby sa dosiahli úspešné výsledky.

Charles Martin Hall, vtedy 20-ročný študent prvého ročníka na Oberlin College v Ohiu, začal v roku 1880 skúmať spôsoby výroby hliníka. Hoci jeho prvé pokusy s použitím elektrického prúdu na získanie hliníka z oxidu hlinitého zlyhali, v roku 1886 sa Hallovi podaril prielom, ktorý navždy zmenil históriu hliníka.

Rozpustil oxid hlinitý v kryolitovom mineráli a do roztoku umiestnil grafitové tyčové elektródy. Potom cez elektródy pustil elektrický prúd, aby sa na kladnej strane (katóde) vytvoril roztavený hliník, zatiaľ čo na zápornej strane (anóde) sa vytváral plynný kyslík. Hall tento proces úspešne zopakoval a nakoniec v roku 1888 založil spoločnosť Pittsburgh Reduction Company.

Hall-Heroultov proces sa už dlho používa ako hlavná priemyselná metóda výroby hliníka. Hoci je energeticky náročný, za posledných 110 rokov sa pri ňom dosiahli významné pokroky, aby sa znížila spotreba elektrickej energie počas procesu a produkcia oxidu uhličitého, ktorý zasa predstavuje určité obavy ako skleníkový plyn. Napriek tomu sa počas tohto obdobia vyvíjalo neustále úsilie o jeho čo najväčšie zníženie.

Hydrochemický proces

Po bauxite, prírodnom mineráli bohatom na hliník, je čoraz väčší dopyt a má široké priemyselné využitie, čo podporuje neustále zdokonaľovanie procesu, ktorý sa používa na premenu tohto hojného prvku na čistý hliník. Tento zložitý a energeticky náročný postup závisí od viacerých faktorov vrátane umiestnenia zásob, blízkosti zdrojov energie pre taviace operácie, opatrení na zvýšenie účinnosti a záväzku k udržateľným postupom.

Bayerov proces zahŕňa viacero krokov: rozklad s kaustickou sodou, separáciu minerálov obsahujúcich hliník z roztoku (tzv. červené bahno), zrážanie kryštálov hlinitanu sodného a nakoniec kalcináciu. Výsledkom je základná zložka výroby hliníka: Hliník je tiež nepostrádateľnou surovinou používanou pri výrobe liatych žiaruvzdorných materiálov a brusív.

Po Bayerovom procese sa oxid hlinitý môže premeniť na čistý hliník pomocou Hall-Heroultovho elektrolytického procesu. Tento proces prebieha v hrnci s uhlíkovou výstelkou vybavenom kryolitovým kúpeľom, ktorý znižuje teplotu tavenia oxidu hlinitého; týmto kúpeľom prechádza elektrický prúd, zatiaľ čo kyslík zo vzduchu interaguje s katódovými elektródami za vzniku plynného oxidu uhličitého a kvapalného hliníka na anódových elektródach; plynný oxid uhličitý sa potom môže zhromažďovať na anódových elektródach ako plynný oxid uhličitý, čím vzniká plynný oxid uhličitý, ktorý potom na anódach vytvára kvapalný hliník na použitie konečnými používateľmi; viac informácií.

Schémy ponúkajú pohľad na elektrochemické reakcie, ktoré tvoria Hallov-Heroultov proces. Rovnica pre extrakciu oxidu hlinitého nám umožňuje pozorovať, že jeho hlavné procesy zahŕňajú:

Lúhovanie kyselinou chlorovodíkovou je počiatočným krokom pri extrakcii bauxitu. Pri jej ideálnych koncentráciách a pomere objemu a hmotnosti/reakčných teplotách dosahuje lúhovanie maximálnu rýchlosť.

Oxid hlinitý, ktorý sa prečerpáva do zrážacích nádrží, sa potom usadzuje a usadzuje, čím vzniká pevný hydroxid hlinitý, a potom sa prenáša alebo prečerpáva priamo do taviacej komory, kde sa zahrieva, až kým sa z neho neroztaví kovový hliník, ktorý sa potom leje do ingotov, ktoré sa potom môžu kovať, valcovať, ťahať do rôznych tvarov alebo veľkostí na konkrétne použitie.

Hliník sa môže používať v rôznych hotových výrobkoch, od automobilov až po lietadlá. Hliníkové zliatiny majú tiež špecifické vlastnosti na špecifické použitie vrátane pevnosti, odolnosti voči korózii a vodivosti - tieto zliatiny sa potom môžu taviť, odlievať alebo ťahať do plechov na výrobu súčiastok pre moderné stroje, stavebné materiály alebo spotrebný tovar.

Proces oxidácie

Hliník je jedným z troch najrozšírenejších prvkov v zemskej kôre, ale v prírode sa nevyskytuje v čistej forme. Namiesto toho sa hliník musí získavať pomocou pokročilých elektrochemických procesov z primárnej suroviny bauxitu, aby sa mohol komerčne vyrábať. Hliník zohráva neoddeliteľnú úlohu v mnohých priemyselných aplikáciách na celom svete.

Hall-Heroultov proces je neoddeliteľným krokom pri získavaní hliníka. Táto metóda zahŕňa použitie elektrického prúdu na spustenie chemických reakcií, ktoré oddeľujú oxid hlinitý od oxidu hlinitého. Študenti by si mali preštudovať, ako táto metóda funguje, pretože poskytuje prehľad o jej chemickom zložení aj o technických problémoch, ktoré sú s ňou spojené.

Podobne ako pri Bayerovej metóde sa tento proces začína bauxitom ako surovinou, ktorá je bohatá na oxid hlinitý a musí sa rafinovať na čistý kov. Hoci ide o intenzívny proces náročný na zdroje, umožnil priemyslu na celom svete využívať hliník.

Na začiatku procesu sa bauxit musí najprv rozdrviť a vyčistiť, aby sa získal oxid hlinitý (Al2O3), a potom sa zmieša s kryolitom (Na3AlF6), aby sa znížila jeho teplota topenia a zvýšila vodivosť. Po zmiešaní sa táto zmes umiestni do uhlíkovej alebo grafitovej nádoby ako elektrolytický článok a použije sa elektrický prúd; na katóde sa vytvorí kyslík, zatiaľ čo na anóde sa oxid hlinitý zredukuje na tekutý hliník.

Filtrácia a odstreďovanie sa používajú na oddelenie oxidu hlinitého od jeho roztoku a jeho prečerpanie do niekoľkých šesťposchodových zrážacích nádrží, kde sa pridávajú pevné kryštály hydrátu oxidu hlinitého ako pevné kryštály na zrážanie. Po umiestnení do týchto nádrží sa riedi vodou, až kým nedôjde ku koncentrácii na zrážanie - potom sa rozmieša vo vode, aby sa odstránili nečistoty, pred zahriatím na približne 1 200 stupňov C na jeho reakciu; po dokončení sa opäť filtruje pred rozmiešaním s parou na kašu oxidu hlinitého na výrobu.