Производство алюминия осуществляется электролитическим методом, который является наиболее распространенным способом получения металлического алюминия. Он используется во всем мире благодаря своей высокой технической химической чистоте.
К более поздним методам извлечения алюминия из руд относятся цинковые и карбидотермические методы, а также субхлоридные процессы. Эти методы не были разработаны до тех пор, пока не были проведены экспериментальные исследования методов извлечения алюминия.
В целом производство алюминия включает производство глинозема (окись алюминия) из алюминиевых руд. А также производство криолитиевых и других фтористых солей, производство углеродных анодных масс и футеровочных материалов. Наконец, собственно электрохимическое производство алюминия.
Производство глинозема, фтористых солей и углеродных продуктов требует предельной чистоты сырья из-за того, что алюминий является электроотрицательным элементом. Это связано с тем, что электролит при электролизе криолит-глиноземных расплавов не должен содержать ионов. Элементов более электроположительных, чем алюминий, которые выделялись бы на катоде и загрязняли металл.
Глинозем допускается при электролизе иметь до 0,06% оксида кремния (SiO2) и 0,03% оксида железа (Fe2O3). В криолите и фториде допускается содержание до 0,11-0,45% оксида железа и оксида кремния соответственно. Углерод является наиболее стабильным анодным материалом и может содержать до 0,25% оксида кремния и 0,2% оксида железа.
Производство алюминия из алюминиевой руды
Наиболее важным видом алюминиевой руды являются бокситы, которые используются для извлечения чистого алюминия. Он также существует в виде различных типов гидроксида алюминия.
В Советском Союзе, кроме бокситов, использовались и другие виды алюминиевой руды, в том числе нефелин, из которого получали глинозем, и алюмосиликат натрия и калия, а также алунит, изготавливаемый из алюминия в виде его сульфата.
Анодная масса изготавливается из материалов на основе чистого углерода, таких как нефтяной или пековый кокс. А для изготовления криолита и других фтористых солей мы используем природный фтористый кальций.
Электролиз алюминия
При электролизе алюминия металлический оксид алюминия растворяется в расплавленном криолите Na3AlF6 (разновидность сульфида металла). Затем расплавленный криолит подвергается электролизу, в результате которого образуются катионы алюминия и ионы кислорода.
По современным представлениям, криолит в расплавленном состоянии диссоциирует на ноны Na+ и AlF3-6
Na3AlF6 <—> ЗNa+ + AlF3-6,
а глинозем — на комплексные ионы AlO—2; и AlO+:
Al2O3 <—> AlO—2 + AlO+,
которые находятся в равновесии с простыми ионами:
AlO—2 <—> Al3+ + 2O2-
AlO+ <—> Al3+ + O2-
При малых концентрациях оксида алюминия в электролите, а также в катодном и анодном слоях на катоде будут разряжаться простые ионы оксида алюминия:
Al+ + Зe —> Al
и на аноде:
2O2— —4е —> O2.
Разряд ионов кислорода происходит при участии углерода анода с образованием, в конечном счете, на аноде CO2. Ионы Na+ и AlF3-6 на электродах не разряжаются, но участвуют наряду с ионами Al3+ и O2- в переносе тока соответственно к катоду и аноду.
В состав алюминиевых электролизеров входят небольшие количества других солей ( CaF2, MgF2, NaCl). Эти соли улучшают некоторые свойства электролита, что делает электролитический процесс более эффективным. Максимальное количество глинозема в алюминиевом электролите обычно составляет 6-7%. После этого добавляется еще одна порция электролита. Для нормальной работы алюминиевых ванн полярное соотношение NaF и AlFz в электролите обычно поддерживается на уровне 2,7-2,8.