Elektrolýza toku taveniny v lexikóne študenta chémie

Hliník je jedným z najdôležitejších priemyselne vyrábaných kovov, ktorý sa primárne používa v konštrukcii lietadiel a vozidiel.
Technická výroba hliníka prebieha v dvoch fázach: Najskôr sa čistý oxid hlinitý získava zo suroviny bauxit, potom sa oxid rozpustí v roztavenom kryolite (Na 3 AlF 6) a z neho sa vyrába hliník elektrolýzou s tavenou soľou.
Elektrolýza a procesy pred ňou sú mimoriadne náročné na energiu, takže výroba kovu recykláciou hliníka je čoraz dôležitejšia.

toku

V Nemecku sa asi 40% tohto ľahkého kovu používa na výrobu vozidiel a lietadiel, 20 až 25% na stavbu, zvyšok sa používa v strojárstve, elektrotechnickom priemysle a obalovom priemysle.

História výroby hliníka

Poskytovanie lacnej elektrickej energie s vývojom dynama W. von SIEMENSOM po roku 1870 a vývoj elektrolýzy oxidu hlinitého v roztavenom kryolite v roku 1886, nezávisle na sebe, PAUL LT HÉROULT vo Francúzsku a CHARLES M. HALL v USA, ktorých bolo v tom čase iba 22 Roky priniesli prielom do veľkovýroby. V roku 1893 svetová produkcia prvýkrát prekročila 1000 ton/rok a potom extrémne rýchlo vzrástla.

Svetová výroba hliníka

Zlepšenie výrobného procesu sa odráža aj na vývoji ceny hliníka.

Výroba hliníka elektrolýzou z tavenej soli

1. Extrakcia oxidu hlinitého (Bayerov proces)

Ako surovina na výrobu hliníka sa používa bauxit , z ktorého sa v prvom kroku získava oxid hlinitý.
Bauxit je červenkasto sfarbená usadená hornina, ktorá sa ťaží pri povrchovej ťažbe. Surovina použitá na výrobu hliníka má zhruba toto zloženie:

Oxid hlinitý (Al 2 O 3) približne 60%
Oxid železitý (Fe 2 O 3) 7 - 30%
Oxid kremičitý (SiO 2) 1 - 15%
Oxid titaničitý (TiO 2) 3 - 5%
chemicky viazaná voda 12-30%

Hliník je v bauxite prítomný vo forme hydroxidov, ako Al (OH) 3 alebo AlO (OH). Železo je obsiahnuté ako hydrát oxidu, kremík ako oxid kremičitý alebo vo forme kremičitanov.
Zásoby bauxitu na zemi sú veľmi veľké, dosahujú 40 - 50 miliárd ton, ročná svetová produkcia bola 100 miliónov ton v roku 1995, v roku 2000 to bolo 125 miliónov ton a trend rastie.
Veľké usadeniny bauxitu sú čiastočne zodpovedné za skutočnosť, že hliník je tretím najbežnejším prvkom v zemskej kôre po kyslíku a kremíku s podielom 8,3% hmotnosti. Mnoho kremičitanových minerálov (íl, kaolín atď.) Obsahuje tiež hliník, ale tieto minerály sú ťažko vhodné ako suroviny kvôli ich nízkemu obsahu hliníka. Na ťažbu hliníka sa používa takmer iba bauxit.

Vývoj ceny hliníka

V prvej fáze spracovania sa musia ostatné minerály oddeliť od hydroxidu hlinitého v takzvanom Bayerovom procese. V tomto procese sa rozomletý bauxit štiepi 25 až 45% roztokom hydroxidu sodného pod tlakom pri 120 až 230 ° C. Koncentrácia lúhu sodného, ​​doba trávenia a požadovaná teplota závisia od druhu bauxitu.

Na rozdiel od sprievodných látok v bauxite je hydroxid hlinitý do značnej miery rozpustný v lúhu sodnom za tvorby hlinitanových iónov [Al (OH) 4].
Al (OH) 3 + OH - → [Al (OH) 4] -

