Електроліз розплаву в хімічних студентських словниках

Алюміній - один з найважливіших промислово вироблених металів, який в першу чергу використовується в авіаційному та транспортному будівництві.
Технічне виробництво алюмінію відбувається у два етапи: Спочатку із сировини бокситу отримують чистий оксид алюмінію, потім оксид розчиняють у розплавленому кріоліті (Na 3 AlF 6) і алюміній отримують з нього за допомогою електролізу з плавленою сіллю.
Електроліз та вихідні процеси надзвичайно енергоємні, тому виробництво металу шляхом переробки алюмінію стає все більш важливим.

У Німеччині близько 40% цього легкого металу використовується в машинобудуванні та літакобудуванні, 20-25% у будівництві, решта використовується в машинобудуванні, електротехнічній промисловості та пакувальній промисловості.

Історія виробництва алюмінію

Надання дешевої електричної енергії з розвитком динамо В. фон СІМЕНС після 1870 р. Та розвиток електролізу оксиду алюмінію в розплавленому кріоліті в 1886 р. Незалежно один від одного PAUL LT HÉROULT у Франції та CHARLES M. HALL у США, яким на той час було лише 22 роки. Роки принесли прорив у масштабне виробництво. У 1893 р. Світове виробництво вперше перевищило 1000 т/рік, а потім надзвичайно швидко зросло.

Світове виробництво алюмінію

Поліпшення виробничого процесу також відображається на розвитку ціни на алюміній.

Виробництво алюмінію плавленим сольовим електролізом

1. Екстракція оксиду алюмінію (процес Байєра)

Боксит використовується як сировина для виробництва алюмінію , з якого на першому етапі отримують оксид алюмінію.
Боксит - осадова гірська порода червонуватого кольору, яку видобувають у відкритих копальнях. Сировина, яка використовується для виробництва алюмінію, має приблизно такий склад:

Оксид алюмінію (Al 2 O 3) приблизно 60%
Оксид заліза (Fe 2 O 3) 7 - 30%
Оксид кремнію (SiO 2) 1-15%
Оксид титану (TiO 2) 3-5%
хімічно зв'язана вода 12-30%

Алюміній присутній у бокситах у формі гідроксидів у вигляді Al (OH) 3 або AlO (OH). Залізо міститься як гідрат оксиду, кремній як діоксид або у вигляді силікатів.
Запаси бокситів на землі дуже великі, вони складають 40-50 мільярдів тонн, щорічне світове виробництво становило 100 мільйонів тонн у 1995 році, у 2000 році - 125 мільйонів тонн, і тенденція зростає.
Великі родовища бокситів частково відповідають за те, що алюміній є третім за поширеністю елементом земної кори після кисню та кремнію з часткою 8,3% по масі. Багато силікатних мінералів (глина, каолін тощо) також містять алюміній, але ці мінерали навряд чи придатні в якості сировини через не дуже високий вміст алюмінію. Для видобутку алюмінію використовується майже лише боксит.

Розвиток ціни на алюміній

На першій стадії переробки інші мінерали повинні бути відокремлені від гідроксиду алюмінію в так званому процесі Байєра. У цьому процесі розмелений боксит перетравлюють 25-45% розчином гідроксиду натрію під тиском від 120 до 230 ° С. Концентрація їдкого натру, час перетравлення та необхідна температура залежать від виду бокситу.

На відміну від супутніх речовин бокситу, гідроксид алюмінію в значній мірі розчиняється в їдкій соді з утворенням іонів алюмінату [Al (OH) 4].
Al (OH) 3 + OH - → [Al (OH) 4] -

Нерозчинені компоненти бокситів - переважно оксид заліза, оксид кремнію та оксид титану, а також частина гідроксиду алюмінію - відфільтровуються при температурі близько 90 ° C, промиваються і утворюють так званий червоний бруд , колір яких походить від оксидів заліза. Це, як правило, депонується, але може також використовуватися як сировина для. Б. використовувати в дорожньому будівництві.
Розчин алюмінату натрію охолоджують, а потім додають твердий гідроксид алюмінію як ядро кристалізації, щоб розпочати кристалізацію продукту. Цей процес називається засіванням, тверді кристали Al (OH) 3 також називають кристалами насіння. Потім розчинений алюмінат знову випадає в осад у вигляді гідроксиду алюмінію Al (OH) 3. Залишився розчин гідроксиду натрію випаровуванням доводять до початкової концентрації та рециркулюють до перетравлення. Втрати компенсуються додаванням свіжого лугу.
Гідроксид алюмінію промивають, а потім нагрівають до 1200-1300 ° С у обертових печах. Діаметр цих печей становить до 3 м, їх довжина до 70 м. Гідроксид перетворюється в оксид з виведенням води - процес, також відомий як прожарювання.

