Sut i echdynnu alwminiwm trwy electrolysis?

Alwminiwm yw un o'r metelau mwyaf niferus yng nghramen y Ddaear, ond anaml y mae'n bodoli yn ei ffurf bur ei natur. Yn lle, fe'i ceir yn nodweddiadol mewn mwynau fel bocsit, sy'n cynnwys alwminiwm ocsid (al₂o₃). Mae tynnu alwminiwm pur o'r mwynau hyn yn gofyn am gyfres o brosesau cymhleth, gydag electrolysis yw'r cam craidd sy'n trawsnewid alwminiwm ocsid yn alwminiwm metelaidd. Mae'r broses héroult neuadd -, a ddatblygwyd ar ddiwedd y 19eg ganrif, yn parhau i fod y dull amlycaf ar gyfer echdynnu alwminiwm diwydiannol heddiw. Dyma ddadansoddiad manwl o sut mae alwminiwm yn cael ei dynnu trwy electrolysis.
1. Paratoi'r deunydd crai: puro ocsid alwminiwm
Cyn y gall electrolysis ddechrau, rhaid puro alwminiwm ocsid o'i fwyn. Mae bocsit, prif ffynhonnell alwminiwm, yn cynnwys amhureddau fel ocsidau haearn, silica, a titaniwm deuocsid. Byddai'r amhureddau hyn yn ymyrryd â'r broses electrolysis, felly cânt eu tynnu gan ddefnyddio'r broses bayer:
• Mae bocsit yn cael ei falu a'i gymysgu â thoddiant sodiwm hydrocsid poeth (NaOH) poeth. Mae alwminiwm ocsid yn hydoddi yn yr alcali i ffurfio sodiwm aluminate (Naalo₂), tra bod amhureddau fel ocsidau haearn yn parhau i fod yn solet ac yn cael eu hidlo allan.
• Yna mae'r toddiant sodiwm aluminate yn cael ei oeri, ac mae crisialau hydrocsid alwminiwm (AL (OH) ₃) yn cael eu gwaddodi trwy ychwanegu crisialau hadau.
• Mae'r crisialau hyn yn cael eu cynhesu i oddeutu 1,000 gradd mewn odyn cylchdro, lle maent yn dadelfennu i ocsid alwminiwm pur (Al₂o₃) ac anwedd dŵr. Yr ocsid alwminiwm wedi'i buro hwn, a elwir yn alwmina, yw'r deunydd crai allweddol ar gyfer electrolysis.
2. Paratoi'r electrolyt: gostwng y pwynt toddi
Mae gan alwminiwm ocsid bwynt toddi uchel iawn (dros 2,000 gradd), sy'n golygu ei bod hi'n anymarferol toddi'n uniongyrchol ar gyfer electrolysis. Er mwyn lleihau'r tymheredd gweithredu, mae'n cael ei doddi mewn electrolyt tawdd o'r enw cryolite (Na₃alf₆), sydd â phwynt toddi llawer is (tua 1,010 gradd). Mae ychwanegu ychydig bach o fflworidau eraill (ee, fflworid alwminiwm, ALF₃) yn addasu priodweddau'r electrolyt ymhellach, gan ostwng ei bwynt toddi i oddeutu 950–970 gradd - delfrydol ar gyfer electrolysis effeithlon.
3. Y gell electrolytig: offer craidd ar gyfer echdynnu alwminiwm
Mae'r gell electrolytig a ddefnyddir yn y neuadd - héroult yn danc mawr, hirsgwar wedi'i leinio â deunyddiau anhydrin i wrthsefyll tymereddau uchel. Mae'n cynnwys dwy gydran allweddol:
• Cathod: Mae gwaelod ac ochrau'r gell wedi'u leinio â briciau carbon, sy'n gweithredu fel y catod. Mae'r briciau carbon hyn yn cynnal trydan ac yn darparu arwyneb sefydlog ar gyfer casglu alwminiwm tawdd.
• Anodau: Wedi'i atal uwchben y catod mae anodau carbon lluosog, wedi'u gwneud yn nodweddiadol o flociau carbon wedi'u pobi cyn -. Mae'r anodau hyn wedi'u cysylltu â chyflenwad pŵer ac yn trochi i'r electrolyt tawdd.
