استخراج آلومینیوم

تاریخچه و روش استخراج آلومینیوم

آلومینیوم موجود در پوسته زمین تماماً بصورت ترکیبی است و ۷٫۵ درصد کل پوسته زمین را تشکیل می دهد که پس از اکسیژن (۴۹٫۲ درصد) و سیلیسیم (۲۵٫۸ درصد) سومین عنصر فراوان از نظر کمیت بوده است. این در حالیست که آهن پر مصرف و قدیمی صرفا ۴٫۳ درصد پوسته زمین را تشکیل می دهد.

باوجود آنکه امروزه آلومینیوم پس از فولاد پر مصرف ترین فلز جهان محسوب می شود ،اما پیشینه وسابقه تولید این فلز حتی به دو قرن هم نمی رسد ودر مقایسه با فولاد و مس که از فلزات دیر آشنای صنعت هستند فلزی جوان محسوب می شود که توانسته است با عمری کوتاه ،جایگاه مصرفی وارزش بالایی را در صنایع مختلف به خود اختصاص دهد. دلیل عمرکوتاه وعدم استفاده از این فلز در سالهای پیشین، نوع سنگ معدن و نحوه استخراج آلومینیوم از آن می باشد. مشکل وهزینه بر بودن استخراج آلومینیوم از سنگ معدن اکسیدی آن (روش الکترولیز)باعث تاخیر حضور این فلز در توسعه صنعتی تا سالهای پس از آغاز قرن نوزدهم شد.

بالاخره در سال ۱۸۸۶ دانشمند آمریکائی C.M.Hall  و دانشمند فرانسوی P.L.Heroult بطور همزمان و جداگانه موفق شدند که با حل کردن آلومینا در کریولیت مذاب و عبور دادن جریان برق، از محلول الکترولیتی بدست آمده فلز آلومینیوم را جدا نمایند. این دو دانشمند هر دو متولد ۱۸۶۳ (اولی در تاریخ ۶ دسامبر و دومی در تاریخ ۱۰ آوریل) C.M.Hall در امریکا و P.L.Heroult  در فرانسه بودند .

هردو جداگانه در یک زمان (۱۸۸۶) اساس تولید آلومینیوم بطریق الکترولیز مذاب اکسید آلومینیوم حل شده در کریولیت را آنچنانکه امروزه متداول است بنام خود ثبت و راه نوینی را در جهت تولید یکی از مهمترین فلزات گشودند.

جالبترین مطلب در مورد این دو دانشمند آن بود که گر چه هر یک مستقل و بافاصله هزاران کیلو متر دور از هم در کشور خود به تحقیق مشغول بودند ولی به فاصله دو ماه تقاضای ثبت کار خود را از کشورهای خود نمودند. تاریخ تقاضای Heroult در ۲۳ آوریل ۱۸۸۶ وHall  در ۹ ژوئیه همان سال بود . این کشف به اسم، هال و هرولت  ثبت گردید .موضوع دیگر آنکه تاریخ فوت دو دانشمند، که هر دو در سال ۱۹۱۴، هال در تاریخ ۲۷ دسامبر و هرولت در تاریخ ۹ مه اتفاق افتاد نیز طول عمری مساوی را برای آنها بر جای گذاشت.

متعاقب این اکتشاف در سال ۱۸۸۸، بایر(K.G.Bayer)  آلمانی توانست با حل کردن بوکسیت ناخالص در سود سوزآور و بدست آوردن آلومینات سدیم و حل کردن آن در آب و در نتیجه ته نشین  شدن هیدرات آلومینیوم که پس از تبخیر آب هیدرات،آلومینای خالص(AL2O3)و سفید رنگی بدست می‌دهد، تحولی بزرگ در تهیه آلومینا بوجود آورد در نتیجه پروسس Hall-Heroult بهمراه پروسس Bayer پایه های صنعت تولید آلومینیوم را تشکیل دادندکه پس از گذشت حدود ۱۳۰ سال هنوز هم اساس تولید آلومینیوم در دنیا به همان روال ادامه دارد البته در طی این زمان تکنولوژی تولید، پیشرفت‌های چشمگیری داشته است.

