Aluminium

Het metallische element aluminium is het op twee na meest voorkomende element in de aardkorst en omvat 8% van de aarde en rotsen (zuurstof en silicium vormen respectievelijk 47% en 28%). In de natuur komt aluminium alleen voor in chemische verbindingen met andere elementen zoals zwavel, silicium en zuurstof. Zuiver, metallisch aluminium kan alleen economisch worden geproduceerd uit aluminiumoxide-erts.

Metallisch aluminium heeft veel eigenschappen die het bruikbaar maken in een breed scala aan toepassingen. Het is lichtgewicht, sterk, niet-magnetisch en niet giftig. Het geleidt warmte en elektriciteit en reflecteert warmte en licht. Het is sterk maar gemakkelijk verwerkbaar en behoudt zijn sterkte onder extreme kou zonder broos te worden. Het oppervlak van aluminium oxideert snel en vormt een onzichtbare barrière tegen corrosie. Bovendien kan aluminium eenvoudig en voordelig worden gerecycled tot nieuwe producten.

Achtergrond

Aluminiumverbindingen zijn al duizenden jaren nuttig gebleken. Rond 5000 v. Chr. , Perzische pottenbakkers maakten hun sterkste vaten van klei die aluminiumoxide bevatte. De oude Egyptenaren en Babyloniërs gebruikten aluminiumverbindingen in textielkleurstoffen, cosmetica en medicijnen. Het duurde echter tot het begin van de negentiende eeuw voordat aluminium werd geïdentificeerd als een element en werd geïsoleerd als een puur metaal. De moeilijkheid om aluminium uit zijn natuurlijke verbindingen te extraheren, hield het metaal jarenlang zeldzaam; een halve eeuw na zijn ontdekking was het nog steeds zo zeldzaam en waardevol als zilver.

In 1886 ontwikkelden twee 22-jarige wetenschappers onafhankelijk een smeltproces dat een economische massaproductie van aluminium mogelijk maakte. Het proces, dat bekend staat als het Hall-Heroult-proces, naar de Amerikaanse en Franse uitvinders, is vandaag de dag nog steeds de belangrijkste methode voor de productie van aluminium. Het Bayer-proces voor de raffinage van aluminiumerts, ontwikkeld in 1888 door een Oostenrijkse chemicus, droeg ook aanzienlijk bij tot de economische massaproductie van aluminium.

In 1884 werd 125 lb (60 kg) aluminium geproduceerd in de Verenigde Staten en verkocht voor ongeveer dezelfde eenheidsprijs als zilver. In 1995 produceerden Amerikaanse fabrieken 7,8 miljard lb (3,6 miljoen ton) aluminium, en de prijs van zilver was vijfenzeventig keer zo hoog als de prijs van aluminium.

Grondstoffen

Aluminiumverbindingen komen voor in alle soorten klei, maar het erts dat het meest geschikt is voor de productie van puur aluminium is bauxiet. Bauxiet bestaat uit 45-60% aluminiumoxide, samen met verschillende onzuiverheden zoals zand, ijzer en andere metalen. Hoewel sommige bauxietafzettingen hard gesteente zijn, bestaan ​​de meeste uit relatief zacht vuil dat gemakkelijk uit dagbouwmijnen kan worden gegraven. Australië produceert meer dan een derde van de wereldwijde voorraad bauxiet. Er is ongeveer 4 lb (2 kg) bauxiet nodig om 1 lb (0,5 kg) aluminiummetaal te produceren.

Bijtende soda (natriumhydroxide) wordt gebruikt om de aluminiumverbindingen in het bauxiet op te lossen en ze te scheiden van de onzuiverheden. Afhankelijk van de samenstelling van het bauxieterts kunnen bij de extractie relatief kleine hoeveelheden andere chemicaliën worden gebruikt Aluminium wordt in twee fasen vervaardigd:het Bayer-proces, waarbij het bauxieterts wordt geraffineerd om aluminiumoxide te verkrijgen, en de Hall -Heroult-proces waarbij het aluminiumoxide wordt gesmolten om puur aluminium vrij te maken. van aluminium. Zetmeel, kalk en natriumsulfide zijn enkele voorbeelden.