Nerozpustené zložky bauxitu - hlavne oxid železitý, oxid kremičitý a oxid titaničitý, ako aj určitý podiel hydroxidu hlinitého - sa odfiltrujú pri teplote asi 90 ° C, premyjú sa a vytvorí sa z nich takzvaný červený kal. , ktorého farba pochádza z oxidov železa. Tá sa zvyčajne ukladá, ale dá sa použiť aj ako surovina, napr. B. použiť pri stavbe ciest.
Roztok hlinitanu sodného sa ochladí a potom sa pridá pevný hydroxid hlinitý ako kryštalizačné jadro, aby sa zahájila kryštalizácia produktu. Tento proces sa nazýva očkovanie a pevné kryštály Al (OH) 3 sa tiež nazývajú očkovacie kryštály. Rozpustený hlinitan sa teraz znova vyzráža ako hydroxid hlinitý Al (OH) 3. Zvyšný roztok hydroxidu sodného sa odparením upraví na pôvodnú koncentráciu a recykluje sa späť na trávenie. Straty sa vyrovnávajú pridaním čerstvého lúhu.
Hydroxid hlinitý sa premyje a potom sa zahreje na 1 200 - 1 300 ° C v rotačných peciach. Priemer týchto pecí je do 3 ma ich dĺžka do 70 m. Hydroxid sa premieňa na oxid elimináciou vody, čo je proces známy aj ako kalcinácia.

2 Al (OH) 3 → Al203 + 3 H20

Takto získaný oxid hlinitý má čistotu viac ako 99,5%, stále obsahuje približne 0,01% oxidu železa a oxidu kremičitého a až 0,4% sodíka.

Schéma Bayerovho procesu

2. Tavená elektrolýza oxidu hlinitého
Redukcia oxidu hlinitého na kov sa uskutočňuje elektrolyticky v tavenine. Pretože teplota topenia čistého oxidu je nad 2 000 ° C, rozpustí sa 5 až 10% oxidu hlinitého v tavenine kryolitu. Pri takejto zmesi kryolitu a oxidu hlinitého je teplota topenia nižšia ako teplota topenia dvoch jednotlivých látok.
Kryolit (hexafluóraluminát sodný Na 3 AlF 6) je pomerne vzácny prírodný biely minerál. Ťažba bývalých hlavných ložísk v Grónsku už nie je rentabilná, preto sa vyrába kombinácia hydroxidu hlinitého, lúhu sodného a kyseliny fluorovodíkovej.

Al (OH) 3 + 3 NaOH + 6 HF → Na3 AlF 6 + 6 H20

Do taveniny kryolitu sa tiež primiešavajú rôzne soli, ktorých úlohou je znížiť teplotu topenia, zvýšiť vodivosť a zlepšiť výťažok prúdu. Typické zloženie taveniny: 80-85% Na3AlF6; 5-7% CaF2; 5-7% AlF3; LiF; V ňom je rozpustených 5 až 10% Al203. Teplota taveniny 940 - 980 ° C sa generuje z elektrickej energie.

Elektrolýznym článkom je ohňovzdorná vaňa z oceľového plechu obložená tehlami. Oxid je v tavenine prítomný vo forme svojich iónov ako Al 3+ a O 2-. Na katóde, ktorá sa skladá z uhlíka, sú ióny hliníka redukované na kov.
Al 3+ + 3 e - → Al
Kvapalný hliník sa zhromažďuje pod taveninou a pravidelne sa odsáva podtlakom.
Anóda je tiež vyrobená z uhlíka; tu sa oxidové ióny oxidujú na kyslík, ktorý reaguje s anódovým materiálom za vzniku oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého.

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

Pretože uhlíková anóda je spotrebovaná reakciou s kyslíkom, musí sa z času na čas vymeniť.
Vďaka separácii hliníka a kyslíka klesá obsah oxidu hlinitého v tavenine, a preto sa pravidelne pridáva oxid, aby sa udržala požadovaná koncentrácia.

Energetické požiadavky na výrobu hliníka

Energetická náročnosť na výrobu hliníka pomocou toku taveniny je veľmi vysoká; iba na samotný proces elektrolýzy je potrebných 13 - 15 MWh na tonu hliníka. To zhruba zodpovedá priemernej ročnej spotrebe elektriny v 5 - 10 domácnostiach. V Nemecku sa 2 - 3% elektrickej energie používajú na elektrolýzu toku taveniny hliníka. Z tohto dôvodu sa hliník vo veľkom produkuje na celom svete v krajinách, kde je možné lacno vyrábať elektrickú energiu pomocou vodnej energie (napr. Nórsko, Južná Amerika).
Ak k tomu pridáte energiu potrebnú na výrobu oxidu hlinitého z bauxitu vo forme elektrickej energie a tepelnej energie, bude to mať za následok celkovú spotrebu energie okolo 40 MWh na tonu hliníka. Naproti tomu celková energetická potreba na výrobu 1 tony skla je iba okolo 3 MWh!

Hliník sa dá v zásade recyklovať veľmi dobre. Energetická náročnosť je oveľa nižšia, predstavuje iba 5 - 10% potreby primárneho materiálu. Vďaka vysokým cenám energie je recyklácia veľmi atraktívna. B. 90% hliníkového odpadu z výroby automobilov sa recykluje.
V Nemecku a na celom svete bola na začiatku 90. rokov miera recyklácie hliníka okolo 35%.