ما هو المصنوع من الألمنيوم

لم يتم العثور على الألومنيوم ، أحد أكثر المعادن وفرة على نطاق واسع على مستوى العالم ، في شكله النقي في الطبيعة. بدلاً من ذلك ، فإنه موجود بالاقتران مع عناصر أخرى في المعادن ، مما يتطلب استخراجًا متخصصًا ومعالجة للعزل. إن فهم ماهية الألومنيوم المصنوعة من - من مصادرها الطبيعية إلى التحولات الكيميائية والفيزيائية التي يخضع لها - توفر نظرة نقدية على خصائصها وإنتاجها والأهمية الصناعية. تستكشف هذه المقالة عمليات الأصول والتكوين والتصنيع التي تحدد الألومنيوم كمواد.
المصدر الطبيعي: خام البوكسيت
تبدأ رحلة الألومنيوم مع البوكسيت ، وخام الأساس الذي يستمد منه الألومنيوم. Bauxite عبارة عن صخرة رسوبية تتكون من تجوية الألومنيوم - الصخور الغنية (مثل الجرانيت) في المناخات الاستوائية أو شبه الاستوائية ، حيث تتسرب هطول الأمطار المرتفع ودرجات الحرارة الدافئة عن السيليكا والمعادن الأخرى ، وترك أكاسيد الألومنيوم المركزة.
يهيمن على التركيب الكيميائي لبوكسيت هيدروكسيدات الألومنيوم ، مع مكونات نموذجية بما في ذلك:
• Gibbsite (AL (OH) ₃): الألمنيوم الأكثر شيوعًا - المعدني في البوكسيت ، وهو ما يمثل 50-70 ٪ من تكوينه في ودائع عالية الجودة-.
• Boehmite (- alo (OH)) و Diaspore (- alo (OH)): هذه أكاسيد الألومنيوم المائية أكثر انتشارًا في البوكسيت من مناطق أكثر برودة أو أكثر جفافًا ، مما يتطلب درجات حرارة أعلى لاستخراج الألمنيوم.
• الشوائب: غالبًا ما يحتوي البوكسيت على أكاسيد الحديد (يعطيه لونًا محمرًا - اللون البني) ، والسيليكا ، وثاني أكسيد التيتانيوم (Tio₂) ، وكميات صغيرة من المواد العضوية. يجب إزالة هذه الشوائب أثناء المعالجة ، حيث يمكنها التنازل عن جودة الألمنيوم النهائي.
تتركز احتياطيات البوكسيت العالمية في بلدان مثل غينيا وأستراليا والصين ، مع رواسب تختلف في النقاء بناءً على تكوينها الجيولوجي. يحتوي Bauxite العالي - على 45-55 ٪ من أكسيد الألومنيوم (al₂o₃) ، مما يجعله مثاليًا لإنتاج الألومنيوم الفعال.
من البوكسيت إلى الألومينا: عملية باير
قبل أن يتم إنتاج المعدن الألومنيوم ، يتم تحسين البوكسيت إلى الألومينا (أكسيد الألومنيوم ، al₂o₃) - منتج وسيط أبيض ومسحوق. يتم تحقيق هذا التحول من خلال عملية باير ، التي تم تطويرها في عام 1887 وما زال معيار الصناعة اليوم.
الخطوات الرئيسية لعملية باير:
1. الفساد والطحن: يتم سحق خام البوكسيت في جزيئات صغيرة (1-2 سم) والأرض في ملاط ​​ناعم لزيادة مساحة السطح للتفاعلات الكيميائية.
2.Digestion: يتم خلط الملاط مع محلول هيدروكسيد الصوديوم الساخن (NaOH) في أوعية الضغط العالية- (الهضم) في 140-280 درجة. هذا يتفاعل مع أكاسيد الألومنيوم في البوكسيت لتشكيل ألومينات الصوديوم القابلة للذوبان (Naalo₂) ، في حين أن أكاسيد الحديد وثاني أكسيد التيتانيوم تظل كمواد صلبة غير قابلة للذوبان:
AL (OH) ₃ + NaOH → Naalo₂ + 2 h₂o
(يتفاعل جيبسايت مع هيدروكسيد الصوديوم لتشكيل ألومينات الصوديوم)
3. التوصل: يتم ترشيح الخليط لفصل محلول ألومينات الصوديوم (يسمى "الخمور الحامل") من الشوائب غير القابلة للذوبان (المعروفة باسم "الطين الأحمر" ، وخاصة أكاسيد الحديد والسيليكا). يتم التخلص من الطين الأحمر ، على الرغم من الجهود المبذولة لإعادة تدويره (على سبيل المثال ، لمواد البناء).