Cryoliet, een chemische verbinding die bestaat uit natrium, aluminium en fluor, wordt gebruikt als elektrolyt (stroomgeleidend medium) bij het smelten. Natuurlijk voorkomende kryoliet werd ooit gewonnen in Groenland, maar de verbinding wordt nu synthetisch geproduceerd voor gebruik bij de productie van aluminium. Aluminiumfluoride wordt toegevoegd om het smeltpunt van de elektrolytoplossing te verlagen.

Het andere belangrijke ingrediënt dat bij het smelten wordt gebruikt, is koolstof. Koolstofelektroden brengen de elektrische stroom door de elektrolyt. Tijdens het smelten wordt een deel van de koolstof verbruikt omdat het zich met zuurstof verbindt om koolstofdioxide te vormen. In feite wordt ongeveer een half pond (0,2 kg) koolstof gebruikt voor elke pond (2,2 kg) geproduceerd aluminium. Een deel van de koolstof die wordt gebruikt bij het smelten van aluminium is een bijproduct van olieraffinage; extra koolstof wordt gewonnen uit steenkool.

Omdat bij het smelten van aluminium een ​​elektrische stroom door een gesmolten elektrolyt wordt geleid, zijn grote hoeveelheden elektrische energie nodig. Gemiddeld is voor de productie van 2 lb (1 kg) aluminium 15 kilowattuur (kWh) energie nodig. De kosten van elektriciteit vertegenwoordigen ongeveer een derde van de kosten van het smelten van aluminium.

Het fabricageproces

De aluminiumproductie gebeurt in twee fasen:het Bayer-proces waarbij het bauxieterts wordt geraffineerd om aluminiumoxide te verkrijgen, en het Hall-Heroult-proces waarbij het aluminiumoxide wordt gesmolten om puur aluminium vrij te maken.

Het Bayer-proces

• 1 Eerst wordt het bauxieterts mechanisch gemalen. Vervolgens wordt het gemalen erts gemengd met natronloog en in een maalmolen verwerkt tot een slurry (een waterige suspensie) die zeer fijne ertsdeeltjes bevat.
• 2 De drijfmest wordt in een vergister gepompt, een tank die functioneert als een snelkookpan. De slurry wordt verwarmd tot 230-520 °F (110-270 °C) onder een druk van 50 lb/in ² (340 kPa). Deze omstandigheden worden gehandhaafd gedurende een tijd variërend van een half uur tot enkele uren. Extra natronloog kan worden toegevoegd om ervoor te zorgen dat alle aluminiumhoudende verbindingen zijn opgelost.
• 3 De hete slurry, die nu een natriumaluminaatoplossing is, gaat door een reeks flashtanks die de druk verlagen en warmte terugwinnen die kan worden hergebruikt in het raffinageproces.
• 4 De mest wordt in een bezinktank gepompt. Terwijl de slurry in deze tank rust, bezinken onzuiverheden die niet in de natronloog oplossen naar de bodem van het vat. Een fabrikant vergelijkt dit proces met fijn zand dat zich op de bodem van een glas suikerwater bezinkt; de suiker bezinkt niet omdat het is opgelost in het water, net zoals het aluminium in de bezinktank opgelost blijft in de natronloog. Het residu ("rode modder" genoemd) dat zich op de bodem van de tank ophoopt, bestaat uit fijn zand, ijzeroxide en oxiden van sporenelementen zoals titanium.
• 5 Nadat de onzuiverheden zijn uitgezakt, wordt de resterende vloeistof, die een beetje op koffie lijkt, door een reeks stoffen filters gepompt. Alle fijne deeltjes van onzuiverheden die in de oplossing achterblijven, worden door de filters opgevangen. Dit materiaal wordt gewassen om aluminiumoxide en natronloog terug te winnen die opnieuw kunnen worden gebruikt.
• 6 De gefilterde vloeistof wordt door een reeks van zes verdiepingen hoge neerslagtanks gepompt. Zaadkristallen van aluminiumoxidehydraat (aluminiumoxide gebonden aan watermoleculen) worden via de bovenkant van elke tank toegevoegd. De zaadkristallen groeien terwijl ze door de vloeistof bezinken en opgelost aluminiumoxide hecht zich eraan.
• 7 De kristallen slaan neer (zakken naar de bodem van de tank) en worden verwijderd. Na het wassen worden ze overgebracht naar een oven om te calcineren (verwarmen om de watermoleculen vrij te maken die chemisch gebonden zijn aan de aluminiumoxidemoleculen). Een schroeftransporteur beweegt een continue stroom kristallen in een roterende, cilindrische oven die wordt gekanteld om de zwaartekracht het materiaal er doorheen te laten bewegen. Een temperatuur van 2.000 ° F (1.100 ° C) verdrijft de watermoleculen, waardoor watervrije (waterloze) aluminiumoxidekristallen achterblijven. Na het verlaten van de oven gaan de kristallen door een koeler.

