Πώς κατασκευάζεται το αλουμίνιο;
Το αλουμίνιο εξάγεται αρχικά από το μετάλλευμα βωξίτη και στη συνέχεια τήκεται για να παραχθεί καθαρό μέταλλο αλουμινίου.
Οι ενώσεις αλουμινίου έχουν αποδείξει τη χρησιμότητά τους εδώ και χιλιάδες χρόνια. Υπάρχει από την εποχή της Περσικής Αυτοκρατορίας, όταν οι Πέρσες αγγειοπλάστες κατασκεύαζαν τα πιο στιβαρά αγγεία τους από πηλό που περιείχε οξείδιο του αλουμινίου. Οι αρχαίοι Αιγύπτιοι και Βαβυλώνιοι χρησιμοποιούσαν ενώσεις αλουμινίου στις βαφές των υφασμάτων, στα καλλυντικά και στα φάρμακα τους. Ωστόσο, μόνο στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα το αλουμίνιο αναγνωρίστηκε ως στοιχείο και απομονώθηκε ως καθαρό μέταλλο. Η δυσκολία εξαγωγής αλουμινίου από τις φυσικές του ενώσεις κράτησε το μέταλλο σπάνιο για πολλά χρόνια. μισό αιώνα μετά την ανακάλυψή του, ήταν ακόμα τόσο σπάνιο και πολύτιμο όσο το ασήμι. Τώρα που γνωρίζουμε λίγο περισσότερα για την ιστορία του μετάλλου, ας ρίξουμε μια ματιά στις ιδιότητες αυτού του μετάλλου και στις πρώτες ύλες που απαιτούνται για την κατασκευή του αλουμινίου.
(Φωτογραφία:pixnio)
Ιδιότητες και πρώτες ύλες
Το αλουμίνιο είναι το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης και αποτελεί το 8% του εδάφους και των πετρωμάτων του πλανήτη. Στη φύση, το αλουμίνιο βρίσκεται μόνο σε χημικές ενώσεις με άλλα στοιχεία, όπως το θείο, το πυρίτιο και το οξυγόνο. Το μόνο μέρος όπου το αλουμίνιο μπορεί να εξορυχθεί επικερδώς είναι με τη μορφή μεταλλευμάτων αλουμινίου. Το μεταλλικό αλουμίνιο έχει πολλές ιδιότητες, όπως είναι ελαφρύ, ανθεκτικό, μη μαγνητικό και μη τοξικό. Μεταφέρει τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό και αντανακλά τη θερμότητα και το φως. Είναι σταθερό, αλλά εύκολα εφαρμόσιμο, και διατηρεί τη δύναμή του κάτω από υπερβολικό κρύο χωρίς να γίνεται εύθραυστο. Η επιφάνεια του αλουμινίου οξειδώνεται γρήγορα για να σχηματίσει ένα αόρατο φράγμα που το εμποδίζει να υποστεί διάβρωση. Επιπλέον, το αλουμίνιο μπορεί να παραχθεί αποτελεσματικά και είναι οικονομικά ανακυκλώσιμο για νέα προϊόντα.
(Πίστωση εικόνας:Flickr)
Οι ενώσεις αλουμινίου υπάρχουν σε όλους τους τύπους αργίλου, αλλά το μετάλλευμα που είναι πιο χρήσιμο για την παραγωγή καθαρού αλουμινίου είναι ο βωξίτης . Ο βωξίτης αποτελείται από 45-60% οξείδιο του αργιλίου, μαζί με διάφορες ακαθαρσίες, όπως άμμο, σίδηρο και άλλα μέταλλα. Αν και ορισμένα κοιτάσματα βωξίτη είναι σκληρά πετρώματα, τα περισσότερα αποτελούνται από σχετικά μαλακή βρωμιά που ξεθάβεται εύκολα από ανοιχτά ορυχεία. Η Αυστραλία παράγει περισσότερο από το ένα τρίτο της παγκόσμιας προσφοράς βωξίτη. Χρειάζονται περίπου 2 κιλά βωξίτη για την παραγωγή 0,5 κιλών μετάλλου αλουμινίου. Η καυστική σόδα (υδροξείδιο του νατρίου) χρησιμοποιείται για τη διάλυση των ενώσεων αλουμινίου που βρίσκονται στον βωξίτη, διαχωρίζοντάς τες από τις ακαθαρσίες. Ανάλογα με τη σύνθεση του μεταλλεύματος βωξίτη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σχετικά μικρές ποσότητες άλλων χημικών ουσιών στη διαδικασία εξόρυξης. Το αλουμίνιο κατασκευάζεται σε δύο φάσεις:Η διαδικασία της Bayer διύλισης του μεταλλεύματος βωξίτη για τη λήψη οξειδίου του αλουμινίου και Η διαδικασία Hall-Heroult της τήξης του οξειδίου του αλουμινίου για την απελευθέρωση καθαρού αλουμινίου. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτές τις δύο μεθόδους.
