Алюминий: производство, свойства и экологическое воздействие

Алюминий — третий по распространенности элемент в земной коре, составляющий около 8% почв и горных пород. Кислород и кремний доминируют остальное — 47% и 28% соответственно. В природе алюминий существует только в соединениях с элементами вроде серы, кремния и кислорода. Чистый металлический алюминий можно получить только из оксидных руд.

Металлический алюминий ценится за легкость, высокую прочность, немагнитность, нетоксичность. Он проводит тепло и электричество, отражает свет, сохраняет прочность при экстремальных температурах без хрупкости. Тонкий невидимый оксидный слой мгновенно образуется на поверхности, давая естественную коррозионную стойкость. Более того, алюминий — один из самых перерабатываемых материалов в мире, с высокой экономической отдачей от вторичного сырья.

Исторический фон

Алюминиевые соединения использовались тысячелетиями. Около 5000 г. до н.э. персидские гончары создавали самые прочные глиняные сосуды, добавляя аллюмину. Древние египтяне и вавилоняне применяли алюминиевые соли в красках, косметике, медицине. Только в начале XIX века элемент был изолирован в чистом виде. Из-за сложности извлечения алюминий долго оставался так же редким и ценным, как серебро.

В 1886 году два юных ученых — Холл в США и Эру в Франции — независимо разработали электролитический процесс Холла-Эру, сделавший крупнотоннажное производство возможным. Процесс Баера, запатентованный в 1888 году австрийским химистом Карлом Баером, очистил руду и стал необходим для роста отрасли. К 1884 году США производили 60 кг алюминия, цена примерно равнялась серебру. В 1995 году американские заводы выплавляли 3,6 млн тонн алюминия, тогда как серебро оставалось в 75 раз дороже за единицу.

Сырье

Ценнейшая руда для получения чистого алюминия — боксит, содержащий 45–60% оксида алюминия вместе с примесями: песок, железо, следы металлов. Часть месторождений — твердая порода, большинство — мягкие, легко добываемые открытым способом. Австралия поставляет более трети мирового боксита. Примерно 2 кг боксита требуются для 0,5 кг алюминия.

Каустическая сода (гидроксид натрия) растворяет алюминиевые соединения в боксите, отделяя от примесей. В зависимости от состава руды добавляют небольшие количества крахмала, извести или сульфида натрия.

Производство алюминия включает два главных этапа: процесс Баера, очищающий боксит в альтину (Al₂O₃), и процесс Холла-Эру, электролитически выплавляющий альтину в чистый металл.

Криолит (Na₃AlF₆) служит электролитом в выплавке. Исторически добывали в Гренландии, теперь синтезируют. Фторид алюминия добавляют для снижения температуры плавления электролита.

Углеродные электроды проводят электрический ток через электролит. При выплавке углерод реагирует с кислородом, образуя CO₂. Примерно 0,2 кг углерода расходуется на 2,2 кг алюминия. Часть углерода идет из побочных продуктов нефтепереработки, остальное — из угля.

Поскольку процесс Холла-Эру требует больших токов, он потребляет значительную электроэнергию. Производство 1 кг алюминия типично требует 15 кВт·ч электроэнергии, что составляет около трети стоимости выплавки.

Производственный процесс

Производство алюминия делится на процесс Баера и процесс Холла-Эру.

Процесс Баера

• 1. Боксит механически дробят и смешивают с каустической содой, затем помолят в тонкую суспензию.
• 2. Суспензию качают в дигестер — по сути автоклав — нагревают до 110–270 °C под 340 кПа на 30 минут – несколько часов. Дополнительная каустическая сода гарантирует полное растворение алюминиевых соединений.
• 3. Горячая суспензия, теперь раствор натрий-алюмината, проходит через флеш-баки, снижающие давление и рекуперирующие тепло для повторного использования.
• 4. В отстаивателе нерастворимые примеси оседают на дно как «красная грязь». Растворимый алюминий остается в жидкости.
• 5. Чистая жидкость фильтруют через ткань для улавливания оставшихся мелких частиц. Промывка фильтра дает повторно используемую альтину и каустическую соду.
• 6. Кристаллы-семена гидрата альтины вводят в серию шестиэтажных осадочных баков. По мере охлаждения раствора кристаллы растут и оседают на дно.
• 7. Кристаллы промывают, затем кальцинируют в печи 1100 °C для удаления связанной воды, получая безаводную альтину. Холодильник за печью доводит продукт до комнатной температуры.

Процесс Холла-Эру

Выплавка происходит в сталевых редукционных ваннах, облицованных углеродом. Верхние электроды — углеродные стержни, подвешенные над расплавленным алюминием. Ванны выстраивают в линии (потлайн) по 50–200 единиц, каждая линия производит 60–100 тыс. тонн алюминия в год. Типичный завод содержит две-три потлайны.

• 8. Внутри каждой ванны альтина растворяется в расплавленном криолите при 960–970 °C, образуя электролит. Постоянный ток 4–6 В и 100–230 кА проходит через, разрывая Al–O связи. Кислород реагирует с углеродными стержнями, образуя CO₂; расплавленный алюминий собирается на дне.
• 9. Процесс непрерывен: альтина дозают по мере разложения, постоянный ток и тепло держат смесь расплавленной. Периодически корка на верхушке ломают для дозации альтины. Сифонный алюминий собирают в тигель, движущийся по потлайну, накапливая 4000 кг металла 99,8% чистоты. Расплав литуют в длинные горизонтальные чуаны, охлаждают водой, режут на слитки.

Побочные продукты и отходы

Альтина, промежуточный продукт процесса Баера, сама ценна. Это белое порошкообразное вещество используется в моющих средствах, зубных пастах, люминесцентных лампах, керамике (зубные протезы, свечи зажигания, бронестекла), шлифовальных пастах, катализаторах, взрывчатке, даже ракетном топливе — каждый запуск шаттла потребляет 180 000 кг альтины. Около 10% ежегодной альтины уходит на эти альтернативные использования.

Первичный отход при обогащении боксита — «красная грязь». На тонну альтины выпадает примерно тонна красной грязи. Хотя она содержит железо, титан, натрий, остаточную альтину, экономически эффективного метода рекуперации нет. Обычно хранят в лунках до высыхания, затем разбрасывают по земле.

Выплавка также генерирует парниковые газы. Американские заводы ежегодно выбрасывают ~5,5 млн тонн CO₂ и 3300 тонн перфторуглеродов. Кроме того, около 120 000 тонн отработанной облицовки ванн (SPL) — классифицированной EPA как опасная — удаляют ежегодно. Первый завод по переработке SPL открылся в 1996 году, превращая материал в стеклянную фрит для керамической плитки, стекловолокна, черепицы.

Будущее

Большинство американских алюминиевых производителей входят в Добровольное алюминиевое промышленное партнерство (VAIP), сотрудничая с EPA для решения экологических вызовов. Текущие исследования фокусируются на разработке инертных электродных материалов для замены углерода. Перспективный композит титан-диборид-графит мог бы устранить парниковые выбросы и сократить энергозатраты выплавки на 25% при коммерциализации.