Получение алюминия

Впервые металлический алюминий был получен химическим путем немецким химиком Ф.Велером в 1821 г. (восстановлением из хлорида алюминия металлическим калием при нагревании).

В 1854 г. французский ученый Сент-Клер Девиль предложил электрохимический способ получения алюминия, восстанавливая натрием двойной хлорид алюминия-натрия. По способу Сент-Клер Девиля с 1855 по 1890 г. было получено всего 200 тонн алюминия, а за оставшиеся до конца XIX века 10 лет выплавка алюминия (уже по новому способу) составила 28000 тонн, в 1930 г. мировое производство алюминия только в нашей стране соста­вило несколько млн. тонн в год.

Новый способ был предложен в 1886 г. американским хими­ком Ч. Холлом — он заключается в электролизе Аl₂O₃, растворенного в расплавленном криолите Nа₃АlF₆, — и применяется до настоящего времени.

Основным сырьем при получении алюминия являются бокситы (гидратированный оксид алюминия Аl₂О₃^.xН₂О, «загрязнен­ный», как правило, оксидами SiO₂, Fе₂О₃, СаСО₃): нефелины (КNа₃[АSiO₄]₄ или 3/2[Nа₂О^.Аl₂О₃^.2SiO₂]^.1/2[К₂О^.Аl₂О₃^.2SiO₂]); алуниты (КАl(SО₄)₂^.2Аl(ОН)₃); каолины (Аl₂[(Si₂О₅)(ОН)₄]) и глиноземы (смесь каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом МgСО₃).

В промышленности алюминий получают электролизом рас­твора чистого Аl₂О₃ в расплавленном криолите NaАlF₆ с добав­кой СаF₂ при температуре ~950 °С. Криолит используется как растворитель оксида алюминия, кроме того, с добавкой СаF₂ он позволяет поддерживать в электролитической ванне температуру плавления не выше 1000°.

Первым этапом в переработке руд является их очистка от примесей, вторым этапом — тщательное обезвоживание оксида алюминия.

Электролиз водных растворов соединений алюминия невозможен, так как ион Аl³⁺ более активен, чем ион Н₃О⁺, и на катоде из водных растворов соединений алюминия будет выделяться водород.

Электролиз проводят в стальных электролитических ваннах, у которых имеется внешняя теплоизоляция и внутренняя футеровка из огнеупорного кирпича . Внутри электролитическая ванна выложена графитовыми блоками, так как расплавленные фториды при высокой температуре растворяют обычную огне­упорную футеровку. Графитовые блоки у основания ванны вместе с расплавленным алюминием служат катодом, а аноды представ­ляют собой угольные стержни, которые смонтированы таким об­разом, чтобы они могли опускаться по мере их сгорания (окисление анодов происходит с образованием СО и СО₂).

В первую очередь в электролизер загружают криолит и фто­рид кальция. После их расплавления (теплом, которое выделяется при пропускании электрического тока) добавляют чистый Аl₂О₃.

Выделяющийся на аноде кислород окисляет уголь­ные стержни, именно поэтому конструкция электролитической ванны такова, что аноды можно опускать по мере их сгорания. В результате каждые 20-30 дней аноды приходится заменять новы­ми.

В этом процессе потребляется большое количество электри­ческой энергии. В нем используется постоянный ток силой более 100000 А при напряжении порядка 5 В. Для получения 1 т алю­миния расходуется 13-17 тысяч киловатт-часов энергии. Такой процесс экономически оправдан только при наличии дешевой электроэнергии, например, от гидростанции. В России для этого имеются все условия, особенно в Сибири, на базе дешевой элек­троэнергии и больших запасов нефелиновых руд.