Miből készül az alumínium

Az alumínium, az egyik leggyakoribb és legszélesebb körben használt fém, a természetben nem található meg tiszta formájában. Ehelyett az ásványi anyagok más elemeivel kombinálva létezik, és speciális extrakciót és feldolgozást igényel az izoláláshoz. Annak megértése, hogy mely alumínium készül a - -ból a természetes forrásaitól a - kémiai és fizikai átalakulásokig, kritikus betekintést nyújt tulajdonságai, termelése és ipari jelentőségére. Ez a cikk feltárja az alumínium anyagként meghatározó eredetét, összetételét és gyártási folyamatát.
A természetes forrás: bauxit érc
Az alumínium utazása a bauxitdal kezdődik, az elsődleges érc, amelyből alumínium származik. A bauxit egy üledékes kő, amelyet alumínium -} gazdag kőzetek (például gránit) időjárása képez trópusi vagy szubtrópusi éghajlaton, ahol a magas csapadék és a meleg hőmérséklet kiszivárog a szilícium -dioxidot és más ásványi anyagokat, így koncentrált alumínium -oxidokat hagyva.
A bauxit kémiai összetételét az alumínium -hidroxidok dominálják, a tipikus komponensekkel, beleértve:
• Gibbsite (AL (OH) ₃): A leggyakoribb alumínium - ásványi anyagot viselő bauxitban, kompozíciójának 50–70% -át teszi ki magas - minőségi lerakódásokban.
• Boehmite (- alo (OH)) és diaszpóra (- alo (OH)): Ezek a hidratált alumínium -oxidok inkább a hűvösebb vagy szárazabb régiókból származó bauxitban elterjedtek, és magasabb feldolgozási hőmérsékleteket igényelnek az alumínium kivonásához.
• szennyeződések: A bauxit gyakran vas -oxidokat (vöröses - barna színű), szilícium -dioxidot, titán -dioxidot (tio₂) és kis mennyiségű szerves anyagot tartalmaz. Ezeket a szennyeződéseket a feldolgozás során el kell távolítani, mivel ezek veszélyeztethetik a végső alumínium minőségét.
A globális bauxit -tartalékok olyan országokban koncentrálódnak, mint Guinea, Ausztrália és Kína, a betétek tisztaságában változnak geológiai kialakulása alapján. A magas - fokozatú bauxit 45–55% alumínium -oxidot (Al₂o₃) tartalmaz, így ideális az alumínium előállításához.
A bauxittól az alumínium -oxidig: a Bayer folyamat
Mielőtt az alumíniumfém előállítható, a bauxitot alumínium -oxidba (alumínium -oxid, Al₂o₃) - fehér, poros közbenső termékre finomítják. Ezt az átalakítást a Bayer folyamatán keresztül érik el, amelyet 1887 -ben fejlesztettek ki, és ma is az ipari szabvány.
A Bayer folyamat legfontosabb lépései:
1. Környezetés és őrlés: A bauxit érc kis részecskékre (1–2 cm) összetörik, és a földet finom szuszpenzióvá alakítják, hogy növeljék a kémiai reakciók felületét.
2. Bátorság: A iszapot forró, koncentrált nátrium -hidroxid (NAOH) oldattal keverjük, magas - nyomás edényekkel (emésztők) 140–280 fokon. Ez reagál a bauxitban lévő alumínium -oxidokkal, és oldható nátrium -aluminát képződik (naalo₂), míg a vas -oxidok és a titán -dioxid oldhatatlan szilárd anyagokként maradnak:
Al (oh) ₃ + naoh → naalo₂ + 2 h₂o
(A gibbsite nátrium -hidroxiddal reagál, hogy nátrium -aluminát képződjön)
3. Klarifikáció: Az elegyet szűrjük, hogy elválasztjuk a nátrium -aluminát oldatot (úgynevezett "terhes likőr") az oldhatatlan szennyeződésektől („vörös sár”, elsősorban vas -oxidok és szilícium -dioxid). A vörös sárot ártalmatlanítják, bár az újrahasznosítási erőfeszítések (pl. Az építőanyagokhoz) folyamatban vannak.
(
Naalo₂ + 2 H₂O → AL (OH) ₃ ↓ NaOH
(A nátrium -aluminát reagál a vízzel, hogy alumínium -hidroxidot képezzen és regenerálódik a nátrium -hidroxid)
5. Kalcináció: Az alumínium -hidroxidot 1000–1200 fokra melegítik forgó kemencékben, és a vízből tiszta alumínium -oxidot képeznek (Al₂o₃):
2AL (OH) ₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O
A kapott alumínium -oxid 99,5% tiszta, magas olvadási ponttal (2072 fok), így alkalmas az alumínium fémtermelésre.
Az alumínium -oxidtól az alumínium fémig: a terem - Héroult folyamat
Maga az alumínium -oxid egy elektromos szigetelő, tehát a tiszta alumínium kivonására olvadást és elektrolízist igényel. Ezt a -} Héroult folyamatban érik el, amelyet Charles Hall és Paul Héroult önállóan fejlesztettek ki 1886 -ban, amely továbbra is az egyetlen ipari módszer az elsődleges alumínium előállításához.
A csarnok legfontosabb lépései - Héroult folyamat:
1.Elektrolit előkészítés: Az alumínium -oxid oldódik az olvadt kriolitban (na₃alf₆), egy ásványban, amely oldószerként működik. A kriolit 2072 fokról ~ 960 fokra csökkenti az alumínium -oxid olvadási pontját, csökkentve az energiaigényt. Az elektrolit viszkozitásának és vezetőképességének beállításához kis mennyiségű alumínium -fluoridot (ALF₃) és kalcium -fluoridot (CAF₂) adunk hozzá.