Mae'r gell wedi'i llenwi â'r electrolyt cryolit tawdd, ac ychwanegir ocsid alwminiwm wedi'i buro yn barhaus i gynnal crynodiad cyson.
4. Y broses electrolysis: trosi alwminiwm ocsid yn alwminiwm
Pan fydd cerrynt trydan yn cael ei basio trwy'r gell (100,000–300,000 amp yn nodweddiadol), mae'r adweithiau canlynol yn digwydd:
• Yn y catod: mae ïonau alwminiwm (al³⁺) yn yr electrolyt yn cael eu denu i'r catod â gwefr negyddol, lle maen nhw'n ennill electronau ac yn cael eu lleihau i alwminiwm tawdd:
Al³⁺ + 3 e⁻ → al (l)
Mae'r alwminiwm tawdd, sy'n ddwysach na'r electrolyt, yn suddo i waelod y gell ac yn cronni ar y catod.
• Yn yr anod: mae ïonau ocsid (O²⁻) o alwminiwm ocsid yn cael eu denu at yr anod â gwefr bositif. Maent yn colli electronau ac yn ymateb gyda'r anod carbon i ffurfio carbon deuocsid:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻​
C (s) + o₂ (g) → co₂ (g)
Mae'r adwaith hwn yn defnyddio'r anodau carbon dros amser, felly mae'n rhaid eu disodli o bryd i'w gilydd. Mae'r alwminiwm tawdd yn cael ei seiffonio o'r gell yn rheolaidd (fel arfer bob 1–2 diwrnod) a'i daflu i mewn i ingotau neu ei brosesu ymhellach.
5. Gofynion Ynni ac Ystyriaethau Amgylcheddol
Mae electrolysis yn broses ddwys -: Mae cynhyrchu un dunnell o alwminiwm yn gofyn am oddeutu 13,000–16,000 kWh o drydan. Am y rheswm hwn, mae mwyndoddwyr alwminiwm yn aml wedi'u lleoli ger gweithfeydd pŵer trydan dŵr neu ffynonellau eraill o gost - isel, ynni adnewyddadwy i leihau costau ac effaith amgylcheddol.
Mae'r broses hefyd yn cynhyrchu carbon deuocsid (CO₂) o'r defnydd o anod, sy'n cyfrannu at allyriadau nwyon tŷ gwydr. Er mwyn mynd i'r afael â hyn, mae ymchwilwyr yn datblygu anodau anadweithiol (ee aloion cerameg neu fetel) nad ydynt yn adweithio ag ocsigen, gan ddileu allyriadau co₂. Er ei fod yn dal yn y cam arbrofol, gallai anodau anadweithiol chwyldroi cynhyrchu alwminiwm trwy ei wneud yn fwy cynaliadwy.
6. Post - Prosesu: Mireinio a Castio
Mae'r alwminiwm tawdd a dynnwyd o'r gell electrolytig fel arfer yn 99.5-99.8% yn bur. Ar gyfer cymwysiadau purdeb - uchel (ee, cydrannau awyrofod), mae'n cael ei fireinio ymhellach gan ddefnyddio technegau fel mireinio electrolytig neu ddirywiad gwactod i gael gwared ar amhureddau sy'n weddill fel haearn a silicon. Yna caiff yr alwminiwm wedi'i buro ei daflu i mewn i ingotau, cynfasau, neu ffurfiau eraill i'w defnyddio mewn gweithgynhyrchu.
Nghasgliad
Electrolysis yw conglfaen echdynnu alwminiwm, gan alluogi trawsnewid alwminiwm ocsid o bocsit yn alwminiwm pur, y gellir ei ddefnyddio. Mae'r broses héroult neuadd -, gyda'i dibyniaeth ar electrolyt cryolite tawdd ac electrodau carbon, wedi'i fireinio dros ganrif i gydbwyso effeithlonrwydd a scalability. Tra bod heriau fel bwyta ynni uchel ac allyriadau co₂ yn parhau, mae arloesiadau parhaus - fel anodau anadweithiol ac electrolytau datblygedig - yn addo gwneud echdynnu alwminiwm yn fwy cynaliadwy yn y dyfodol. Am y tro, mae'r broses héroult neuadd - yn parhau i fod yn asgwrn cefn cynhyrchu alwminiwm byd -eang, gan bweru diwydiannau o adeiladu i gludiant.