4. التهوية: يتم تبريد الخمور الحامل ، ويتم إضافة بذور هيدروكسيد الألومنيوم لتشغيل جسيمات هيدروكسيد الألومنيوم النقي (AL (OH) ₃):
naalo₂ + 2 h₂o → al (OH) ₃ ↓ + Naoh
(يتفاعل ألومينات الصوديوم بالماء لتشكيل هيدروكسيد الألومنيوم وتجديد هيدروكسيد الصوديوم)
5. الحساسية: يتم تسخين هيدروكسيد الألومنيوم إلى 1000-1200 درجة في الأفران الدوارة ، مما يؤدي إلى إيقاف الماء لتشكيل ألومينا نقية (al₂o₃):
2al (OH) ₃ → al₂o₃ + 3 h₂o
الألومينا الناتجة نقية بنسبة 99.5 ٪ ، مع نقطة انصهار عالية (2072 درجة) ، مما يجعلها مناسبة لإنتاج المعادن الألومنيوم.
من ألومينا إلى معدن الألومنيوم: القاعة - عملية Héroult
الألومينا نفسها هي عازل كهربائي ، لذلك فإن استخراج الألمنيوم النقي يتطلب الانصهار والتحليل الكهربائي. يتم تحقيق ذلك من خلال عملية القاعة - héroult ، التي طورتها بشكل مستقل من قبل تشارلز هول وبول هيرولت في عام 1886 ، والتي لا تزال الطريقة الصناعية الوحيدة لإنتاج الألومنيوم الأولية.
الخطوات الرئيسية للقاعة - عملية Héroult:
1. تحضير الإلكتروليت: يتم إذابة الألومينا في cryolite المصورة (na₃alf₆) ، وهو معدن يعمل كمذيب. يقلل Cryolite من نقطة انصهار الألومينا من 2072 درجة إلى 960 درجة ، مما يقلل من متطلبات الطاقة. تتم إضافة كميات صغيرة من فلوريد الألومنيوم (ALF₃) وفلوريد الكالسيوم (CAF₂) لضبط لزوجة الإلكتروليت وتوصيلها.
2.Electrolysis: يتم الاحتفاظ بالكهرباء المنصهرة بالكربون الكبير - الأواني الفولاذية المبطنة (الخلايا). يتم غمر أنود الكربون (القطب الإيجابي) في المنحل بالكهرباء ، ويعمل بطانة الكربون ككاثود (قطب سلبي). عندما يمر تيار كهربائي (200-500 كيلوايت) عبر الخلية:
◦ كاثود الكاثود: تكسب أيونات الألومنيوم (al⁺⁺) الإلكترونات ويتم تقليلها إلى معدن الألومنيوم المنصهر ، والذي يغرق في أسفل الخلية:
al⁺⁺ + 3 e⁻ → al (l)
تالرة الأنود: أيونات الأكسيد (O²⁻) تفقد الإلكترونات وتتفاعل مع الكربون لتشكيل ثاني أكسيد الكربون:
2o²⁻ + C → Co₂ (G) + 4 e⁻
3. جمع الألومنيوم: يتم نقل الألومنيوم المنصهر (99.7-99.9 ٪ نقي) من الخلية بشكل دوري ونقله إلى أفران الحجز.
4.Loying (اختياري): غالبًا ما يتم تجميع الألومنيوم النقي مع عناصر أخرى (على سبيل المثال ، النحاس ، المغنيسيوم ، السيليكون) لتعزيز القوة ، مقاومة التآكل ، أو غيرها من الخصائص. على سبيل المثال ، فإن إضافة 4-5 ٪ من النحاس يخلق 2024 الألومنيوم ، يستخدم في الفضاء.
عملية القاعة - héroult هي الطاقة - مكثفة - التي تنتج طنًا واحدًا من الألمنيوم يتطلب ~ 13 ميجاوات من الكهرباء - إمكانية الوصول إلى الإنتاج المنخفض- ، منخفضة-}}
الألومنيوم المعاد تدويره: نظام حلقة مغلق-
في حين أن الألمنيوم الأولي مستمد من البوكسيت ، فإن الألومنيوم المعاد تدويره هو مصدر رئيسي آخر ، وهو ما يمثل حوالي 30 ٪ من إمدادات الألومنيوم العالمية. الألومنيوم المعاد تدويره "مصنوع من" الألمنيوم الخردة (على سبيل المثال ، علب المشروبات ، قطع غيار السيارات ، نفايات البناء) من خلال عملية أبسط:
1. التقييم والتنظيف: يتم فرز الخردة حسب نوع السبائك (لتجنب التلوث) وتنظيفها لإزالة الدهانات أو الزيوت أو البلاستيك.