2.Elektrolízis: Az olvadt elektrolitot nagy szénben tartják - bélelt acél edényekben (cellák). A szén anódot (pozitív elektróda) ​​belemerül az elektrolitba, és a szénbélés katódként (negatív elektróda) ​​működik. Amikor egy elektromos áram (200–500 ka) áthalad a cellán:
◦ A katód: alumínium ionok (al³⁺) elektronokat szereznek, és olvadt alumínium fémre redukálódnak, amely a cella aljára süllyed:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
◦ Az anód: oxid -ionok (o²⁻) elveszítik az elektronokat, és szén -dioxidot képeznek, hogy szén -dioxidot képezzenek:
2O²⁻ + C → CO₂ (G) + 4 E⁻
3.Aluminum gyűjtemény: Az olvadt alumínium (99,7–99,9% tiszta) rendszeresen szifonálódik a cellából, és kemencékbe kerül.
( Például, ha a 4–5% réz hozzáadása 2024 alumíniumot hoz létre, amelyet az űrben használnak.
A - Héroult folyamat terén az energia - intenzív - egy tonna alumínium előállításához ~ 13 mWh villamos energiát igényel - alacsony - költségekhez való hozzáféréshez (pl. Hydroelecticity) kritikus szempontból.
Újrahasznosított alumínium: Zárt - hurokrendszer
Míg az elsődleges alumínium a bauxitból származik, az újrahasznosított alumínium egy másik fő forrás, amely a globális alumínium -ellátás ~ 30% -át teszi ki. Az újrahasznosított alumínium "hulladék alumíniumból (pl. Ital kannák, autóalkatrészek, építési hulladékok) készül egy egyszerűbb folyamaton keresztül:
(
2.Meltelés: A tiszta hulladék kemencékben ~ 660 fokos (jóval alacsonyabb, mint a- Héroult folyamat hőmérséklete). Fluxusokat vagy inert gázt használnak a szennyeződések, például a magnézium vagy a hidrogén eltávolítására.
3. Casting: Az olvadt újrahasznosított alumíniumot rúdba, lemezekbe vagy rudakba öntik, készen állnak a gyártásra.
Az alumínium újrahasznosítása az elsődleges alumínium előállításához szükséges energia mindössze 5% -át felhasználja, a minőség elvesztése nélkül. Ez teszi az újrahasznosított alumíniumot a fenntartható fémtermelés kulcsfontosságú elemévé, összehangolva a globális szén -dioxid -szigetizációs célokat.
Alumínium fém kémiai összetétele
A tiszta alumínium (99,9%+ AL) puha, gömbölyű fém, de az ipari alumínium szinte mindig ötvözi a teljesítmény javítását. Általános ötvöző elemek a következők:
• Réz (CU): A 2000 sorozatú ötvözetekhez (pl. 2024) hozzáadva, hogy a hőkezelés révén növelje az erőt.
• Magnézium (MG): 5000 sorozatú ötvözetben (pl. 5052) használják a korrózióállóság és a hegesztés fokozására.
• Szilícium (SI): Magnéziummal kombinálva 6000 sorozatú ötvözet (pl.
• CINC (ZN): 7000 sorozatú ötvözetekhez (pl. 7075) réz és magnéziummal hozzáadva, hogy a legerősebb alumíniumötvözeteket hozzon létre, amelyeket az űrben használnak.
• Lítium (LI): Csökkenti a sűrűség az alumínium - lítium -ötvözetekben (pl. 2195), amelyet a rakétakomponensekben használnak.
Még az ötvözetekben is az alumínium továbbra is a domináns - elem általában 85–99% - súly szerint, más elemekkel, amelyek a tulajdonságok testreszabására ellenőrzött arányban vannak.
Miért számít a kompozíció?
Alumínium összetétele - Tiszta fém, ötvözet vagy újrahasznosított anyagként - közvetlenül meghatározza annak teljesítményét. Például:
• Magas - tisztaságú alumíniumot (99,99% Al) használnak az elektromos vezetőknél vezetőképességükhöz.
• 5083 alumínium (4,5% magnézium, 0,7% mangán) ellenáll a sósvíz -korróziónak, így ideális a tengeri alkalmazásokhoz.
• Újrahasznosított 3004 alumínium (1,2–1,8% mangán) ital kannákban használják annak formálhatósága és ereje érdekében.
Annak megértése, hogy mely alumínium készül a - -ból a bauxittól az ötvözetekig, az újrahasznosított - hulladékig, lehetővé teszi a gyártók számára, hogy a fenntarthatóság optimalizálása közben a gyártók számára a megfelelő anyag kiválasztását választhassák.
Összefoglalva: az alumínium alapvetően bauxit ércből készül, a Bayer folyamaton keresztül átalakítva alumínium -oxidba, majd fémré a - Héroult folyamatban. Az újrahasznosított alumínium, amely a hulladékból származik, egyre kritikusabb szerepet játszik, alacsony - energiát használva, zárt - hurokrendszert. A - kompozíciója tiszta vagy ötvözött - diktálja annak tulajdonságait, így sokoldalú anyaggá válik az iparágakban. Ahogy az alacsony - szén anyagok iránti kereslet növekszik, a bauxit -feldolgozás, az elektrolízis hatékonysága és az újrahasznosítás terén elért haladás tovább finomítja az alumínium "elkészítését", biztosítva annak fenntartható fémként való szerepét a jövő számára.