Het Hall-Heroult-proces

Het smelten van aluminiumoxide tot metallisch aluminium vindt plaats in een stalen vat dat een reductiepot wordt genoemd. De bodem van de pot is bekleed met koolstof, die fungeert als één elektrode (geleider van elektrische stroom) van het systeem. De tegenoverliggende elektroden bestaan ​​uit een set koolstofstaven die boven de pot zijn opgehangen; ze worden neergelaten in een elektrolytoplossing en ongeveer 3,8 cm boven het oppervlak van het gesmolten aluminium gehouden dat zich op de bodem van de pot ophoopt. Reductiepotten zijn gerangschikt in rijen (potlijnen) bestaande uit 50-200 potten die in serie zijn geschakeld om een ​​elektrisch circuit te vormen. Elke potlijn kan 66.000-110.000 ton (60.000-100.000 ton) aluminium per jaar produceren. Een typische smeltfabriek bestaat uit twee of drie potlijnen.

• 8 In de reductiepot worden aluminiumoxidekristallen opgelost in gesmolten kryoliet bij een temperatuur van 1.760-1.780° F (960-970° C) om een ​​elektrolytoplossing te vormen die elektriciteit van de koolstofstaven naar de met koolstof beklede bed van de pot. Door de oplossing wordt een gelijkstroom (4-6 volt en 100.000-230.000 ampère) geleid. De resulterende reactie verbreekt de bindingen tussen de aluminium- en zuurstofatomen in de aluminiumoxidemoleculen. De zuurstof die vrijkomt wordt aangetrokken door de koolstofstaven, waar het koolstofdioxide vormt. De vrijgekomen aluminiumatomen bezinken als gesmolten metaal op de bodem van de pot.

  Het smeltproces is een continu proces, waarbij meer aluminiumoxide aan de kryolietoplossing wordt toegevoegd om de afgebroken verbinding te vervangen. Er wordt een constante elektrische stroom gehandhaafd. Warmte die wordt gegenereerd door de stroom van elektriciteit aan de onderste elektrode houdt de inhoud van de pot in een vloeibare toestand, maar er vormt zich een korst bovenop de gesmolten elektrolyt. Periodiek wordt de korst gebroken om meer aluminiumoxide toe te voegen voor verwerking. Het pure gesmolten aluminium hoopt zich op op de bodem van de pot en wordt overgeheveld. De potten worden 24 uur per dag, zeven dagen per week bediend.

• 9 Een smeltkroes wordt door de potlijn bewogen en verzamelt 4.000 kg gesmolten aluminium, dat 99,8% zuiver is. Het metaal wordt overgebracht naar een oven en vervolgens gegoten (gegoten in vormen) als blokken. Een veelgebruikte techniek is om het gesmolten aluminium in een lange, horizontale mal te gieten. Terwijl het metaal door de mal beweegt, wordt de buitenkant gekoeld met water, waardoor het aluminium stolt. De massieve schacht komt uit het uiteinde van de mal, waar het met geschikte tussenpozen wordt gezaagd om blokken van de gewenste lengte te vormen. Net als het smeltproces zelf, is ook dit gietproces continu.