Διαδικασία Bayer
Αρχικά λαμβάνονται τα μεταλλεύματα βωξίτη και στη συνέχεια θρυμματίζονται μηχανικά. Το θρυμματισμένο μετάλλευμα στη συνέχεια αναμιγνύεται με καυστική σόδα και τοποθετείται σε μύλο άλεσης και στη συνέχεια μετατρέπεται σε πολτό που περιέχει το μετάλλευμα. Ο πολτός στη συνέχεια αντλείται στον χωνευτήρα. Ο χωνευτήρας είναι μια μεγάλη δεξαμενή που λειτουργεί σαν χύτρα ταχύτητας. Ο πολτός θερμαίνεται στους 110-270°C σε πίεση 340 kPa. Αυτές οι συνθήκες διατηρούνται για χρονικό διάστημα που κυμαίνεται από μισή ώρα έως αρκετές ώρες. Μπορεί να προστεθεί επιπλέον καυστική σόδα για να διασφαλιστεί ότι όλες οι ενώσεις που περιέχουν αλουμίνιο διαλύονται. Ο θερμός πολτός, ο οποίος έχει πλέον γίνει διάλυμα αργιλικού νατρίου, διέρχεται από μια σειρά από δεξαμενές εκτόνωσης που μειώνουν την πίεση και ανακτούν τη θερμότητα, η οποία μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί στη διαδικασία διύλισης.
(Φωτογραφία:Andreas Schmidt/ Wikimedia Commons)
Ο πολτός στη συνέχεια αντλείται σε μια δεξαμενή καθίζησης. Καθώς ο πολτός παραμένει σε αυτή τη δεξαμενή, οι ακαθαρσίες που δεν θα διαλυθούν στην καυστική σόδα κατακάθονται στον πυθμένα του δοχείου. Το υπόλειμμα (που ονομάζεται «κόκκινη λάσπη») που συσσωρεύεται στον πυθμένα της δεξαμενής αποτελείται από λεπτή άμμο, οξείδιο σιδήρου και οξείδια ιχνοστοιχείων όπως το τιτάνιο. Αφού καθιζάνουν οι ακαθαρσίες, το υπόλοιπο υγρό, που μοιάζει κάπως με καφέ, διοχετεύεται μέσω μιας σειράς υφασμάτινων φίλτρων. Τα φίλτρα παγιδεύουν τυχόν λεπτά σωματίδια ακαθαρσιών που παραμένουν στο διάλυμα. Αυτό το υλικό πλένεται για την ανάκτηση αλουμίνας και καυστικής σόδας, τα οποία μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Το φιλτραρισμένο υγρό αντλείται μέσω μιας σειράς δεξαμενών βροχόπτωσης έξι ορόφων. Οι σπόροι κρύσταλλοι ένυδρης αλουμίνας (αλουμίνα συνδεδεμένη με μόρια νερού) προστίθενται στην κορυφή κάθε δεξαμενής. Οι κρύσταλλοι των σπόρων μεγαλώνουν καθώς κατακάθονται μέσα στο υγρό και προσκολλάται σε αυτούς διαλυμένη αλουμίνα. Οι κρύσταλλοι κατακρημνίζονται και βυθίζονται στον πυθμένα της δεξαμενής, όπου αφαιρούνται. Μετά το πλύσιμο, μεταφέρονται σε κλίβανο για φρύξη (θέρμανση για να απελευθερωθούν τα μόρια του νερού που είναι χημικά συνδεδεμένα με τα μόρια αλουμίνας). Ένας βιδωτός μεταφορέας μετακινεί ένα συνεχές ρεύμα κρυστάλλων σε έναν περιστρεφόμενο, κυλινδρικό κλίβανο που έχει κλίση για να επιτρέπει στη βαρύτητα να μετακινήσει το υλικό μέσα από αυτόν. Μια θερμοκρασία 1.100° C εξαλείφει τα μόρια του νερού, αφήνοντας άνυδρους (άνυδρους) κρυστάλλους αλουμίνας. Μετά την έξοδο από τον κλίβανο, οι κρύσταλλοι περνούν από ένα ψυγείο.
