Hliníkový priemysel. Ako sa získava hliník vysokej čistoty?

Tento kov je známy už viac ako 2000 rokov a vyznačuje sa širokým technickým využitím. Na čo ho teda môžeme použiť? Hliník sa v priemysle používa najmä vo forme zliatin, čo zlepšuje jeho úžitkové vlastnosti. V takejto podobe sa stáva univerzálnym stavebným materiálom s veľmi všestranným využitím. Medzi zliatinami hliníka možno rozlíšiť zliatiny na odlievanie a zliatiny používané na tvárnenie plastov. Okrem hliníka sú v ich zložení zahrnuté prvky ako meď, horčík, kremík a mangán. Zliatiny hliníka sa používajú okrem iného v letectve, chemickom priemysle, automobilovom priemysle a dokonca aj v lodiarstve. Hliník je široko používaný v priemysle aj vo svojej čistej forme. V takejto podobe sa používa na výrobu rôznych predmetov každodennej potreby, ako sú zrkadlá, plechovky od nápojov a potravín, kuchynské náčinie alebo bežne známe hliníkové fólie. Používa sa tiež na výrobu chemických zariadení, elektrických drôtov a dokonca aj výbušnín. Na izoláciu tohto prvku od bauxitovej rudy je potrebné vykonať dva kroky. Prvým z nich je Bayerov proces, ktorý umožňuje získať oxid hlinitý z minerálu. Zlúčenina sa potom podrobí elektrolýze, výsledkom čoho je výroba hliníka vysokej čistoty.

Z čoho je vyrobený hliník?

Čistý hliník sa v prírode prirodzene nevyskytuje kvôli jeho schopnosti pasivácie. Tento jav zahŕňa oxidáciu kovu v prítomnosti vzduchu, výsledkom čoho je pasívna ochranná vrstva na jeho povrchu. V prípade hliníka sa najskôr potiahne vrstvou oxidu hlinitého (Al ₂ O ₃ ) s hrúbkou niekoľkých nm. Vonkajšia vrstva potom vplyvom vlhkosti podlieha čiastočnej hydrolýze, ktorá navyše tvorí hydroxid, teda Al(OH) ₃ . Hliník je súčasťou rôznych minerálnych hornín nachádzajúcich sa v prírode vo forme rúd. Na výrobu čistého hliníka sa používajú najmä ílovité bauxitové rudy. Najčastejšie sa objavujú v miestach zvetrávania hlinitokremičitanových hornín v horúcom podnebí a obsahujú aj zlúčeniny železa. Sú to horniny s charakteristickou červenou alebo hnedou farbou, ktoré sa vyskytujú v dvoch variantoch: kremičitan a uhličitan.

Výroba hliníka vysokej čistoty

Hliník s vysokou čistotou (nad 99 %) sa priemyselne získava ako výsledok dvoch po sebe nasledujúcich procesov. V prvej sa získa oxid hlinitý (Bayerov proces) av ďalšej fáze sa uskutoční proces elektrolytickej redukcie (Hall–Héroultov proces), vďaka ktorému sa získa čistý hliník. Z dôvodu zníženia nákladov spojených s prepravou bauxitovej rudy je väčšina spracovateľských závodov postavená v blízkosti baní.

Bayerov proces

Prvou fázou po extrakcii rudy je jej premytie vodou. Týmto spôsobom sa odstráni väčšina vo vode rozpustných nečistôt. Potom sa do takto pripravenej suroviny pridá CaO, čiže oxid vápenatý. Potom sa drví pomocou špeciálnych rúrových mlynov, kým zrná nemajú veľmi malý priemer, tj pod 300 μm. Je mimoriadne dôležité jemne mletú surovinu, pretože poskytuje dostatočne veľký špecifický povrch zŕn, čo sa následne premieta do efektívnejšieho procesu extrakcie. Ďalším stupňom výroby oxidu hlinitého je rozpúšťanie zŕn vodným roztokom hydroxidu sodného. V skupine PCC sa hydroxid sodný vyrába membránovou elektrolýzou. Takto získaný produkt sa vyznačuje nezvyčajne vysokou kvalitou a čistotou, pričom spĺňa požiadavky najnovšieho vydania Európskeho liekopisu. Zmes obsahujúca mleté zrná a hydroxid sodný sa niekoľko hodín skladuje v špeciálnych reaktoroch nazývaných autoklávy. Počas procesu zrážania sa v reaktoroch udržiava vysoký tlak a zvýšená teplota. Týmto spôsobom sa získa hlinitan sodný, ktorý sa potom čistí pomocou rôznych filtrov. V ďalšom kroku sa vyčistený roztok hlinitanu sodného rozkladá. V dôsledku toho sa získa lúh sodný (je to vodný roztok lúhu sodného) a kryštály hydroxidu hlinitého s vysokým stupňom čistoty. Kryštalizáciou získaná zrazenina sa potom odfiltruje a premyje vodou. Na druhej strane sa zostávajúci lúh sodný zahrieva a recykluje na opätovné použitie v procese. Poslednou fázou výroby oxidu hlinitého je kalcinácia. Spočíva v zahrievaní hydroxidu hlinitého na teplotu nad 1000 ^o C, čím dochádza k jeho rozkladu na Al ₂ O ₃ , ktorý sa získa vo forme čistého bieleho prášku. Takto pripravený oxid hlinitý sa prepravuje do pecí, aby sa v procese elektrolytickej redukcie získal kovový hliník.

Elektrolýza oxidu hlinitého

Ďalším krokom pri získavaní čistého hliníka je uskutočnenie procesu elektrolýzy Hall-Héroultovou metódou. Po prvé, _Al203 získaný v _Bayerovom procese sa roztaví s kryolitom a potom sa podrobí elektrolýze pri teplote nepresahujúcej 900 °C. Takto získaný tekutý hliník sa oddeľuje od elektrolytu a odstraňuje z elektrolytických kúpeľov pomocou takzvaných vákuových sifónov. Surovina sa potom posiela do zlievarenského zariadenia, kde sa potom zavádza do vyhrievaných pecí, v ktorých prebieha proces rafinácie. Pozostáva z čistiaceho hliníka s cieľom získať jeho maximálnu čistotu. Hliník možno priemyselne čistiť dvoma spôsobmi. Prvý spočíva v roztavení hliníka a prechode chlóru , vďaka čomu sa nečistoty naviažu vo forme chloridov a odstránia sa z procesu. Druhá metóda zahŕňa elektrolytickú redukciu zliatiny hliníka a medi. Takto získaný konečný produkt sa vyznačuje veľmi vysokou čistotou.

Hliník – materiál budúcnosti

Vývoj metódy výroby čistého hliníka z bauxitu pomocou Bayerovho procesu a Hall–Héroultovej elektrolýzy rozšíril uplatnenie tohto prvku. Navyše vďaka kombinácii vysokej pevnosti a ľahkosti hliníka môže v niektorých aplikáciách nahradiť drahšiu oceľ. A čo viac, pre svoju odolnosť voči poveternostným vplyvom sa hliník používa na výrobu okenných a dverových profilov. Ďalšou výhodou je možnosť opakovanej recyklácie, čím sa stáva relatívne ekologickým materiálom. Stručne povedané, hliník je mimoriadne všestranný materiál, ktorý sa široko používa v potravinárskom, energetickom, chemickom, dopravnom, stavebnom, automobilovom a leteckom priemysle. Pre svoje početné výhody sa rozsah jeho použitia pravdepodobne ešte nevyčerpal a hliník bude v blízkej budúcnosti naďalej získavať na popularite.