2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Отриманий таким чином оксид алюмінію має чистоту понад 99,5%, він все ще містить приблизно 0,01% оксиду заліза та оксиду кремнію кожен та до 0,4% натрію.

Схема процесу Байєра

2. Електроліз плавленого оксиду алюмінію
Відновлення оксиду алюмінію до металу відбувається електролітично в розплаві. Оскільки температура плавлення чистого оксиду вище 2000 ° С, 5-10% оксиду алюмінію розчиняється в розплаві кріоліту. При такій суміші кріоліту та оксиду алюмінію температура плавлення нижча, ніж у двох окремих речовин.
Кріоліт (гексафтороалюмінат натрію Na 3 AlF 6) - відносно рідкісний природний білий мінерал. Видобуток колишніх основних родовищ у Гренландії перестає бути вигідним, тому поєднується гідроксид алюмінію, їдкий натр та плавикова кислота.

Al (OH) 3 + 3 NaOH + 6 HF → Na 3 AlF 6 + 6 H 2 O

Різні солі також змішують у розплав кріоліту, завданням якого є зниження температури плавлення, підвищення провідності та поліпшення поточного виходу. Типовий склад розплаву: 80-85% Na 3 AlF 6; 5-7% CaF 2; 5-7% AlF 3; LiF; У ньому розчинено 5-10% Al 2 O 3. Температура розплаву 940 - 980 ° С генерується за рахунок електричної енергії.

Електролізна камера - це вогнезахисна, обкладена цеглою сталева сталева ванна. Оксид присутній у розплаві у вигляді його іонів у вигляді Al 3+ та O 2-. На катоді, що складається з вуглецю, іони алюмінію відновлюються до металу.
Al 3+ + 3 e - → Al
Рідкий алюміній збирається під розплавом і регулярно відсмоктується за допомогою вакууму.
Анод також виготовлений з вуглецю; тут оксидні іони окислюються до кисню, який реагує з анодним матеріалом, утворюючи оксид вуглецю та діоксид вуглецю.

2 O 2- → O 2 + 4 e - C + 0,5 O 2 → CO C + O 2 → CO 2

Оскільки вуглецевий анод витрачається в результаті реакції з киснем, його час від часу доводиться замінювати.
Внаслідок поділу алюмінію та кисню вміст оксиду алюмінію в розплаві зменшується, тому регулярно додають оксид, щоб підтримувати бажану концентрацію.

Вимоги до енергії для виробництва алюмінію

Потреба в енергії для виробництва алюмінію шляхом електролізу в розплаві дуже висока; 13-15 МВт/год на тонну алюмінію потрібно лише для процесу електролізу. Це приблизно відповідає середньорічному споживанню електроенергії в 5-10 домогосподарствах. У Німеччині 2-3% електричної енергії використовується для електролізу розплаву алюмінію. З цієї причини алюміній широко виробляється у всьому світі в країнах, де електричну енергію можна дешево виробляти за допомогою гідроенергетики (наприклад, Норвегія, Південна Америка).
Якщо додати енергію, необхідну для виробництва оксиду алюмінію з бокситів, у вигляді електричної та теплової енергії, це призводить до загального споживання енергії близько 40 МВт-год на тонну алюмінію. На відміну від цього, загальна потреба в енергії для виробництва 1 тонни скла складає лише близько 3 МВт-год!

В принципі, алюміній можна дуже добре переробити. Потреба в енергії для цього набагато нижча, вона становить лише 5-10% від потреби в первинному матеріалі. Через високі ціни на енергію переробка є досить привабливою. Б. 90% алюмінієвих відходів від будівництва автомобілів переробляються.
На початку 1990-х років у Німеччині та у всьому світі рівень переробки алюмінію становив близько 35%.