2. melling: يتم إذابة الخردة النظيفة في أفران في ~ 660 درجة (أقل بكثير من درجة حرارة عملية القاعة - héroult). يتم استخدام التدفقات أو الغاز الخامل لإزالة الشوائب مثل المغنيسيوم أو الهيدروجين.
3. البث: يتم إلقاء الألومنيوم المعاد تدويره المصهور في سبائك أو صفائح أو قضبان ، جاهزة للتصنيع.
يستخدم ألومنيوم إعادة التدوير 5 ٪ فقط من الطاقة اللازمة لإنتاج الألومنيوم الأولي ، مع عدم وجود فقدان للجودة. وهذا يجعل الألومنيوم المعاد تدويره مكونًا رئيسيًا للإنتاج المعادن المستدام ، حيث يتماشى مع أهداف إزالة الكربون العالمية.
التركيب الكيميائي للمعادن الألمنيوم
الألومنيوم النقي (99.9 ٪+ Al) هو معدن ناعم ، ولكن الألومنيوم الصناعي دائمًا ما يكون ملموسًا لتحسين الأداء. تشمل عناصر السبائك الشائعة:
• النحاس (CU): تمت إضافته إلى سبائك 2000 سلسلة (على سبيل المثال ، 2024) لزيادة القوة عن طريق المعالجة الحرارية.
• المغنيسيوم (MG): يستخدم في سبائك 5000 خبرة (على سبيل المثال ، 5052) لتعزيز مقاومة التآكل وقابلية اللحام.
• السيليكون (SI): جنبا إلى جنب مع المغنيسيوم في سبائك 6000 السلسلة (على سبيل المثال ، 6061) لتشكيل رواسب mg₂si ، وتحسين القوة.
• الزنك (Zn): تمت إضافته إلى سبائك 7000 خبرة (على سبيل المثال ، 7075) مع النحاس والمغنيسيوم لإنشاء أقوى سبائك الألومنيوم ، المستخدمة في الفضاء.
• الليثيوم (LI): يقلل من الكثافة في ألواح الألومنيوم - سبائك الليثيوم (على سبيل المثال ، 2195) ، المستخدمة في مكونات الصواريخ.
حتى في السبائك ، يظل الألومنيوم العنصر المهيمن - عادة 85-99 ٪ بالوزن - مع عناصر أخرى موجودة في أبعاد محكومة لتخصيص خصائص.
لماذا التكوين مهم
تكوين الألومنيوم - سواء كان المعدن النقي أو السبائك أو المواد المعاد تدويرها - يحدد أدائه مباشرة. على سبيل المثال:
• يتم استخدام الألمنيوم المرتفع - النقاء (99.99 ٪ AL) في الموصلات الكهربائية من أجل الموصلية.
• 5083 الألومنيوم (4.5 ٪ من المغنيسيوم ، 0.7 ٪ المنغنيز) يقاوم تآكل المياه المالحة ، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات البحرية.
• يتم استخدام 3004 الألومنيوم المعاد تدويره (1.2-1.8 ٪ المنغنيز) في علب المشروبات من أجل قابليته للتشكيل وقوته.
إن فهم ماهية الألمنيوم المصنوعة من - من bauxite إلى السبائك إلى الخردة المعاد تدويرها - يتيح للمصنعين تحديد المادة المناسبة لتلبية احتياجاتهم مع تحسين الاستدامة.
باختصار ، يتم صنع الألومنيوم بشكل أساسي من خام البوكسيت ، ويتحول إلى ألومينا عبر عملية باير ، ثم إلى المعدن عبر القاعة - héroult. يلعب الألمنيوم المعاد تدويره ، المستمدة من الخردة ، دورًا حاسمًا بشكل متزايد ، ويستفيد من نظام حلقة منخفضة- ، مغلق -. تكوينه - سواء كان نقيًا أو مملوءًا - يملي خصائصه ، مما يجعلها مادة متعددة الاستخدامات عبر الصناعات. مع تزايد الطلب على مواد الكربون المنخفضة- ، فإن التقدم في معالجة البوكسيت ، وكفاءة التحليل الكهربائي ، وإعادة التدوير ستعمل على تحسين كيفية "صنع الألومنيوم" ، مما يضمن دوره كمعدن مستدام للمستقبل.