Хол-Хероултов процес

Хол-Хероултов процес је главни индустријски процес за топљење алуминијума. Он укључује растварање алуминијум оксида (алумине) (који се најчешће добија из боксита, главне руде алуминијума, кроз Бајеров процес) у растопљеном криолиту и електролизом у купатилу са растопљеном соли, обично у наменски изграђеној ћелији. Хол-Хероултов процес који се примењује у индустријској скали одвија се на 940–980 °Ц (1700 до 1800 °Ф) и производи 99,5–99,8% чистог алуминијума. Рециклирање алуминијума не захтева електролизу, тако да се не третира на овај начин.^[1]

Пошто Хол-Хероултова обрада троши велику електричну енергију и њена фаза електролизе ствара много угљен диоксида и једињења флуороугљеника као нуспроизводе, она доприноси загађењу ваздуха као и климатским променама.^[2]^[3]

Процес

Потешкоће

Елементарни алуминијум се не може произвести електролизом воденог раствора соли алуминијума, јер хидронијум јони лако оксидирају елементарни алуминијум. Иако се уместо тога може користити растопљена со алуминијума, алуминијум оксид има тачку топљења од 2072 °Ц (3762 °Ф),^[4] тако да је електролиза непрактична. У Хол-Хероултовом процесу, глиница, Ал₂О₃, се раствара у растопљеном синтетичком криолиту, На₃АлФ₆, да би се снизила тачка топљења ради лакше електролизе.^[1] Извор угљеника је генерално кокс (фосилно гориво).^[2]

Теорија

У Хал-Хероултовом процесу следеће поједностављене реакције се одвијају на угљеним електродама:

Катода:

Ал³⁺ + 3 е⁻ → Ал

Анода:

О^2- + C → ЦО + 2 е⁻

Свеукупно:

Ал₂О₃ + 3 C → 2 Ал + 3 ЦО

У стварности, много више ЦО₂ се формира на аноди него ЦО:

2 О^2- + C → ЦО₂ + 4 е⁻

2 Ал₂О₃ + 3 C → 4 Ал + 3 ЦО₂

Чисти криолит има тачку топљења од 7003128215000000000♠1009±1 °Ц (1848 °Ф). Са малим процентом глинице раствореног у њему, његова тачка топљења пада на око 1000 °Ц (1832 °Ф). Осим што има релативно ниску тачку топљења, криолит се користи као електролит јер, између осталог, добро раствара глиницу, проводи електричну енергију, електролитички дисоцира на већем напону од глинице, а такође има нижу густину од алуминијума на температурама неопходним за електролизу.^[1]

Алуминијум флуорид (АлФ₃) се обично додаје у електролит. Однос НаФ/АлФ₃ назива се однос криолита и он је 3 у чистом криолиту. У индустријској производњи, АлФ₃ се додаје тако да је однос криолита 2–3 да би се додатно смањила тачка топљења, тако да се електролиза може одвијати на температурама између 940 и 980 °Ц (1700 до 1800 °Ф). Густина течног алуминијума је 2,3 г/мл на температурама између 950 и 1000 °Ц (1750 ° до 1830 °Ф). Густина електролита треба да буде мања од 2,1 г/мл, тако да се растопљени алуминијум одваја од електролита и правилно слегне на дно ћелије за електролизу. Поред АлФ₃, могу се додати и други адитиви као што је литијум флуорид да би се променила различита својства (тачка топљења, густина, проводљивост итд.) електролита.^[1]

Смеша се електролизује пропуштањем једносмерне струје ниског напона (испод 5 V) од 7005100000000000000♠100–300 кА кроз њу. Ово узрокује таложење течног алуминијума на катоди, док се кисеоник из глинице комбинује са угљеником из аноде и производи углавном угљен-диоксид.^[1]

Теоретски минимални енергетски захтев за овај процес је 6,23 кWх/(кг Ал), али процес обично захтева 15,37 кWх.^[5]

Референце

^ ^а ^б ^в ^г ^д Тоттен, Георге Е.; МацКензие, D. Сцотт (2003). Хандбоок оф Алуминум: Волуме 2: Аллоy продуцтион анд материалс мануфацтуринг. Неw Yорк, НY: Марцел Деккер, Инц. ИСБН 0-8247-0896-2.
^ ^а ^б Кхаји, Кхалил; Ал Qассеми, Мохаммед (2016). „Тхе Роле оф Аноде Мануфацтуринг Процессес ин Нет Царбон Цонсумптион”. Металс. 6 (6): 128. дои:10.3390/мет6060128 .
^ Маркс, Јеррy; Робертс, Рутх; Баксхи, Викрам; Долин, Ериц (јануар 2000). „Перфлуороцарбон (ПФЦ) Генератион Дуринг Примарy Алуминум Продуцтион” (ПДФ).
^ Хаyнес, W.M. (2015). ЦРЦ Хандбоок оф Цхемистрy анд Пхyсицс (96тх изд.). Боца Ратон, ФЛ: Таyлор & Францис. ИСБН 978-1-4822-6096-0.
^ Обаидат, Мазин; Ал-Гхандоор, Ахмед; Пхелан, Патрицк; Виллалобос, Рене; Алкхалиди, Аммар (17. 4. 2018). „Енергy анд Еxергy Аналyсес оф Дифферент Алуминум Редуцтион Тецхнологиес”. Сустаинабилитy. 10 (4): 1216. дои:10.3390/су10041216 .

Литература

Грјотхеим, У анд Кванде, Х., Интродуцтион то Алуминиум Елецтролyсис. Ундерстандинг тхе Халл–Хероулт Процесс, Алуминиум Верлаг ГмбХ, (Германy), 1993, пп. 260.
Прасад, Схива (2000). „Студиес он тхе Халл-Хероулт Алуминум Елецтроwиннинг Процесс”. Јоурнал оф тхе Бразилиан Цхемицал Социетy. 11 (3): 245—251. дои:10.1590/С0103-50532000000300008 .

[georg-1] а ^б ^в ^г ^д Тоттен, Георге Е.; МацКензие, D. Сцотт (2003). Хандбоок оф Алуминум: Волуме 2: Аллоy продуцтион анд материалс мануфацтуринг. Неw Yорк, НY: Марцел Деккер, Инц. ИСБН 0-8247-0896-2.

[The_Role_of_Anode_Manufacturing_Pro-2] а ^б Кхаји, Кхалил; Ал Qассеми, Мохаммед (2016). „Тхе Роле оф Аноде Мануфацтуринг Процессес ин Нет Царбон Цонсумптион”. Металс. 6 (6): 128. дои:10.3390/мет6060128 .

[3] Маркс, Јеррy; Робертс, Рутх; Баксхи, Викрам; Долин, Ериц (јануар 2000). „Перфлуороцарбон (ПФЦ) Генератион Дуринг Примарy Алуминум Продуцтион” (ПДФ).

[4] Хаyнес, W.M. (2015). ЦРЦ Хандбоок оф Цхемистрy анд Пхyсицс (96тх изд.). Боца Ратон, ФЛ: Таyлор & Францис. ИСБН 978-1-4822-6096-0.

[5] Обаидат, Мазин; Ал-Гхандоор, Ахмед; Пхелан, Патрицк; Виллалобос, Рене; Алкхалиди, Аммар (17. 4. 2018). „Енергy анд Еxергy Аналyсес оф Дифферент Алуминум Редуцтион Тецхнологиес”. Сустаинабилитy. 10 (4): 1216. дои:10.3390/су10041216 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]