Основные способы получения алюминия

Какие существуют? Основные способы получения алюминия – извлечение из бокситовой руды, переработанных шлаков или отходов, то есть повторное использование уже существующего металла.

Насколько все сложно? Процесс достаточно трудоемок, так как включает в себя несколько последовательных этапов. Кроме того, для добычи алюминия требуется много разного и весьма дорогостоящего оборудования.

Свойства алюминия

Алюминий — это металл серебристо-белого цвета, обозначаемый в таблице Менделеева как Al и имеющий атомный номер 13. По распространенности в земной коре элемент находится на третьем месте после кислорода и кремния. Содержание алюминия в недрах составляет около 8 %. Для сравнения: аналогичный показатель золота не превышает миллионных долей процента.

Приведем основные физические свойства данного элемента.

• Плотность: 2,7 г/куб. см (у железа этот параметр равен 7,85).
• Температура плавления +600 градусов Цельсия (у железа– +1535).
• Высокие тепло- и электропроводность.
• Способность притягиваться магнитом только внутри магнитного поля (парамагнетизм).
• Кристаллическая решетка, центрированная по граням.

После восстановления из оксидов в металле остаются примеси в виде кремния, цинка, титана, железа и меди. Данные элементы оказывают непосредственное влияние на физические и технологические характеристики алюминия. От степени чистоты металла зависят его электро- и теплопроводность, устойчивость к коррозии. Чем меньше в алюминии примесей, тем выше его рыночная цена.

Фото: Irina Iacob / Unsplash

Вкратце перечислим основные механические свойства: предел прочности после холодного пластического деформирования 150 МПа, относительное удлинение 50 %.

Далее рассмотрим химические особенности металла.

• Алюминий химически активен, в мелких фракциях и при высокой температуре взаимодействует с кислородом, фосфором, углеродом, азотом, серой и йодом. При комнатном тепле — с бромом, хлором и элементами щелочной группы.
• Активно соединяется с другими металлами, образуя сплавы. В получаемых элементах образуются интерметаллические соединения (алюминиды).
• С появлением на поверхности металла оксидной пленки он приобретает коррозионную стойкость в атмосфере и воде, становясь инертным к органическим кислотам. Очистка от данного защитного слоя способствует активному взаимодействию с влагой.

Алюминий поддается механической обработке и пригоден для сварки разными способами.

Способ получения алюминия из бокситовой руды

В природе он впервые был обнаружен Парацельсом еще в 16 веке. Ученый получил окислы неизвестного ранее металла из квасцов. Спустя пару столетий подобный опыт осуществил Андреас Сигизмунд Маргграф. Из так называемой «квасцовой земли» также был выделен похожий элемент.

Лишь в 1825 году удалось получить металл, который впоследствии назвали алюминием (в переводе с латыни «вяжущий»). Опыт осуществил Ханс Эрстед. Благодаря работе ученого позднее разработали основной способ получения алюминия.

В чистом виде этот металл практически не присутствует в природе. Это связано с его свойством быстро окисляться под действием воздуха (пассивация) с образованием защитного слоя толщиной несколько нанометров.

Данное покрытие представляет собой оксид алюминия, который, вступая в реакцию с водой (частичный гидролиз), образует гидроксид.

Добыча руды

Для этого используются бокситные месторождения. Именно из данной руды в основном извлекается необходимый металл. Дело в том, что в бокситах содержится оксид алюминия. Признаком их качества является содержание металла, превышающее 50 %.

Бокситная горная порода может быть плотной или рыхлой. Кроме того, они различаются по оттенку, зависящему в основном от содержания железа. Наиболее насыщенная этим элементом руда будет иметь яркий рыжий цвет. Но вместе с тем в природе встречаются белые, серые, темно-зеленые, желтые и даже разноцветные бокситы.

Производство глинозема

Добытые бокситы необходимо переработать в глинозем (оксид алюминия). Он представляет собой мелкодисперсный белый порошок.

Но для этого необходимы исключительно качественные бокситы с минимальным содержанием примесей. Метод Байера реализуется в три этапа:

• дробление и перемалывание руды для выявления зерен алюминия в ее составе;
• выщелачивание размолотого оксида путем растворения в концентрированной щелочи с добавлением извести;
• декомпозиция (получение алюмината натрия после гидролиза и кристаллизации).

В результате этой переработки образуется красный шлам, имеющий вид плотной массы и состоящий главным образом из кремниевых и железистых соединений. Данный продукт затем используется в производстве бетона, чугуна и в других производственных отраслях.

Глинозем могут также получать спеканием — менее распространенным способом по сравнению с методом Байера. Хотя ресурсов при этом затрачивается больше, допускается использование бокситов с высоким содержанием примесей.

Электролиз

Полученный глинозем подвергают гидролизу в ванне с расплавленным криолитом.

Фото: wavebreakmedia_micro / Freepik

Данная среда обладает высокой электропроводностью, что позволяет пропускать через массу ток силой более 400 кА. Это необходимо для отделения атомов алюминия от кислорода и его оседания на дне емкости. Жидкий металл затем собирают вакуумными ковшами для последующей отправки в литейный цех, где уже производят готовые слитки.

