Industria dell’alluminio. Come si ottiene l’alluminio di elevata purezza?

Questo metallo è noto da oltre 2000 anni ed è caratterizzato da un’ampia applicazione tecnica. Allora per cosa possiamo usarlo? L’alluminio è utilizzato nell’industria principalmente sotto forma di leghe, il che ne migliora le proprietà utilizzabili. In tale forma diventa un materiale da costruzione universale con un’applicazione molto versatile. Tra le leghe di alluminio si possono distinguere le leghe da colata e le leghe utilizzate per la formatura della plastica. Oltre all’alluminio, nella loro composizione sono inclusi elementi come rame, magnesio, silicio e manganese. Le leghe di alluminio sono utilizzate, tra l’altro, nell’aviazione, nell’industria chimica, nell’industria automobilistica e persino nella costruzione navale. L’alluminio è ampiamente utilizzato nell’industria anche nella sua forma pura. In tale forma viene utilizzato per la produzione di vari oggetti di uso quotidiano, come specchi, lattine per bevande e alimenti, utensili da cucina o comunemente noti fogli di alluminio. Viene anche utilizzato per la produzione di apparecchiature chimiche, cavi elettrici e persino esplosivi. Per isolare questo elemento dal minerale di bauxite, è necessario eseguire due passaggi. Il primo di questi è il processo Bayer, che permette di ottenere l’ossido di alluminio dal minerale. Il composto viene quindi sottoposto ad elettrolisi, con conseguente produzione di alluminio di elevata purezza.

Di cosa è fatto l’alluminio?

L’alluminio puro non si trova naturalmente in natura a causa della sua capacità di passivare. Questo fenomeno comporta l’ossidazione del metallo in presenza di aria, determinando uno strato protettivo passivo sulla sua superficie. Nel caso dell’alluminio, viene dapprima rivestito con uno strato di ossido di alluminio (Al ₂ O ₃ ) con uno spessore di pochi nm. Quindi, sotto l’influenza dell’umidità, lo strato esterno subisce un’idrolisi parziale, che forma inoltre idrossido, cioè Al(OH) ₃ . L’alluminio fa parte di varie rocce minerali che si trovano in natura sotto forma di minerali. Per produrre alluminio puro, vengono utilizzati principalmente minerali di bauxite argillosa. Appaiono più spesso nei luoghi di esposizione agli agenti atmosferici delle rocce di alluminosilicato in un clima caldo e contengono anche composti di ferro. Sono rocce dal caratteristico colore rosso o marrone, che si presentano in due varietà: silicato e carbonato.

Produzione di alluminio ad alta purezza

L’alluminio ad alta purezza (oltre il 99%) è ottenuto industrialmente a seguito di due processi consecutivi. Nella prima si ottiene l’ossido di alluminio (processo Bayer), e nella fase successiva si effettua un processo di riduzione elettrolitica (processo Hall–Héroult), grazie al quale si ottiene alluminio puro. A causa della riduzione dei costi legati al trasporto del minerale di bauxite, la maggior parte degli impianti di lavorazione sono costruiti in prossimità delle miniere.

Il processo Bayer

La prima fase dopo l’estrazione del minerale è il lavaggio con acqua. In questo modo vengono rimosse la maggior parte delle impurità idrosolubili. Quindi CaO, o ossido di calcio, viene aggiunto a tale materia prima preparata. Successivamente viene frantumato con appositi mulini a tubi fino a che i chicchi non abbiano un diametro molto piccolo, cioè inferiore a 300 μm. È estremamente importante macinare finemente la materia prima, in quanto fornisce una superficie specifica dei grani sufficientemente ampia, che a sua volta si traduce in un processo di estrazione più efficiente. La fase successiva nella produzione di ossido di alluminio è la dissoluzione dei grani con una soluzione acquosa di soda caustica. Nel gruppo PCC, l’idrossido di sodio è prodotto dall’elettrolisi della membrana. Il prodotto così ottenuto è caratterizzato da qualità e purezza insolitamente elevate, pur soddisfacendo i requisiti dell’ultima edizione della Farmacopea Europea. La miscela contenente grani macinati e idrossido di sodio viene conservata per diverse ore in appositi reattori detti autoclavi. Durante il processo di precipitazione, nei reattori vengono mantenute alta pressione e temperatura elevata. In questo modo si ottiene l’alluminato di sodio, che viene poi purificato mediante vari filtri. Nella fase successiva, la soluzione purificata di alluminato di sodio si decompone. Di conseguenza, si ottiene la soda caustica (è una soluzione acquosa di soda caustica) e cristalli di idrossido di alluminio con un elevato grado di purezza. Il precipitato ottenuto per cristallizzazione viene quindi filtrato e lavato con acqua. A sua volta, la soda rimanente viene riscaldata e riciclata per essere riutilizzata nel processo. L’ultima fase della produzione di ossido di alluminio è la calcinazione. Consiste nel riscaldare l’idrossido di alluminio ad una temperatura superiore a 1000 ^o C, che provoca la sua decomposizione in Al ₂ O ₃ , che si ottiene sotto forma di una polvere bianca pura. L’ossido di alluminio così preparato viene trasportato ai forni per ottenere alluminio metallico nel processo di riduzione elettrolitica.

Elettrolisi dell’ossido di alluminio

Il passo successivo per ottenere alluminio puro è condurre il processo di elettrolisi utilizzando il metodo Hall–Héroult. In primo luogo, l’Al ₂ O ₃ ottenuto con il processo Bayer viene fuso con criolite e quindi sottoposto ad elettrolisi ad una temperatura non superiore a 900°C. L’alluminio liquido così ottenuto viene separato dall’elettrolita e rimosso dai bagni elettrolitici mediante i cosiddetti sifoni sottovuoto. La materia prima viene quindi inviata ad un dispositivo di fonderia, dove viene poi introdotta in forni riscaldati in cui avviene il processo di raffinazione. Consiste nel purificare l’alluminio per ottenere la sua massima purezza. L’alluminio può essere purificato industrialmente utilizzando due metodi. Il primo consiste nella fusione dell’alluminio e nel passaggio del cloro , grazie al quale le impurità vengono legate sotto forma di cloruri e rimosse dal processo. Il secondo metodo prevede la riduzione elettrolitica della lega di alluminio – rame. Il prodotto finale così ottenuto è caratterizzato da una purezza molto elevata.

Alluminio: il materiale del futuro

Lo sviluppo di un metodo per la produzione di alluminio puro dalla bauxite utilizzando il processo Bayer e l’elettrolisi Hall–Héroult ha ampliato l’applicazione di questo elemento. Inoltre, grazie alla combinazione di elevata resistenza e leggerezza dell’alluminio, in alcune applicazioni può sostituire l’acciaio più costoso. Inoltre, per la sua resistenza agli agenti atmosferici, l’alluminio viene utilizzato per la produzione di profili per porte e finestre. Un altro vantaggio è la possibilità di poter essere riciclato ripetutamente, rendendolo un materiale relativamente ecologico. In sintesi, l’alluminio è un materiale estremamente versatile, ampiamente utilizzato nei settori alimentare, energetico, chimico, dei trasporti, edile, automobilistico e aerospaziale. A causa dei suoi numerosi vantaggi, l’ambito del suo utilizzo probabilmente non è ancora esaurito e l’alluminio continuerà a guadagnare popolarità nel prossimo futuro.