Bijproducten/afval

Aluinaarde, de tussenstof die wordt geproduceerd door het Bayer-proces en die de grondstof vormt voor het Hall-Heroult-proces, is ook een nuttig eindproduct. Het is een witte, poederachtige substantie met een consistentie die varieert van talkpoeder tot kristalsuiker. Het kan worden gebruikt in een breed scala aan producten, zoals wasmiddelen, tandpasta en fluorescerende lampen. Het is een belangrijk ingrediënt in keramische materialen; het wordt bijvoorbeeld gebruikt om valse tanden, bougies en heldere keramische windschermen voor militaire vliegtuigen te maken. Het is een effectief polijstmiddel en wordt onder andere gebruikt om harde schijven van computers af te werken. Zijn chemische eigenschappen maken het effectief in vele andere toepassingen, waaronder katalysatoren en explosieven. Het wordt zelfs gebruikt in raketbrandstof:er wordt 180.000 kg verbruikt bij elke lancering van de spaceshuttle. Ongeveer 10% van het aluminiumoxide dat jaarlijks wordt geproduceerd, wordt gebruikt voor andere toepassingen dan het maken van aluminium.

Het grootste afvalproduct dat wordt gegenereerd bij het raffineren van bauxiet zijn de residuen (ertsafval) die 'rode modder' worden genoemd. Een raffinaderij produceert ongeveer dezelfde hoeveelheid rode modder als aluminiumoxide (in termen van droog gewicht). Het bevat enkele nuttige stoffen, zoals ijzer, titanium, soda en aluminiumoxide, maar niemand heeft een economisch proces kunnen ontwikkelen om ze terug te winnen. Afgezien van een kleine hoeveelheid rode modder die commercieel wordt gebruikt voor het kleuren van metselwerk, is dit echt een afvalproduct. De meeste raffinaderijen verzamelen de rode modder eenvoudig in een open vijver waar een deel van het vocht kan verdampen; wanneer de modder is opgedroogd tot een voldoende vaste consistentie, wat enkele jaren kan duren, wordt deze bedekt met vuil of vermengd met aarde.

Verschillende soorten afvalproducten worden gegenereerd door de ontleding van koolstofelektroden tijdens het smelten. Aluminiumfabrieken in de Verenigde Staten creëren aanzienlijke hoeveelheden broeikasgassen, waarbij jaarlijks ongeveer 5,5 miljoen ton (5 miljoen ton) koolstofdioxide en 3.300 ton (3.000 ton) perfluorkoolstoffen (verbindingen van koolstof en fluor) worden gegenereerd.

Jaarlijks wordt ongeveer 120.000 ton (110.000 metrische ton) gebruikte potlining (SPL) materiaal verwijderd uit aluminium reductiepotten. Door de Environmental Protection Agency (EPA) aangewezen als gevaarlijk materiaal, vormt SPL een aanzienlijk verwijderingsprobleem voor de industrie. In 1996 werd de eerste in een geplande reeks recyclingfabrieken geopend; deze fabrieken zetten SPL om in glasfrit, een tussenproduct waaruit glas en keramiek kan worden vervaardigd. Uiteindelijk komt het gerecyclede SPL voor in producten als keramische tegels, glasvezels en asfaltgrindkorrels.

De Toekomst

Vrijwel alle aluminiumproducenten in de Verenigde Staten zijn lid van het Voluntary Aluminium Industrial Partnership (VAIP), een organisatie die nauw samenwerkt met de EPA om oplossingen te vinden voor de vervuilingsproblemen waarmee de industrie wordt geconfronteerd. Een belangrijk aandachtspunt van het onderzoek is de inspanning om een ​​inert (chemisch inactief) elektrodemateriaal voor aluminium reductiepotten te ontwikkelen. Een titanium-diboride-grafietverbinding is veelbelovend. Een van de verwachte voordelen wanneer deze nieuwe technologie is geperfectioneerd, zijn de eliminatie van de uitstoot van broeikasgassen en een vermindering van 25% van het energieverbruik tijdens het smelten.