Electroliza fluxului de topire în ajutorul de învățare a lexiconului studenților la chimie
Aluminiul este unul dintre cele mai importante metale produse industrial, care este utilizat în principal în construcția de aeronave și vehicule.
Producția tehnică de aluminiu are loc în două etape: Mai întâi, oxidul de aluminiu pur se obține din bauxita materiei prime, apoi oxidul este dizolvat în criolit topit (Na 3 AlF 6) și aluminiu este produs din acesta prin intermediul electrolizei cu sare topită.
Procesele de electroliză și amonte sunt extrem de consumatoare de energie, astfel încât producția metalului prin reciclarea aluminiului devine din ce în ce mai importantă.
În Germania, aproximativ 40% din acest metal ușor este utilizat în construcția de vehicule și aeronave, 20-25% în construcții, restul este utilizat în inginerie mecanică, industria electrică și industria ambalajelor.
Istoria producției de aluminiu
Furnizarea de energie electrică ieftină odată cu dezvoltarea dinamului de către W. von SIEMENS după 1870 și dezvoltarea electrolizei oxidului de aluminiu în criolitul topit în 1886, independent unul de celălalt de către PAUL LT HÉROULT în Franța și CHARLES M. HALL în SUA, ambii având doar 22 de ani la acea vreme Vechile ani au adus descoperirea producției la scară largă. În 1893, producția mondială a depășit pentru prima dată 1000 de tone/an și apoi a crescut extrem de rapid.
Producția mondială de aluminiu
Îmbunătățirea procesului de fabricație se reflectă și în dezvoltarea prețului aluminiului.
Producția de aluminiu prin electroliză cu sare topită
1. Extracția oxidului de aluminiu (proces Bayer)
Bauxita este utilizată ca materie primă pentru producția de aluminiu , din care se obține oxidul de aluminiu în prima etapă.
Bauxita este o rocă sedimentară de culoare roșiatică care este extrasă în exploatarea în aer liber. Materia primă utilizată pentru producția de aluminiu are aproximativ următoarea compoziție:
Oxid de aluminiu (Al 2 O 3) aprox.60%
Oxid de fier (Fe 2 O 3) 7 - 30%
Oxid de siliciu (SiO 2) 1-15%
Oxid de titan (TiO 2) 3-5%
apă legată chimic 12-30%
Aluminiu este prezent în bauxită sub formă de hidroxizi, ca Al (OH) 3 sau AlO (OH). Fierul este conținut ca hidrat de oxid, siliciu ca dioxid sau sub formă de silicați.
Rezervele de bauxită pe pământ sunt foarte mari, se ridică la 40-50 miliarde de tone, producția mondială anuală a fost de 100 de milioane de tone în 1995, în 2000 a fost de 125 de milioane de tone, iar tendința este în creștere.
Depozitele mari de bauxită sunt parțial responsabile de faptul că aluminiul este al treilea element cel mai frecvent în scoarța terestră după oxigen și siliciu, cu o pondere de 8,3% din masă. Multe minerale cu silicat (argilă, caolin etc.) conțin, de asemenea, aluminiu, dar aceste minerale nu sunt adecvate ca materii prime datorită conținutului lor de aluminiu nu atât de ridicat. Aproape numai bauxita este utilizată pentru extragerea aluminiului.
Dezvoltarea prețului aluminiului
În prima etapă de procesare, celelalte minerale trebuie separate de hidroxidul de aluminiu în așa-numitul proces Bayer. În acest proces, bauxita măcinată este digerată cu soluție de hidroxid de sodiu 25-45% sub presiune la 120 până la 230 ° C. Concentrația de sodă caustică, timpul de digestie și temperatura necesară depind de tipul de bauxită.
Spre deosebire de substanțele însoțitoare din bauxită, hidroxidul de aluminiu este în mare parte solubil în soda caustică cu formarea de ioni aluminat [Al (OH) 4].
Al (OH) 3 + OH - → [Al (OH) 4] -
Componentele nedizolvate ale bauxitei - în principal oxid de fier, oxid de siliciu și oxid de titan, precum și o cantitate de hidroxid de aluminiu - sunt filtrate la aproximativ 90 ° C, spălate și formează ceea ce este cunoscut sub numele de noroi roșu , a căror culoare provine din oxizii de fier. Acesta este de obicei depus, dar poate fi folosit și ca materie primă, de ex. B. să fie utilizat în construcția de drumuri.
