Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » Алюминий
16:20
Алюминий

Алюминий можно по праву назвать одним из выдающихся металлов в истории человечества. Открытый в 1827 году немецким химиком Ф. Вёлером, этот металл обладает очень интересным набором свойств: высокая тепло и электропроводность, высокая коррозионная стойкость в нейтральных средах, низкая плотность (в 3 раза легче стали), прекрасная ковкость и др.

Кроме того, алюминий достаточно доступный элемент, в земной коре его 8,8% по массе. Промышленностью освоен ряд его руд: боксит Al2O3.nH2O, корунд Al2O3, криолит AlF3.3NaF, нефелин Na2O.Al2O3.2SiO2; возможно получение также из других соединений алюминия, вплоть до глины, но, пока это экономически не выгодно.

Всем нам алюминий знаком, в основном, по упаковкам из алюминиевой фольги и листового алюминия. Эту область применения алюминий снискал за счет свойства прокатываться в тонкие листы при температуре 140оС, а также, достаточно высокой химической стойкости. Следует отметить, что соединения алюминия, в отличии от соединений большинства переходных металлов, не только не имеют высокой токсичности сами по себе, но и обладают крайне низкой активностью как катализаторы побочных химических процессов с участием продуктов. В результате таких процессов компоненты продуктов могут становится весьма опасны для здоровья. Поэтому, алюминиевая упаковка для продуктов питания, на сегодняшний день является одновременно, одной из самых технологических и экологически безопасных. В отличие от стекла и многих полимеров, алюминий достаточно быстро утилизуется в результате процессов в почве.

Другая интересная область применения алюминия связана с его высокой электропроводностью, практически не уступающей электропроводности меди. В больших количествах алюминий перерабатывается в провода для линий электропередач и детали электротехнических машин (например, проводники в роторных контурах электродвигателей и электрогенераторов). Широкое применение для воздушных линий электропередач, алюминий снискал, также из-за низкой плотности, ибо медные провода той же электропроводности, потребуют слишком массивные опоры для линий ЛЭП.

Низкая плотность привела алюминий и в авиацию. На сегодняшний день, ни одно ракета, ни один летательный аппарат не обходятся без деталей из алюминия. На этой стези алюминий несколько потеснили только полимерные композиции, например углепластики. Но, они пока вне серьезной конкуренции из-за высокой стоимости при аналогичных соотношениях массы и прочности.

До 10% алюминия мирового производства перерабатывается в пудру и стружку. Пудра используется, главным образом, для изготовления краски "серебрянки”. Для этого, в пудру добавляют немного минерального масла и, иногда реактопластовых олигомеров (аналогичных олифе). Из этого порошка готовят краски для защиты деревянных, металлических и даже полимерных поверхностей от влаги, гниения, кислорода и перегрева на солнце. Так как алюминий, в связи с металлическим блеском, отражает до 80-90% всего падающего на него света. Остальная алюминиевая пудра и вся стружка алюминия потребляются промышленностью энергонасыщенных соединений, но, об этом мы поговорим в соответствующем разделе.

Остановимся подробнее на получении этого замечательного металла. Впервые алюминий получен действием металлического калия на хлорид алюминия. Если вы взгляните на ряд электродных потенциалов металлов, то убедитесь, что калий, как и все щелочные металлы, более активный ("металличный”) метал, чем алюминий, поэтому он вытесняет его из соединений. Но, чем активнее металл, тем сложнее заставить его забрать обратно свои электроны, выделяя его из соединений в чистом виде. Такой окольный путь получения алюминия был очень технологически сложен и дорог. К концу 19 века алюминий стоил дороже золота. Д.И. Менделеев, среди прочих наград, получил за открытие периодического закона… алюминиевую кружку. Но, в начале 20-го века, алюминий научились получать электрохимическим путем – электролизом. Метод возвращения элементу нейтрального состояния электролизом – является оптимальным, если речь идет о активных и крайне активных элементах.

Как Вы, наверное заметили, все сырье алюминиевой промышленности сводится к оксиду или фториду алюминия. Такая картина не случайна, ведь, почти весь алюминий в земной коре содержится в виде оксидов или гидроксидов. В этом случае, для электролиза пришлось бы плавить оксид алюминия (гидроксид термически неустойчив и разлагается, как и все гидроксиды, на оксид и воду уже при 120-150оС), а он плавится при более чем 2000оС, что выше температуры плавления любой стали (1300-1800оС). Кроме того, оксид алюминия, как мы помним, амфотерен, значит, связи кислород-алюминий малополярные. Это потребует для их поляризации огромного расхода электроэнергии. Цена такого алюминия была бы не на много ниже, чем по предыдущему методу.

Решение подсказал криолит, фторид алюминия плавится при вдвое более низкой температуре (около 1000оС), смешанные соли на его основе, за счет образования комплексных соединений вида Na3[AlF6] (вместо натрия можно взять любой щелочной металл, но натрий самый дешевый и распространенный), плавятся при еще на 100-150оС ниже. Кроме того, связь фтор-алюминий намного полярнее, чем у алюминия с кислородом.

Как мы знаем, фтор – наиболее активный элемент периодической таблицы, и самый агрессивный, струя фтора самовоспламеняется, будучи направлена на поверхность воды, фтор растворяет стекло и бурно реагирует практически со всеми конструкционными материалами. Следовательно, фтор нам здесь совершенно не нужен, как же быть? Ответ нашли гениально простой: в электролизную ванну загружают только корунд Al2O3, а комплекс со фтором и натрием получается в результате его взаимодействия с фтором и натрием, выделяющихся на аноде и катоде. Так как, фтор более электроотрицательный, чем кислород, а натрий имеет меньшее сродство к электрону, чем алюминий, то на аноде выделяется – почти исключительно кислород, а на катоде – алюминий. Фтор и натрий циркулируют по ванне. Несмотря на это, некоторое количество фтора выделяется, и его приходится ловить, дабы не ушел в атмосферу. Достаточно легко сделать это при помощи влажного скруббера (см. соответствующую статью сайта), с последующим пропусканием воды через корунд, это позволяет возвращать большую часть фтора в сырье.

Несмотря на это, алюминиевое производство остается весьма вредным, как для сотрудников, так и для жителей прилегающих районов. Главным образом это происходит из-за образования на аноде фреонов – соединений углерода со фтором и, иногда водородом. От этих соединений очистить отходящие газы значительно сложнее, чем от фтора и других его соединений. Углерод туда попадает из графитовых анодов (металлические очень быстро растворяться во фторе, да и загрязнят алюминий). Аноды для получения алюминия (как, кстати, и других металлов методом электролиза) можно изготавливать из графита, но, в целях удешевления производства их производят из угольного или нефтяного пеков (см. соотвец. статью). Даже эти электроды расходуются весьма быстро – их подача осуществляется валками, при этом вставляют начало следующего в конец предыдущего.

Повышение экологической безопасности производства алюминия сводится как к чисто техническим (введение дополнительных аппаратов для очистки отходящих газов, герметизация оборудования), так и к научно-исследовательским (поиск новых методов очистки от фреонов, модификация состава и технологии изготовления анодов) методам.

В виду высокого расхода электроэнергии и больших затрат на экологическую безопасность, цена алюминия остается еще достаточно высокой. Но, прогресс не стоит на месте, и мы полны оптимизма.

Категория: Металлургия | Просмотров: 2042 | Добавил: Chemadm | Теги: алюминий, Металлургия, технология металлов | Рейтинг: 4.7/31
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]