Производство алюминия. Алюминий – самый распространённый металл в природе (общее содержание в земной коре ~8,8 %)

Алюминий – самый распространённый металл в природе (общее содержание в земной коре ~8,8 %). Электрохимический способ получения алюминия открыт в 1886 году, сейчас способ тот же, но аппаратурное оформление – современное. Ежегодное производство ~3 млн. тонн. Алюминий используется в авиа- и автостроении в виде сплавов с Mn, Mg, Cu, Si, Ni, Zn, а также широко используется в электротехнической промышленности (провода). В СССР ~12 заводов по производству Al, 2 на Урале (БАЗ, УАЗ).

Сырьё для производства:

1. Бокситы Al₂O₃ – 50-60%, SiO₂ + Fe₂O₃ + TiO₂ – 5-10%, H₂O – 10-30%;

2. Нефелин 3Na₂O×K₂O×4Al₂O₃×9SiO₂;

3. Алунит K₂SO₄×Al₂(SO₄)₃×4Al(OH)₃;

4. Каолин Al₂O₃ ~ 40% (также содержит SiO₂) – из них выгодно сразу получать силумин (сплав Al+Si);

Электролитом для производства Al служит расплав глинозёма с криолитом Al₂O₃+Na₃AlF₆.

I. Получение глинозёма.

1) Метод Байера (из бокситов, Si< 4%).

Необходимо избавиться от Fe, Si, Ti:

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (раствор)

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O (раствор)

Часть Al уходит в осадок (побочная реакция):

NaAlO₂ + Na₂SiO₃ ® Na₂O×Al₂O₃×2SiO₂↓

Поэтому, чтобы было меньше потерь Al, перерабатывают сырьё содержащее мало SiO₂. Далее:

NaAlO₂ + 2H₂O = Al(OH)₃↓ + NaOH

2Al(OH)₃ Al₂O₃ + 3H₂O

Все процессы, кроме обжига, проводят в растворе.

2) Метод Яковкина и Линеева.

Метод применим к сырью, содержащему много SiO₂. Он основан на спекании нефелина с известняком при Т = 1000-1200°С. При этом образуются NaAlO₂, NaFeO₂ (алюминат и феррит натрия), CaSiO₃.

Al₂O₃ + Na₂CO₃ → Na₂O∙Al₂O₃ + CO₂↑ T = 700°C

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ → Na₂O∙Fe₂O₃ + CO₂↑ T=700° C

Na₂O∙Fe₂O₃ + Al₂O₃ → Na₂O∙Al₂O₃ + Fe₂O₃ T>900° C

Na₂O∙Al₂O₃ + 2SiO₂ → Na₂O∙Al₂O₃∙2SiO₂ T>900° C

Затем

Na₂O∙Al₂O₃∙2SiO₂ + 2CaO → Na₂O∙Al₂O₃ + 2CaSiO₃ (2CaO∙SiO₂)

Получают смеси: Na₂O∙Al₂O₃, Na₂O∙Fe₂O₃, CaSiO₃ (2CaO∙SiO₂), Na₂O∙SiO₂.

Эти смеси размалывают и выщелачивают, при этом в раствор переходят силикат и алюминат натрия, в отвал – Fe₂O₃, CaSiO₃.

Добавляют известковое молоко и отводят CaO∙Al₂O₃∙2SiO₂ в осадок.

Далее идут стадии карбонизации 2NaAlO₂ + CO₂ + 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + Na₂CO₃

и обжига 2Al(OH)₃ Al₂O₃ + 3H₂O

II Получение криолита.

Его получают искусственным путём из флюоритов (CaF₂+SiO₂)

Схема процесса:

CaF₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2HF↑

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + H₂O побочная реакция

SiF₄ + 2HF = H₂SiF₆ побочная реакция

6HF + Al(OH)₃ = H₃AlF₆ + 3H₂O

2H₃AlF₆ + 3Na₂CO₃ = 2 Na₃AlF₆ + CO₂↑ +3H₂O

Осадок фильтруют и сушат.