Hvernig á að draga ál með rafgreiningu?

Ál er einn af algengustu málmunum í jarðskorpunni, en það er sjaldan til í hreinu formi í náttúrunni. Í staðinn er það venjulega að finna í málmgrýti eins og báxít, sem inniheldur áloxíð (Al₂o₃). Að draga út hreint ál úr þessum málmgrýti þarf röð flókinna ferla, þar sem rafgreining er kjarnaþrepið sem umbreytir áloxíði í málm ál. Hallinn - hefoult ferli, þróað á síðari hluta 19. aldar, er enn ríkjandi aðferð við útdrátt í iðnaði í dag. Hér er ítarleg sundurliðun á því hvernig ál er dregið út með rafgreiningu.
1.. Undirbúningur hráefnisins: Hreinsun áloxíðs
Áður en rafgreining getur hafist verður að hreinsa áloxíð úr málmgrýti þess. Bauxite, aðal uppspretta áls, inniheldur óhreinindi eins og járnoxíð, kísil og títantvíoxíð. Þessi óhreinindi myndu trufla rafgreiningarferlið, svo þau eru fjarlægð með Bayer ferlinu:
• Báxít er mulið og blandað með heitu, þéttu natríumhýdroxíði (NaOH) lausn. Áloxíð leysist upp í basa til að mynda natríum ál (Naalo₂), en óhreinindi eins og járnoxíð eru áfram fast og eru síuð út.
• Natríumálatlausnin er síðan kæld og álhýdroxíð (Al (OH) ₃) kristallar eru felldir með því að bæta við frækristöllum.
• Þessir kristallar eru hitaðir í um 1.000 gráðu í snúningsofni, þar sem þeir sundra í hreint áloxíð (al₂o₃) og vatnsgufu. Þetta hreinsaða áloxíð, þekkt sem súrál, er lykilhráefni fyrir rafgreiningu.
2. Undirbúningur salta: lækka bræðslumark
Áloxíð hefur afar háan bræðslumark (yfir 2.000 gráðu), sem gerir það óframkvæmanlegt að bráðna beint fyrir rafgreiningu. Til að draga úr rekstrarhita er það leyst upp í bráðnu salta sem kallast kryólít (na₃alf₆), sem hefur mun lægri bræðslumark (um 1.010 gráðu). Með því að bæta við litlu magni af öðrum flúoríðum (td álflúoríði, Alf₃) aðlagar eiginleika raflausnar enn frekar og lækkar bræðslumark þess í um 950–970 gráðu - tilvalið fyrir skilvirka rafgreiningu.
3.
Rafgreiningarfruman sem notuð er í salnum - hefoult ferli er stór, rétthyrnd tankur fóðraður með eldföstum efnum til að standast hátt hitastig. Það samanstendur af tveimur lykilþáttum:
• Bakskaut: Botn og hliðar frumunnar eru fóðraðir með kolefnismúrsteinum, sem virka sem bakskaut. Þessir kolefnum múrsteinar leiða rafmagn og veita stöðugt yfirborð til að safna bráðnu áli.
• Anodes: Svifbundin fyrir ofan bakskautið eru margfeldi kolefnisbúnaðar, venjulega gerðir úr fyrir - bakaðar kolefnisblokkir. Þessir rafskautar eru tengdir við aflgjafa og dýfa í bráðna salta.
Fruman er fyllt með bráðnu kryólít salta og hreinsað áloxíð er stöðugt bætt við til að viðhalda stöðugum styrk.
4.. Rafgreiningarferlið: umbreyta áloxíði í ál
Þegar rafstraumur er látinn fara í gegnum klefann (venjulega 100.000–300.000 magnara) koma eftirfarandi viðbrögð fram:
• Við bakskautið: Áljónir (Al³⁺) í salta laðast að neikvæða hlaðna bakskautinu, þar sem þeir öðlast rafeindir og eru minnkaðir í bráðið ál:
Al³⁺ + 3 e⁻ → Al (l)
Bráðna áli, sem er þéttara en salta, sekkur neðst í frumunni og safnast upp á bakskautinu.
• Við rafskautið: Oxíðjónir (O²⁻) frá áloxíði laðast að jákvæðu rafskautinu. Þeir missa rafeindir og bregðast við kolefnisskautinu til að mynda koltvísýring:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻​
C (s) + o₂ (g) → co₂ (g)
Þessi viðbrögð neyta kolefnisbúnaðarins með tímanum, þannig að þeim verður að skipta um reglulega. Bráðna áli er sippað frá klefanum með reglulegu millibili (venjulega á 1-2 daga fresti) og varpað í ingots eða unnið frekar.
5. Kröfur um orku og umhverfissjónarmið
Rafgreining er orka - ákafur ferli: Að framleiða eitt tonn af áli þarf um það bil 13.000–16.000 kWst rafmagn. Af þessum sökum eru álbrjóst oft staðsett nálægt vatnsaflsvirkjunum eða öðrum uppsprettum með lágum - kostnaði, endurnýjanlegri orku til að draga úr kostnaði og umhverfisáhrifum.
Ferlið býr einnig til koltvísýring (CO₂) frá neyslu rafskauta, sem stuðlar að losun gróðurhúsalofttegunda. Til að takast á við þetta eru vísindamenn að þróa óvirkan rafskaut (td keramik eða málmblöndur) sem bregðast ekki við súrefni og útrýma losun co₂. Meðan þeir voru enn á tilraunastiginu gætu óvirkar rafskautar gjörbylt álframleiðslu með því að gera það sjálfbærara.
6. Post - Vinnsla: Hreinsun og steypu
Bráðna áli sem dregið er út úr rafgreiningarfrumunni er venjulega 99,5–99,8% hreint. Fyrir há - hreinleika forrit (td geim- og íhluta) gengur það undir frekari betrumbætur með því að nota tækni eins og rafgreiningarhreinsun eða tómarúm til að fjarlægja óhreinindi eins og járn og sílikon. Hreinsaða áli er síðan varpað í ingots, blöð eða önnur form til notkunar í framleiðslu.
Niðurstaða
Rafgreining er hornsteinn álútdráttar, sem gerir kleift að umbreyta áloxíði úr báxít í hreint, nothæft ál. Hallinn - hefoult ferli, með treyst á bráðnar kryólít raflausnir og kolefnisrafskaut, hefur verið betrumbætt á öld til að halda jafnvægi á skilvirkni og sveigjanleika. Þrátt fyrir að áskoranir eins og mikil orkunotkun og samhliða losun haldi áfram, lofar áframhaldandi nýjungar - eins og óvirkar rafskautar og háþróaðar raflausnir - að gera álútdrátt sjálfbærari í framtíðinni. Í bili er salurinn - hefoult ferli áfram burðarás alþjóðlegrar álframleiðslu og knýr atvinnugreinar frá framkvæmdum til flutninga.