34. Производство алюминия. Получение глинозема из бокситов, электролиз глинозема. Свойства алюминия и его сплавов. Схема.

Сырьем для получения алюминия электрохимическим восстановлением является гидроксид алюминия, современная техника требует получения алюминия с чистотой 99,9%, особенно очень высокие требования к чистоте гидроксида алюминия. Сырьем для производства алюминия являются бокситы содержащие в качестве примесей оксид кремния, оксиды железа придающие сырью красноватый оттенок, карбонаты и т.д.

В состав бокситов входят 2 основных минерала: НAlO₂ – диаспор и Al(OH)₃ – гидраргиллита. В производстве эти 2 минерала отличаются тем, что они обладают различной реакционной способностью, в реакции с гидроксидам натрия, при этом требуются различные условия проведения процесса.

Боксит с большим содержанием диаспора выщелачивается в автоклаве (10 штук, температура 220°C, давление 20 – 30 атм., время – 2ч.)

НAlO₂ + NaOH + H₂O → NaAl(OH)₄

При большом содержании гидраргиллита выщелачивание ведут в мешалках (10 штук, температура 100°C, в течение 1 часа)

Al(OH)₃ + NaOH ↔ NaAl(OH)₄

Примеси оксида кремния реагирует с гидроксидом натрия с образованием силиката натрия, который с NaAl(OH)₄ вступает в реакцию с образованием осадка

2NaOH + SiO₂ → Na₂SiO₃

2Na₂SiO₃ + 2NaAl(OH)₄ → Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂↓ + 2H₂O + 4NaOH

1. мокрый размол ← NaOH

↓

2. выщелачивание

↓ вода

3. разбавление пульпы в 2 раза

↓ осадок

4. отстаивание (сгуститель) красный шлам

↓ промывка

5. г рязный раствор NaAl(OH)₄

↓

6. фильтрование

↓

7. выкручивание

медленное охлаждение

↓

8. сгущение

↓

9. фильтрование

↓

10. кальцинация → Al₂O₃

3. при разбавлении алюмината натрия водой из него выпадает осадок оксида, гидроксида железа, кремния, карбонатов, от которых раствор отделяется простой декантацией и после этого раствор идет на дополнительное отстаивавание. Далее отстоявшейся грязный раствор алюмината натрия идет на фильтр (6) для отделения оставшегося осадка. После этого из чистого раствора алюмината натрия начинают выделять чистый раствор Al(OH)₃ (7). Данный процесс проводится длительное время в течение 90 часов, при этом температура подает с 60 до 30°C. В данном реакторе в результате обратимой реакции происходит разложения алюмината натрия (реакция 2). Данный процесс заканчивается в аппарате (80 который называется сгущение, при этом образуется хорошо образованный кристаллический осадок отделяющийся от раствора гидроксида натрия содержащий примеси алюмината натрия. (9) после сгущения отделяют осадок Al(OH)₃ и промывают его водой. (10) отмытый Al(OH)₃ дальше поступает на кальцинацию (прокаливанию) при температуре 1200°C

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 2H₂O

Производство алюминия электрохимическим способом

Вследствие высокой прочности оксид алюминия не восстанавливается водородом и металлам; углерод его начинает восстанавливать только при 2100°C, но при этой температуре образуется карбид алюминия. Поэтому Al₂O₃ можно восстановить только на катоде и в отсутствие ионов, имеющих меньшие потенциалы разряда по сравнению с алюминием; ввиду высокой температуры плавления (2050°C) электролитическому восстановлению подвергают только его растворы. Из большого количества изученных растворителей наиболее подходящим оказался расплавленный криолит Na₃AlF₆. Криолит плавится около 1000°C, в нем растворяются 8 -10% оксида алюминия. Для снижения температуры плавления электролита в него добавляют до 8 – 10% смеси фторидов алюминия, кальция и магния, что позволяет вести электролиз при 950 - 970°C и тем самым уменьшить тепловые потери. Криолит в расплаве подвергается диссоциации на ионы, этим объясняется его хорошая электропроводность:

Na₃AlF₆ ↔ 3Na⁺ + AlF₆^3-

Ион AlF₆^3- частично диссоциирует далее вплоть до образования Al³⁺ и F^-. Оксид алюминия, согласно современным представлениям, диссоциирует на ионы Al³⁺ и O^2- (которые, возможно, частично соединяются в ионы AlO⁺ и AlO₂^- и с ионами AlF₅^2- в комплексный ион [AlF₅O]^4-) Так как на электродах разряжаются в первую очередь ионы, обладающие наименьшими потенциалами разряда, то при электролизе на катоде будут разряжаться ионы алюминия, а на аноде – ионы кислорода:

Al³⁺ + 3е = Al

O^2- -2е = O

Катодом служит выделившийся ранее жидкий алюминий. При наличии в электроде примесей на катоде будет выделяться не только алюминий, но также другие металлы и неметаллы, катионы которых имеют меньшие разрядные потенциалы по сравнению с ионами алюминия. Поэтому для получения алюминия необходимо брать чистые исходные вещества, не содержащие оксиды железа, кремния и других элементов.