РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

Алюминий - наиболее распространенный металл на Земле, а по распространенности всех элементов в земной коре он занимает третье место. На его долю приходится 8% состава земной коры.

Из-за большого сродства к кислороду алюминий не встречается в природе в виде свободного металла. Он широко распространен в форме гидратированных силикатов алюминия в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты. Кроме того, алюминий обнаруживается в виде бокситной руды. Боксит содержит гидратированный оксид алюминия , где принимает значения от 1 до 3. Боксит образуется в результате выветривания глин. В этом процессе происходит выщелачивание силикатов и образуется богатый глиноземом остаток.

Боксит. Боксит получил свое название от города Ле Бокс на юге Франции, где в 1821 г. был обнаружен образец красной глинистой породы. Сначала полагали, что боксит представляет собой новый минерал. Однако последующие анализы показали, что минералогический состав этой руды, ее физические свойства и характер залегания чрезвычайно разнообразны. Термин боксшппая руда применяется к любым месторождениям, в которых содержится не менее 45% одной или нескольких разновидностей гидратированного оксида алюминия, но не более 20% оксида железа(III) и 5% кремнезема. Наиболее важными минералами в бокситных месторождениях являются гиббсит, диаспор и бёмит.

Бокситная руда в настоящее время повсеместно является главным сырьем для получения алюминия. Ежегодно в мире добывают от 80 до 90 млн. т бокситной руды. Почти 30% этого количества добывают в Австралии и еще 15% на Ямайке. Для получения 1 т алюминия расходуется приблизительно 5 т бокситной руды. При

нынешнем уровне мирового производства алюминия разведанных на Земле запасов боксита достаточно, чтобы обеспечивать потребности в алюминии еще несколько сотен лет. Получение алюминия из бокситной руды осуществляется в две стадии.

Стадия 1: Процесс Байера для очистки бокситной руды и получения глинозема.

Неочищенная бокситная руда содержит оксид железа(III), кремнезем и другие примеси. Она может считаться экономически выгодным сырьем для получения алюминия, если содержит не меньше 45% алюминия и не больше 5% кремнезема.

В процессе Байера бокситную руду сначала размалывают, а затем смешивают с раствором гидроксида натрия (едкого натра). Эту смесь нагревают в автоклаве под высоким давлением, в результате чего образуется натрия (см. уравнение 1 на с. 186). Оксид железа удаляют из раствора после того, как он осядет и образует «красный шлам». Затем раствор профильтровывают и перекачивают в осадительный бак, где его затравливают кристалликами гидроксида алюминия. После затравливания водный раствор натрия разлагается с образованием гидроксида алюминия, который вырастает в большие кристаллы на затравочных кристалликах. Этот процесс протекает по уравнению затравка

Гидроксид натрия, образующийся в этом процессе, возвращают в новый цикл процесса. Кристаллы гидроксида алюминия отфильтровывают, промывают водой, а

Рис. 15.3. Электролизер для получения алюминия из бокситной руды.

затем прокаливают во вращающейся печи при температуре порядка 1000°С. В результате образуется глинозем:

Глинозем имеет температуру плавления 2045 °С. Поэтому использование чистого расплавленного глинозема в качестве электролита для получения алюминия трудно осуществимо практически и не оправдано с экономической точки зрения. Для снижения температуры плавления используется эвтектическая смесь (см. разд. 6.2), состоящая из 5%-ного раствора глинозема в расплавленном криолите. Эта смесь имеет температуру плавления 970 °С. Криолит представляет собой алюминиевую руду, которая имеет формулу Природный криолит добывают в Гренландии, однако большие количества этого вещества получают синтетически.

Стадия 2: Электролитическое восстановление глинозема. Электролиз проводится в электролизере Холла-Хирауля (Hall-Heroult) (рис. 15.3). Жидкий алюминий образуется на графитовом катоде и по мере накопления сливается из нижней части электролизера. Его чистота превышает 99%. Расплавленный криолит не расходуется в процессе электролиза, и поэтому в него по мере необходимости добавляют новые порции глинозема. На графитовом аноде образуется кислород, что приводит к постепенному сгоранию анода с образованием оксида углерода и небольшого количества диоксида углерода. Каждые 20 дней анод приходится заменять новым.

Электродные реакции описываются уравнениями:

В этом процессе потребляется большое количество электрической энергии. В нем используется постоянный ток силой более 100000 А при напряжении порядка 5 В. Для получения 1 т алюминия расходуется 13-17 тысяч киловатт-часов энергии. Такой процесс экономически оправдан только при наличии дешевой электроэнергии, например от гидроэлектростанции. Другой проблемой, которая возникает в связи с его проведением, является загрязнение фтором окружающей среды вблизи алюминиевых заводов из-за потерь криолита.