Hliníkový průmysl. Jak se získává vysoce čistý hliník?

Tento kov je znám již více než 2000 let a vyznačuje se širokým technickým využitím. K čemu ji tedy můžeme použít? Hliník se v průmyslu používá především ve formě slitin, což zlepšuje jeho užitné vlastnosti. V takové podobě se stává univerzálním konstrukčním materiálem s velmi všestranným využitím. Mezi slitinami hliníku lze rozlišit licí slitiny a slitiny používané pro tváření plastů. Kromě hliníku jsou v jejich složení zahrnuty prvky jako měď, hořčík, křemík a mangan. Slitiny hliníku se používají mimo jiné v letectví, chemickém průmyslu, automobilovém průmyslu a dokonce i při stavbě lodí. Hliník je široce používán v průmyslu také ve své čisté formě. V takové podobě se používá k výrobě různých předmětů každodenní potřeby, jako jsou zrcadla, plechovky od nápojů a potravin, kuchyňské náčiní nebo běžně známá hliníková fólie. Používá se také k výrobě chemických zařízení, elektrických drátů a dokonce i výbušnin. K izolaci tohoto prvku z bauxitové rudy je nutné provést dva kroky. Prvním z nich je Bayerův proces, který umožňuje získat oxid hlinitý z minerálu. Sloučenina je poté podrobena elektrolýze, což vede k výrobě vysoce čistého hliníku.

Z čeho je vyroben hliník?

Čistý hliník se v přírodě přirozeně nevyskytuje kvůli jeho schopnosti pasivace. Tento jev zahrnuje oxidaci kovu za přítomnosti vzduchu, což má za následek vytvoření pasivní ochranné vrstvy na jeho povrchu. V případě hliníku je nejprve potažen vrstvou oxidu hlinitého (Al ₂ O ₃ ) o tloušťce několika nm. Poté vlivem vlhkosti dochází k částečné hydrolýze vnější vrstvy, která navíc tvoří hydroxid, tj. Al(OH) ₃ . Hliník je součástí různých minerálních hornin vyskytujících se v přírodě ve formě rud. K výrobě čistého hliníku se používají především jílovité bauxitové rudy. Nejčastěji se objevují v místech zvětrávání hlinitokřemičitanových hornin v horkém klimatu a obsahují i sloučeniny železa. Jsou to horniny s charakteristickou červenou nebo hnědou barvou, které se vyskytují ve dvou variantách: silikátové a uhličitanové.

Výroba hliníku vysoké čistoty

Vysoce čistý hliník (přes 99 %) se průmyslově získává jako výsledek dvou po sobě jdoucích procesů. V první se získá oxid hlinitý (Bayerův proces) a v další fázi se provede proces elektrolytické redukce (Hall–Héroultův proces), díky kterému se získá čistý hliník. Z důvodu snížení nákladů spojených s dopravou bauxitové rudy je většina zpracovatelských závodů postavena v blízkosti dolů.

Bayerův proces

První fází po vytěžení rudy je její promytí vodou. Tímto způsobem se odstraní většina ve vodě rozpustných nečistot. Poté se do takto připravené suroviny přidá CaO, neboli oxid vápenatý. Dále se drtí pomocí speciálních trubkových mlýnů, dokud zrna nemají velmi malý průměr, tj. pod 300 μm. Je nesmírně důležité surovinu jemně namlít, protože poskytuje dostatečně velký specifický povrch zrn, což se následně promítá do efektivnějšího procesu extrakce. Dalším stupněm výroby oxidu hlinitého je rozpouštění zrn vodným roztokem hydroxidu sodného. Ve skupině PCC se hydroxid sodný vyrábí membránovou elektrolýzou. Takto získaný produkt se vyznačuje neobvykle vysokou kvalitou a čistotou, přičemž splňuje požadavky nejnovějšího vydání Evropského lékopisu. Směs obsahující mletá zrna a hydroxid sodný se několik hodin skladuje ve speciálních reaktorech zvaných autoklávy. Během procesu srážení se v reaktorech udržuje vysoký tlak a zvýšená teplota. Tímto způsobem se získá hlinitan sodný, který se následně čistí pomocí různých filtrů. V dalším kroku se vyčištěný roztok hlinitanu sodného rozloží. V důsledku toho se získá louh sodný (jde o vodný roztok louhu sodného) a krystaly hydroxidu hlinitého s vysokým stupněm čistoty. Krystalizací získaná sraženina se poté odfiltruje a promyje vodou. Na druhé straně se zbývající louh sodný zahřívá a recykluje pro opětovné použití v procesu. Poslední fází výroby oxidu hlinitého je kalcinace. Spočívá v zahřívání hydroxidu hlinitého na teplotu nad 1000 ^o C, čímž dochází k jeho rozkladu na Al ₂ O ₃ , který se získává ve formě čistě bílého prášku. Takto připravený oxid hlinitý se dopravuje do pecí, aby se v procesu elektrolytické redukce získal kovový hliník.

Elektrolýza oxidu hlinitého

Dalším krokem při získávání čistého hliníku je provedení procesu elektrolýzy Hall-Héroultovou metodou. Nejprve se _A1203 získaný v _Bayerově procesu roztaví s kryolitem a poté se podrobí elektrolýze při teplotě nepřesahující 900 °C. Takto získaný tekutý hliník se odděluje od elektrolytu a odstraňuje z elektrolytických lázní pomocí tzv. vakuových sifonů. Surovina je poté odeslána do slévárenského zařízení, kde je následně zavedena do vyhřívaných pecí, ve kterých probíhá proces rafinace. Skládá se z čištění hliníku za účelem získání jeho maximální čistoty. Hliník lze průmyslově čistit dvěma způsoby. První spočívá v tavení hliníku a průchodu chloru , díky kterému jsou nečistoty vázány ve formě chloridů a odstraněny z procesu. Druhý způsob zahrnuje elektrolytickou redukci slitiny hliníku a mědi. Takto získaný konečný produkt se vyznačuje velmi vysokou čistotou.

Hliník – materiál budoucnosti

Vývoj metody výroby čistého hliníku z bauxitu Bayerovým procesem a Hall–Héroultovou elektrolýzou rozšířil uplatnění tohoto prvku. Navíc díky kombinaci vysoké pevnosti a lehkosti hliníku může v některých aplikacích nahradit dražší ocel. A co víc, pro svou odolnost vůči povětrnostním vlivům se hliník používá k výrobě okenních a dveřních profilů. Další výhodou je možnost jeho opakované recyklace, což z něj činí relativně ekologický materiál. Stručně řečeno, hliník je extrémně všestranný materiál, široce používaný v potravinářském, energetickém, chemickém, dopravním, stavebním, automobilovém a leteckém průmyslu. Vzhledem k jeho četným výhodám není rozsah jeho použití pravděpodobně ještě vyčerpán a hliník bude v blízké budoucnosti nadále získávat na oblibě.