آلومینیم و تولید آن به روش هال (Hall)

آلومینیوم فلزی است که از نظر میزان استفاده صنعتی بعد از آهن در رتبه دوم قرار دارد .ویژگی هایی مانند : چکش‌خواری و راحتی خمش و برش آن از امتیازات انتخاب این فلز در استفاده صنعتی می باشد . جریان الکتریسیته و گرما را به خوبی هدایت می کند و هم این که در برابر خوردگی و پوسیدن مقاومت بالایی دارد . حال اگر بخواهیم خواص آلومینیم را بهبود بدهیم از روش هایی همچون تهیه آلیاژ می توان استفاده کرد .

در تولید آلومینیم از روش هال ( هال – هرولت ) استفاده می شود که البته میزان مصرف انرژی و برق در این فرایند خیلی بالاست .از آلومینیم خالص به طور عمده در صنایع الکترونیک و پردازنده های سیلیکونی استفاده می شود . هرگاه فلز آلومینیم را با فلزاتی مثل روی و مس و منیزیم آلیاژ کنیم ، حتی می تواند درجه سختی بالاتر از استیل داشته باشد .

آلومینم و آلیاژ های آن به طور عمده در صنایع حمل و نقلی کاربرد دارد . از آن جایی که سبک تر بوده و یا چگالی کمتری دارد ، این امر سبب کاهش مصرف سوخت در جریان حمل و نقل می شود . از جمله کاربرد های آلومینیم در بسته بندی کردن مواد غذایی و تولید بطری های نوشابه ها می باشد .

مراحل تولید آلومینیم با استفاده از روش هال – هرولت

جداسازی سنگ معدن بوکسیت $(Al_{2}O_{3}.xH_{2}O)$
خالص سازی بوکسیت به آلومینا( آلومینیم اکسید خالص )
ساخت و تهیه کریولیت $(Na_{3}AlF_{6})$ و آلومینیم فلوئورید جهت کاهش دمای ذوب آلومینا
برق کافت و تبدیل آلومینا به آلومینم مذاب

واکنش اصلی در فرایند هال به صورت : $2Al_{2}O_{3}(s)+3C(s)\rightarrow 4Al(l)+3CO_{2} (g)$ که البته در این فرایند هر چند وقت یک بار باید میله های گرافیتی را تعویض کنیم چون که در اثر واکنش با یون های اکسید موجود در سیستم به کربن دی اکسید تبدیل می شوند .

باید بدانیم که در این فرایند که نمونه ای از دستگاه برق کافت می باشد ، در مدار خارجی از باتری با جریان مستقیم استفاده می کنیم که قطب منفی و آندی آن به دیواره گرافیتی جدار داخلی دستگاه متصل است و میله های گرافیتی به قطب مثبت باتری وصل خواهند بود .

نیم واکنش آندی ( اکسایش ) : $C(s)\rightarrow CO_{2}(g)+4e^{-}$

نیم واکنش کاتدی ( کاهش ) : $Al^{3+}(l)+3e^{-}\rightarrow Al(l)$

که با توجه به نیم واکنش ها در می یابیم که بین قطب ها در جریان واکنش مثلا به ازای مصرف 3 مول از گرافیت ، 12 مول الکترون مبادله می شود .

آلومینیم مذاب از کریولیت $(Na_{3}AlF_{6})$ چگال تر است و در پایین سلول جمع و به حوضچه آلومینیم تبدیل می شود . به طور معمول این حوضچه ها عمقی در حدود 10 سانتی متر دارند ، البته با تخلیه روزانه آلومینیم ، این عمق را ثابت نگه می دارند . آلومینیم به صورت شمش هایی با درجه خلوص تقریبا 99 درصد تولید می شود که مقداری از ناخالصی های نظیر آهن و سیلیسیم را در خود دارد .

حالا کریولیت چیست ؟ کریولیت می تواند دمای ذوب آلومینا را کاهش دهد و از طریق واکنش های زیر می توان آن را تهیه کرد .

$Al_{2}O_{3}(s)+2NaOH(aq)\rightarrow 2NaAlO_{2}(aq)+H_{2}O(l)$

$NaAlO_{2}(aq)+6HF(aq)+Na_{2}CO_{3}(aq)\overset{60^0C}{\rightarrow}Na_{3}AlF_{6}(aq)+3H_{2}O(l)+CO_{2}(g)$

ابتدا سدیم آلومینات را سنتز می کنند و سپس به سدیم آلومینات ، هیدروژن فلوئورید و سدیم کربنات اضافه می کنند و در ادامه در دمایی نزدیک به 60 درجه سلسیوس ، رسوب سدیم آلومینم فلوئورید ( کریولیت ) تولید می شود .

در جریان الکترولیز مقداری آلومینیم فلوئورید نیز به محلول اضافه می شود تا غلظت الکترولیت و مقدار فلوئورید در جریان الکترولیز تنظیم شود . جهت تولید آلومینیم فلوئورید $(AlF_{3})$ می توان از واکنش آلومینیم هیدروکسید با هگزا فلوئورسیلیسیک اسید $(H_{2}SiF_{6})$ استفاده کرد .