Διαδικασία Hall-Heroult
Η τήξη της αλουμίνας σε μεταλλικό αλουμίνιο πραγματοποιείται σε μια χαλύβδινη δεξαμενή που ονομάζεται δοχείο μείωσης. Ο πάτος του δοχείου είναι επενδεδυμένος με άνθρακα, ο οποίος λειτουργεί ως ένα ηλεκτρόδιο του συστήματος. Τα απέναντι ηλεκτρόδια αποτελούνται από ένα σύνολο ράβδων άνθρακα που αιωρούνται πάνω από το δοχείο. κατεβάζονται σε διάλυμα ηλεκτρολύτη και συγκρατούνται περίπου 3,8 cm πάνω από την επιφάνεια του λιωμένου αλουμινίου που συσσωρεύεται στο πάτωμα της κατσαρόλας. Τα δοχεία μείωσης είναι διατεταγμένα σε σειρές δοχεία που αποτελούνται από 50-200 δοχεία συνδεδεμένα σε σειρά για να σχηματίσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Κάθε δοχείο μπορεί να παράγει 60.000-100.000 μετρικούς τόνους αλουμινίου ετησίως. Ένα τυπικό εργοστάσιο τήξης αποτελείται από δύο ή τρεις γλάστρες. Μέσα στα δοχεία αναγωγής, οι κρύσταλλοι αλουμίνας διαλύονται σε τετηγμένο κρυόλιθο σε θερμοκρασία 960-970°C για να σχηματιστεί ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη που θα μεταφέρει ηλεκτρισμό από τις ράβδους άνθρακα στο στρώμα του δοχείου με επένδυση άνθρακα. Ένα συνεχές ρεύμα 4-6 βολτ και 100.000-230.000 αμπέρ διέρχεται από το διάλυμα. Η προκύπτουσα αντίδραση σπάει τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων αλουμινίου και οξυγόνου στα μόρια αλουμίνας. Το οξυγόνο που απελευθερώνεται έλκεται από τις ράβδους άνθρακα, όπου σχηματίζει διοξείδιο του άνθρακα. Τα ελευθερωμένα άτομα αλουμινίου κατακάθονται στον πάτο του δοχείου ως λιωμένο μέταλλο.
(Photo Credit :Parcly Taxel/ Wikimedia Commons)
Η διαδικασία τήξης είναι συνεχής, με περισσότερη αλουμίνα που προστίθεται στο διάλυμα κρυόλιθου για να αντικαταστήσει την αποσυντιθέμενη ένωση. Διατηρείται έτσι ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα. Η θερμότητα που παράγεται από τη ροή ηλεκτρισμού στο κάτω ηλεκτρόδιο διατηρεί το περιεχόμενο του δοχείου σε υγρή κατάσταση, αλλά μια κρούστα τείνει να σχηματιστεί πάνω από τον τηγμένο ηλεκτρολύτη. Περιοδικά, η κρούστα σπάει για να επιτραπεί η προσθήκη περισσότερης αλουμίνας για επεξεργασία. Το καθαρό λιωμένο αλουμίνιο συσσωρεύεται στον πάτο της κατσαρόλας και σταδιακά σιφωνίζεται. Οι γλάστρες λειτουργούν 24 ώρες την ημέρα, επτά ημέρες την εβδομάδα. Ένα χωνευτήριο μετακινείται κάτω από τη γραμμή του δοχείου, συλλέγοντας 4.000 kg λιωμένου αλουμινίου, το οποίο είναι 99,8% καθαρό. Το μέταλλο στη συνέχεια μεταφέρεται σε κλίβανο συγκράτησης και χυτεύεται ως πλινθώματα. Μια κοινή τεχνική συνίσταται στην έκχυση του λιωμένου αλουμινίου σε ένα μακρύ, οριζόντιο καλούπι. Καθώς το μέταλλο κινείται μέσα από το καλούπι, το εξωτερικό ψύχεται με νερό, προκαλώντας τη στερεοποίηση του αλουμινίου. Ο συμπαγής άξονας αναδύεται από το μακρινό άκρο του καλουπιού, όπου πριονίζεται σε κατάλληλα διαστήματα για να σχηματιστούν πλινθώματα του επιθυμητού μήκους. Όπως η ίδια η διαδικασία τήξης, αυτή η διαδικασία χύτευσης είναι επίσης συνεχής. Στη συνέχεια, το αλουμίνιο συλλέγεται και αποστέλλεται σε διάφορους παράγοντες της αγοράς για τους ατομικούς κατασκευαστικούς τους σκοπούς.