Soluția de aluminat de sodiu este răcită și apoi se adaugă hidroxid de aluminiu solid ca nucleu de cristalizare pentru a începe cristalizarea produsului. Acest proces se numește însămânțare, cristalele solide de Al (OH) 3 numite și cristale de semințe. Aluminatul dizolvat precipită din nou sub formă de hidroxid de aluminiu Al (OH) 3. Soluția rămasă de hidroxid de sodiu este adusă la concentrația inițială prin evaporare și reciclată la digestie. Pierderile sunt compensate prin adăugarea de leșie proaspătă.
Hidroxidul de aluminiu este spălat și apoi încălzit la 1200-1300 ° C în cuptoare rotative. Diametrul acestor cuptoare este de până la 3 m, lungimea lor până la 70 m. Hidroxidul este transformat în oxid cu eliminarea apei, proces cunoscut și sub denumirea de calcinare.
2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O
Oxidul de aluminiu obținut în acest mod are o puritate de peste 99,5%, conține în continuare aproximativ 0,01% oxid de fier și oxid de siliciu și până la 0,4% sodiu.
Schema procesului Bayer
2. Electroliza oxidului de aluminiu topit
Reducerea oxidului de aluminiu la metal are loc electrolitic într-o topitură. Deoarece punctul de topire al oxidului pur este peste 2000 ° C, 5-10% oxid de aluminiu este dizolvat într-un topit de criolit. Cu un astfel de amestec de criolit și oxid de aluminiu, punctul de topire este mai mic decât cel al celor două substanțe individuale.
Criolitul (hexafluoroaluminat de sodiu Na 3 AlF 6) este un mineral alb natural relativ rar. Exploatarea fostelor zăcăminte principale din Groenlanda nu mai merită, așa că combinația dintre hidroxid de aluminiu, sodă caustică și acid fluorhidric este realizată.
Al (OH) 3 + 3 NaOH + 6 HF → Na 3 AlF 6 + 6 H 2 O
Diferite săruri sunt adăugate la topitura de criolită, sarcina căreia este scăderea punctului de topire, creșterea conductivității și îmbunătățirea randamentului curent. Compoziția tipică a topiturii: 80-85% Na3AlF6; 5-7% CaF2; 5-7% AlF3; LiF; 5-10% Al203 sunt dizolvate în ea. Temperatura topiturii de 940 - 980 ° C este generată din energia electrică.
Celula de electroliză este o cadă de tablă de oțel, rezistentă la foc, căptușită. Oxidul este prezent în topitură sub forma ionilor săi ca Al 3+ și O 2-. La catod, care este realizat din carbon, ionii de aluminiu sunt reduși la metal.
Al 3+ + 3 e - → Al
Aluminiul lichid se colectează sub topitură și este aspirat în mod regulat prin aplicarea unui vid.
Anodul este, de asemenea, fabricat din carbon; aici ionii de oxid sunt oxidați la oxigen, care reacționează cu materialul anodic pentru a forma monoxid de carbon și dioxid de carbon.
2 O 2- → O 2 + 4 e - C + 0,5 O 2 → CO C + O 2 → CO 2
Deoarece anodul de carbon este consumat de reacția cu oxigenul, acesta trebuie înlocuit din când în când.
Conținutul de oxid de aluminiu din topitură scade datorită depunerii de aluminiu și oxigen, motiv pentru care se adaugă în mod regulat oxid pentru a menține concentrația dorită.
Cerințe energetice pentru producția de aluminiu
Necesarul de energie pentru producerea de aluminiu prin electroliza fluxului topit este foarte mare; 13-15 MWh pe tonă de aluminiu sunt necesare numai pentru procesul de electroliză. Acest lucru corespunde aproximativ consumului mediu anual de energie electrică în 5-10 gospodării. În Germania, 2-3% din energia electrică este utilizată pentru electroliza fluxului topit de aluminiu. Din acest motiv, aluminiul este produs la scară largă la nivel mondial în țările în care energia electrică poate fi generată ieftin folosind hidroenergia (de exemplu, Norvegia, America de Sud).
Dacă adăugați energia necesară pentru a produce oxid de aluminiu din bauxită sub formă de energie electrică și energie termică, acest lucru duce la un consum total de energie de aproximativ 40 MWh pe tonă de aluminiu. În schimb, necesarul total de energie pentru producția de 1 tonă de sticlă este de numai 3 MWh!
În principiu, aluminiul poate fi reciclat foarte bine. Necesarul de energie pentru acest lucru este mult mai mic, este doar 5-10% din necesarul de material primar. Datorită prețurilor ridicate la energie, reciclarea este destul de atractivă. B. 90% din deșeurile de aluminiu din construcțiile de automobile sunt reciclate.
În Germania și în întreaga lume, rata de reciclare a aluminiului a fost de aproximativ 35% la începutul anilor 1990.