Получение очищенного алюминия

После процедуры электролиза металл зачастую содержит множество примесей — кремний, углерод, цинк, азот, водород и др. Данные включения ухудшают качество получаемого элемента. По этой причине алюминий требует последующего рафинирования (очистки от примесей). Операция может быть выполнена путем продувания металла хлористым раствором. Также используется электролитическое рафинирование по трехслойной технологии. Обе этих методики позволяют добиться чистоты металла до 99,9 %.

Способ получения алюминия электролизом является весьма трудоемкой процедурой, для которой необходимо соответствующее технологическое оборудование. Кроме того, на операцию затрачивается много электроэнергии. Это вынуждает строить производство неподалеку от действующих источников электричества.

В частности, для выработки алюминия предприятия оснащаются техникой для раздачи глинозема, катодной ошинковкой, установками очистки газов, монтажными и линейными кранами, электролизером. Получаемый металл необходимо обрабатывать и дальше, для чего дополнительно монтируется соответствующее оборудование.

Способ получения алюминия из переработанных шлаков

Нагрев шлаков в бескислородных печах называется пиролизом. Образуемый материал служит сырьем для получения металла. В печах происходит разделение шлаков на твердые фракции и на газ, насыщенный алюминием. Осадок в дальнейшем тоже идет в ход. Например, он применяется в строительной отрасли.

Шлаки могут перерабатываться также гидрометаллургическим способом. Извлечение алюминия из массы в этом случае производится под действием щелочного раствора. Получаемый чистый металл далее поступает к потребителям для изготовления широчайшего спектра продукции в автомобильной, авиационной и строительной отраслях.

Методика привлекательна в силу экономической эффективности именно по указанной причине.

Способ получения алюминия из отходов

Кроме шлаков, упомянутых выше, во вторичном производстве применяются и другие отходы, в том числе и сам алюминий. Эта методика называется рециклинг. Для нее, в частности, собираются б/у алюминиевые изделия (банки, фольга и т. п.), автомобильные детали и стройматериалы.

Металлолом, состоящий из алюминия, перерабатывается в несколько этапов. Сначала он сортируется по типу и составу. Затем механически либо химически очищается от посторонних включений (пластмасса, резина, стекло). После этого необходимо расплавить и дополнительно очистить алюминий методом рафинирования. Примеси после нагрева металла до температуры плавления легко удаляются.

Возможные способы получения алюминия включают в себя также извлечение сырья из отработанных электрических проводов и кабелей. При этом происходит вторичная переработка алюминиевых изделий для повторного использования металла.

Фото: David Hofmann / Unsplash

Дополнительным источником алюминия является также красная глина, которая остается после использования бокситовых руд. В ней может содержаться до 30 % металлических включений. Но глина в массовом производстве практически не используется и считается отходом, по причине чего отправляется на свалки. Данная практика продолжается несмотря на существование технологии, позволяющей извлекать алюминий из остаточной красной глины.

Получая металл из отходов, предприятия способствуют улучшению экологической обстановки. Вторичная переработка также снижает зависимость от использования природных источников алюминия.

Часто задаваемые вопросы о способах получения алюминия

Из каких месторождений бокситов в основном получают металл?

Проблема их разработки заключается в ограниченных запасах. На сегодня залежи руды активно используются всего в нескольких странах: Россия, Китай, Индия, Австралия, Греция, Турция, Бразилия, Венесуэла, Гвинея и Суринам.

Относительно богатые российские месторождения бокситов имеются на Урале, в Алтайском и Красноярском краях, в отдельных районах Ленинградской и Мурманской областей.

Получать алюминий из руды можно только баэровским способом?

Этот металл может добываться по-разному.

Существует голландский способ. Берется оксид алюминия и растворяется в криолите — смеси с содержанием фтора. Вещество подвергается электролизу для получения чистого алюминия.

Есть метод Фрехета. Здесь ключевую роль играет высокая температура. При ней идет восстановление оксида алюминия при участии углерода.

Применяется каскадный метод Карзона. Тут поочередно идут несколько этапов: сперва оксид алюминия растворяют в хлориде алюминия, последним шагом выделяют металл.

Есть метод Фрайса. Исходное вещество – гидроксид алюминия – при определенных реакциях осаждается из раствора. Полученный осадок обрабатывается с применением криолита и электролиза. На выходе получают восстановленный алюминий.

Сколько глинозема требуется для получения килограмма алюминия?

Значительная доля бокситов при добыче металла теряется или уходит в примеси. Условно можно принять, что из 1,9 кг глинозема получается 1 кг чистого алюминия. Это ориентировочное значение, и оно колеблется в значительных пределах. Свое влияние оказывают качество руды, тип используемого оборудования и прочие факторы.

Чистый алюминий обладает легкостью, прочностью, высокой теплопроводностью, к тому же его легко обрабатывать. Поэтому металл востребован во многих отраслях.

Изображение в шапке статьи: Mykola Kolya Korzh / Unsplash