اصول تهیه و روش تولید از ابتدا تا به امروز فرق چندانی نکرده و در طول مدت با پیشرفت تکنولوژی بتدریج ظرفیت واحدها و راندمان تولید بالا رفته و نیز مصرف انرژی کاهش یافته است و بطور خلاصه تکنولوژی تهیه این فلز به لحاظ کمی و کیفی پیشرفت یافته است بعنوان مثال دیگ های ‌اولیه با ابعاد کوچک با ۸ کیلو آمپر و ۳۸ کیلو وات ساعت مصرف انرژی الکتریکی برای هر کیلو گرم آلومینیوم کار می کردند ؛ در حالیکه آخرین تکنولوژی دیگهای جدید با ابعاد بزرگ و با ۶۰۰ کیلو آمپر شدت جریان و مصرف ۱۲ کیلو وات ساعت به ازای هر کیلوگرم آلومینیوم کار می کنند .

هال- هرولت و بایر مسئول تولید عملی آلومینیوم تجارتی محسوب می گردند. در طول مدت فقط، قیمت یک کیلو آلومینیم خالص تولیدی از ۱۲۰۰ دلار به حدود ۱٫۸ دلار رسید.

روش های جایگزین روش ها- هرولت

سالهاست که کوشش‌هایی در جهت جایگزینی روش هال-هرولت به روش اقتصادی دیگر در جریان است، و تا امروز موفقیت چشمگیری بدست نیامده است. روشهای مختلفی که مراحل آزمایش خود را می‌گذرانند عبارتند از:

عدم استفاده از فلورایدها و کربن خالص نکات جالب در گزینه‌های جدید هستند. از طرف دیگر پروسه ‌هال- هر ولت مقدار متنابهی گاز  تولید می‌کند در حالیکه پروسه‌های فوق تولید گاز CO می‌نماید و این به این معنی است که مصرف کربن به ازاء هر کیلوگرم آلومینیوم تولیدی در گزینه‌های جدید بیشتر از روش هال-هرولت می باشد.

مصرف برق گزینه جدید هم عامل مهمی برای ارزیابی است. پروسه هال – هرولت از نظر راندمان انرژی زیاد مناسب نیست زیرا در بهترین حالت راندمان انرژی این پروسه ۴۵ درصد است که دلیل آن از بین رفتن انرژی حرارتی دیگ و افت ولتاژ در مدار خارجی دیگ (باس‌بار، آند، کاتد) می باشد. یکی از مزایای دستیابی به دیگMultipolar  جهت الکترولیز آلومینیوم تری‌کلراید، کاهش افت ولتاژ در مدار خارجی دیگ و در نتیجه صرفه‌جوئی انرژی است.

بوجودآوردن آندهای خنثی غیرمصرف‌ شونده در پروسه هال-هرولت، انقلابی بزرگ در صنعت آلومینیوم است. این آند باید هادی خوبی برای برق و غیرمحلول در الکترولیت باشد. با توجه به اینکه احتمال تجاری شدن آندهای غیرمصرف‌شونده طی ده سال آینده وجود دارد،

استفاده از آندهای خنثی نه تنها مانع از تولید گازهای گلخانه ای می شود، بلکه با استفاده از این آندها هر واحد تولیدی آلومینیوم به تنهایی به یک منبع تولیدکننده عظیم از اکسیژن بدل خواهد شد. از طرف دیگر، عدم نیاز به جایگزینی و عمر بالای این آندها در قیاس با آندهای کربنی، می تواند در کاهش هزینه های تولید کمک شایانی کند. امروزه تهیه آلومینیوم اولیه از فرآیند Hall-Hercult برای احیای آلومینا و تولید آلومینیوم بهره می برد. در این فرآیند آلومینا در الکترولیتی از مذاب کرولیت حل شده و با اعمال جریان برق مستقیمی آلومینیوم احیا می شود. به دلیل مقاومت بالای الکترولیت، اعمال جریان برای احیای آلومینیوم با گرمایش زیادی همراه است که علاوه بر مذاب نگه داشتن کرولیت، آلومینیوم احیاشده به صورت مذاب خارج می شود.

