Aliuminio gamyba yra vienas iš įdomiausių ir energiją reikalaujančių pramonės procesų. Jis prasideda nuo boksito, kuriame yra 15-25 proc. aliuminio, o pats aliuminio gamybos kelias pereina keliuose etapuose: nuo boksito gryninimo iki elektrolizės, kurioje išlydytas Al2O3 paverčiamas į gryną aliuminį. Dėl didelio energijos poreikio šis procesas dažnai vyksta netoli hidroenergijos šaltinių.
1) Boksito gryninimas ir išlydytas kriolito tirpalas Hall ir Heroult procesuose
Žymusis Bayer’io procesas iš boksito išgauna aliuminio oksidą, o tada Al2O3 perdirbamas elektrolizėje Hall-Héroult procesuose. Svarbu pažymėti, kad boksito gryninimo metu Fe2O3 priemaišos pašalinamos, naudojant NaOH tirpalo tirpalus ir Al(OH)4−/Fe(OH)3 nuosėdas. Kristalinio aliuminio oksido lydomoje būsenoje atsiranda dideli trūkumai dėl joninių ryšių pobūdžio, todėl reikalingas specialus tirpiklis - kriolitas Na3AlF6, leidžiantis lydymą iki apie 1000 °C ir Al2O3 ištirpimą.»
2) Elektrolizė: iš Al2O3 į metalinį aliuminį
Aliuminio gamybai elektrolizėje naudojama siaura dalis elektrolito, kurį sudaro Al2O3 tirpalas kriolyte (Na3AlF6), veikiant aukštą temperatūrą apie 950-1000 °C. Darbo vandenyje patenka į vonią, kurioje anodas ir katodas yra grafito, o katodo paviršiuje kaupiasi aliuminis, o anode susidaro deguonis. Teigiamai įkra conjugija sukuria Al3+, o elektrolizės metu kiekvienas Al3+ jonas priima 3 elektronus, plukdydamas Al į katodą. Iš vonios išimamas grynas aliuminis, pakankamai aukštos kokybės 99,7% iki 99,999% grynumo, kai taikomas įvairus rafinavimo metodas.
Kiek energijos reikia 1 tonai aliuminio?
Apie 15000 kWh energijos suvartojama 1 tonai aliuminio pagaminti. Dėl tokio didelio energijos poreikio įmonės dažnai stato gamyklas šalia pigesnių energijos šaltinių, pavyzdžiui hidroelektrinių. Palyginimui - 1 tonai NaCl elektrinis išgavimo suprantama mažiau - apie 3000 kWh. Jei aliuminį gaminant iš naudoto laužo, energijos poreikis sumažėja iki apie 5% lyginant su pirminio metalo išgavimo energija.
3) Energijos vartojimo efektyvumas ir pasauliniai trendai
Šiandieniniai planai ir tyrimai siekia pagerinti bendrą pramonės energijos suvartojimo efektyvumą diegiant pažangių elektrolitinių aliuminio gamybos procesų ir techninę įrangą, taip pat įgyvendinant atliekų atkūrimą ir naudojimą. Be to, didelis dėmesys skiriamas saugumui ir aplinkosaugos reikalavimams, siekiant sumažinti šalutinį poveikį. Kinijos gamyba šiuo metu dominuoja pasaulio rinkoje, o didelė dalis gamybos yra orientuota į elektrolitines galimybes, su tikslu pagerinti energijos vartojimą ir aplinkosaugos rodiklius.
4) Perdirbimas: energijos taupymo ir resursų išsaugojimo svarba
Perdirbant aliuminį sunaudojama tik apie 5% energijos, reikalingos pirminiam metalui gaminti, o perdirbto aliuminio savybės nėra prastesnės. Dėl to perdirbimas yra ypač svarbus aplinkosaugos ir ekonominiu požiūriu. 75% viso pagaminto aliuminio vis dar naudojama po perdirbimo. Tad užsibrėžtas tikslas - augti greičiau nei perdirbimo rinka ir vadovauti aliuminio vertės grandinės perdirbimo srityje, nuo 2020 metų kasmet susigrąžinant 1 mln. tonų aliuminio.
5) Aliuminio savybės ir taikymas: įprasti lydiniai ir jų pritaikymas
Aliuminis - lengvas metalas, kurio tankis 2,7 g/cm3. Jo lydiniai, tokie kaip 6061 (silicis ir magnis), 7075 (varis ir cinkas), 5052 (magnis) ir 6063 (magnis ir silicio) suteikia įvairias mechanines ir terminio apdorojimo savybes, dengiami anodavimu, purškimu, miltelių dažais, galvanizavimu ar lazeriniu graviravimu. Šie lydiniai plačiai naudojami statybose, aviacijoje, automobilių pramonėje, transporto infrastruktūroje ir daugelyje kitų sričių. Aliuminio oksido plėvelė garantuoja korozijos atsparumą ir leisdama naudoti aliuminį įvairioms aplinkoms.
6) Praktiniai patarimai iš procesų valdymo ir kokybės užtikrinimo
Kietumo ir terminių savybių derinimas reikalauja kruopštaus pelės dizaino, formų ir duomenų valdymo. Pelėsių gyvenimo ilgaamžiškumas priklauso nuo formos dizaino, tikslumo ir tvirtos kontrolės. Taip pat būtina laikytis tinkamos misijos, kai kalbama apie pelės dizaino parametrus (pvz., tarpas tarp formos dalių, laikymas tinkamos temperatūros, šlifavimas, poliravimas). Svarbu ir laikytis saugos reikalavimų elektrolizės ir gamybos srityse, įskaitant apsaugos priemones, ventiliaciją bei saugią aprangą.
7) Įtraukta edukacinė dalis: kaip chemija formuoja mūsų supratimą
Šiame tekste taip pat apžvelgiama, kaip chemijos mokslo įgyta patirtis ir teorijos vystosi: nuo elektrolizės dėsnių iki praktinių technologijų. Svarbu pabrėžti, kad chemijos mokslo pažanga ir jos įtaka visuomenei reikalauja etikos, atsakomybės ir aplinkosaugos principų, o mokiniai turi įgyti gebėjimus kritiškai vertinti informaciją, planuoti tyrimus ir spręsti realias problemas.
Praktinis pavyzdys: užduotis apie elektrolizės darbą
Elektriniais būdais gaunant aliuminį, naudojama 5 V įtampa ir 40 kA srovės stiprumas. Per kiek laiko gaunama 1 t aliuminio? Tai priklauso nuo Faradėjaus dėsnio, srovės stiprumo ir laikotarpio, per kurį vyksta procesas. Šią užduotį galima išplėsti į energijos sąnaudas, įvertinant energijos poreikį per toną Al ir lyginant su kitais metalais bei tirpale esančio Al oksido kokybėmis.
Aliuminio išgavimas elektrolizės būdu | Aplinkos chemija | FuseSchool
8) Išvada: ką reikia žinoti apie laiką, energiją ir perdirbimą
1 tonas aliuminio pagaminti iš boksito reikalauja apie 15000 kWh energijos, o iš naudoto laužo tik apie 5 procentus. Elektrolizė, aukštos temperatūros tirpalas ir grafito elektrodai lemia didelį energijos poreikį, todėl gamyklose dažnai pasitelkiama didelė energijos šaltinių aprėptis. Perdirbimas yra naudingas ir siekiama išsaugoti išteklius, o alyuminio lydiniai suteikia platesnį taikymo spektrą ir lengvą eksploatavimą.