عمدتاً به دلیل دمای بالای فرآیند، آندهایی نیاز است تا بتواند علاوه بر تحمل دمای بالا، رسانایی بالایی نیز در آن دما داشته باشد. از این رو عموماً از آندهای کرینی برای این منظور استفاده می شود. گرچه استفاده از آندهای کرینی مزیت های گفته شده بالا را دارد (رسانایی بالا در دمای بالا)، ولی کرین موجود در آند با اکسیژن رهاشده در هنگام احیا شدن آلومینا واکنش انجام داده و گازهای دی اکسیدکربن یا مونواکسیدکربن تشکیل می دهد. همین امر سبب می شود که به ازای هر ۲۶ تا ۳۰ روز، نیاز به جایگزینی آندهای کربنی جدید باشد. به طور کلی به ازای تولید هر تن آلومینیوم اولیه، حدود ۰٫۴-۰٫۵ تن کرین مصرف می شود، تولید گازهای گلخانهای همچون دی اکسیدکربن از ملزومات فعالیت صنعتی خواهد شد. از این منظر، استفاده از تکنولوژی های نوینی که سبب کاهش تولید گازهای گلخانه ای شود در اولویت تولیدکنندگان خواهد بود. در سالهای اخیر شرکت روسال، به عنوان یکی از شرکت های پیشرو در صنعت آلومینیوم در حال طراحی و توسعه آندهای خنثی بود که تنها امکان انجام نیم واکنش های اکسیداسیون را روی سطح الکترود فراهم می آورد و خود، وارد واکنش نمی شود. امیدوار است به زودی تکنولوژی تولید آندهای خنثی را روانه بازار نماید.

استفاده از این نوع آندها نه تنها مانع از تشکیل گاز گلخانه ای دی اکسیدکربن شده، بلکه سبب تولید گاز اکسیژن نیز می شود. به این ترتیب به ازای تولید هر تن آلومینیوم حدود ۰٫۹ تن اکسیژن خالص وارد اتمسفر می شود. به عبارتی هر سلول احیا در این فرآیند همانند یک جنگل انیوه ۷۰ هکتاری عمل خواهد کرد. استفاده از آندهای خنثی، علاوه بر مزیت های زیست محیطی چشمگیری که گفته شد، در کاهش هزینه های تولید نیز تأثیرگذار است.

در سال ۱۹۷۳ شرکت Alcoa اعلام کرد که پس از چندین سال تحقیقات موفق به ابداع روش جدیدی برای احیاء آلومینیوم شده و بر اساس آن کارخانه Palestine  در تگزاس را با ظرفیت ۱۵۰۰۰ تن در سال و با توسعه احتمالی تا ۳۰۰۰۰ تن را بنا کرد. بخشی از این کارخانه در سال ۱۹۷۶ شروع بکار کرد. در این روش بجای اکسید آلومینیوم از کلرور آلومینیوم استفاده شده که پس از الکترولیز آن آلومینیوم آزاد می‌گردد. تولید کلرور آلومینیوم بوسیله راکتور که Al2O3 بسیار خالص و مخلوط شده با کربن را به AlCl3 تبدیل می‌نماید انجام می‌شود.

ادامه کار این روش با مشکلاتی همراه بوده که شرکت مذکور  نتوانست آنها را حل نماید. از نکات جالب این روش، مصرف انرژی کمتر، حذف شدن فلوئور از محیط کار، درجه حرارت پائین الکترولیز و مصرف نشدن آندهای کربن است.

صنعت آلومینیوم از جمله صنایعی است که به سرمایه‌گذاری زیاد نیاز دارد و هر گزینه جدیدی که بتواند مقدار سرمایه‌گذاری به ازاء هر تن آلومینوم را کاهش دهد جالب و دنبال‌کردنی است.

بنظر می‌رسد که روش الکترولیز کلراید الومینیوم بتواند جانشین روش هال-هرولت بشود، زیرا اولاً دارای مصرف انرژی مناسب‌تری است و ثانیاً این احتمال وجود دارد که بتوان مستقیماً از بوکسیت یا خاک رس(Clay) آلومینیوم کلراید تهیه کرد که هزینه های تولید آلومینیوم را بشدت کاهش خواهد داد.

 Aloca   با ساخت واحد Palestine مورد اعتماد بودن این روش را اعلام کرده است. البته این واحد در حال حاضر مورد بهره‌برداری نمی باشد.

نتیجه اینکه در حال حاضر ، روش هال-هرولت پشتوانه اصلی صنعت تولید الومینیوم می باشد. بهرحال کاوش برای یافتن گزینه جدید ادامه خواهد داشت و شاید در سال های آینده روش قابل رقابت با روش هال-هرولت پیدا شود. در حال حاضر کارخانجات جدید نیز با روش هال-هرولت ساخته می شوند و تلاش ها در جهت افزایش هر چه بیشترآمپراژ و کاهش مصرف انرژی ادامه دارد و پروسه به سمت اتوماسیون و مکانیزه شدن بیشتر پیش می‌رود.