อุตสาหกรรมอลูมิเนียม อลูมิเนียมบริสุทธิ์สูงได้มาอย่างไร?

โลหะชนิดนี้เป็นที่รู้จักมานานกว่า 2,000 ปีและมีลักษณะเฉพาะด้วยการใช้งานทางเทคนิคอย่างกว้างขวาง แล้วเราจะใช้มันทำอะไรได้บ้าง? อลูมิเนียมใช้ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่อยู่ในรูปของโลหะผสมซึ่งช่วยปรับปรุงคุณสมบัติการใช้งาน ในรูปแบบนี้จะกลายเป็นวัสดุก่อสร้างที่เป็นสากลพร้อมการใช้งานที่หลากหลายมาก ในบรรดาโลหะผสมอลูมิเนียมสามารถแยกแยะโลหะผสมหล่อและโลหะผสมที่ใช้สำหรับการขึ้นรูปพลาสติกได้ นอกจากอะลูมิเนียมแล้ว องค์ประกอบต่างๆ เช่น ทองแดง แมกนีเซียม ซิลิกอน และแมงกานีส ยังรวมอยู่ในองค์ประกอบด้วย อะลูมิเนียมอัลลอยด์ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการบิน อุตสาหกรรมเคมี อุตสาหกรรมยานยนต์ และแม้กระทั่งในการต่อเรือ อลูมิเนียมใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและในรูปแบบบริสุทธิ์ ในรูปแบบดังกล่าว ใช้ในการผลิตสิ่งของต่างๆ ของใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น กระจก กระป๋องสำหรับเครื่องดื่มและอาหาร เครื่องใช้ในครัว หรืออลูมิเนียมฟอยล์ที่รู้จักกันทั่วไป มันยังใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์เคมี สายไฟ และแม้แต่วัตถุระเบิด เพื่อแยกองค์ประกอบนี้ออกจากแร่อะลูมิเนียมจำเป็นต้องดำเนินการสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือกระบวนการของไบเออร์ ซึ่งช่วยให้ได้อะลูมิเนียมออกไซด์จากแร่ จากนั้นสารประกอบจะถูกนำไปอิเล็กโทรไลซิส ส่งผลให้มีการผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

อลูมิเนียมทำมาจากอะไร?

อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติเนื่องจากความสามารถในการทำให้เกิดฟิล์ม ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันของโลหะในที่ที่มีอากาศ ส่งผลให้เกิดชั้นป้องกันแบบพาสซีฟบนพื้นผิวของมัน ในกรณีของอะลูมิเนียม ขั้นแรกจะเคลือบด้วยชั้นของอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al ₂ O ₃ ) ที่มีความหนาไม่กี่นาโนเมตร จากนั้นภายใต้อิทธิพลของความชื้น ชั้นนอกจะถูกไฮโดรไลซิสบางส่วน ซึ่งทำให้เกิดไฮดรอกไซด์เพิ่มเติม เช่น Al(OH) ₃ . อลูมิเนียมเป็นส่วนหนึ่งของหินแร่ต่างๆ ที่พบในธรรมชาติในรูปของแร่ ในการผลิตอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ส่วนใหญ่จะใช้แร่อะลูมิเนียมเคลย์ลีย์ ส่วนใหญ่มักปรากฏในสถานที่ที่ผุกร่อนของหินอะลูมิโนซิลิเกตในสภาพอากาศร้อนและยังมีสารประกอบเหล็ก เป็นหินที่มีลักษณะเป็นสีแดงหรือสีน้ำตาล ซึ่งพบได้ 2 แบบคือ ซิลิเกตและคาร์บอเนต

การผลิตอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

อะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (มากกว่า 99%) ได้มาจากอุตสาหกรรมอันเป็นผลมาจากกระบวนการสองขั้นตอนที่ต่อเนื่องกัน ในขั้นแรกจะได้รับอะลูมิเนียมออกไซด์ (กระบวนการของไบเออร์) และในขั้นต่อไป กระบวนการลดอิเล็กโทรไลต์จะดำเนินการ (กระบวนการ Hall–Héroult) ซึ่งได้มาจากอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ เนื่องจากการลดต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งแร่บอกไซต์ โรงงานแปรรูปส่วนใหญ่จึงถูกสร้างขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับเหมือง

กระบวนการของไบเออร์

ขั้นตอนแรกหลังจากการสกัดแร่คือการล้างด้วยน้ำ ด้วยวิธีนี้ สิ่งเจือปนที่ละลายน้ำได้ส่วนใหญ่จะถูกลบออก จากนั้นเติม CaO หรือแคลเซียมออกไซด์ลงในวัตถุดิบที่เตรียมไว้ดังกล่าว ถัดไป บดโดยใช้โรงสีแบบพิเศษจนกว่าเมล็ดพืชจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กมาก คือ ต่ำกว่า 300 ไมโครเมตร การบดวัตถุดิบให้ละเอียดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากให้พื้นที่ผิวจำเพาะของเมล็ดพืชที่มีขนาดใหญ่เพียงพอ ซึ่งส่งผลให้กระบวนการสกัดมีประสิทธิภาพมากขึ้น ขั้นต่อไปในการผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์คือการละลายของเมล็ดพืชด้วยสารละลายโซดาไฟที่เป็นน้ำ ในกลุ่ม PCC โซเดียมไฮดรอกไซด์ผลิตโดยอิเล็กโทรลิซิสเมมเบรน ผลิตภัณฑ์ที่ได้มาในลักษณะนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยคุณภาพและความบริสุทธิ์สูงอย่างผิดปกติ ในขณะที่เป็นไปตามข้อกำหนดของ European Pharmacopoeia ฉบับล่าสุด ส่วนผสมที่ประกอบด้วยเมล็ดธัญพืชและ โซเดียมไฮดรอกไซด์ จะถูกเก็บไว้เป็นเวลาหลายชั่วโมงในเครื่องปฏิกรณ์พิเศษที่เรียกว่าหม้อนึ่งความดัน ในระหว่างกระบวนการตกตะกอน ความดันสูงและอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะคงอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยวิธีนี้จะได้โซเดียมอะลูมิเนตซึ่งจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยใช้ตัวกรองต่างๆ ในขั้นตอนต่อไป สารละลายโซเดียมอะลูมิเนตบริสุทธิ์จะสลายตัว เป็นผลให้ได้ น้ำด่าง (เป็นสารละลายของโซดาไฟ) และผลึกของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง จากนั้นตะกอนที่ได้จากการตกผลึกจะถูกกรองและล้างด้วยน้ำ ในทางกลับกัน น้ำด่างโซดาที่เหลือจะถูกให้ความร้อนและนำกลับมาใช้ใหม่ในกระบวนการ ขั้นตอนสุดท้ายของการผลิตอะลูมิเนียมออกไซด์คือการเผา ประกอบด้วยการให้ความร้อน อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 ^o C ซึ่งส่งผลให้เกิดการสลายตัวเป็น Al ₂ O ₃ ซึ่งได้มาในรูปของผงสีขาวบริสุทธิ์ อะลูมิเนียมออกไซด์ที่เตรียมด้วยวิธีนี้จะถูกส่งไปยังเตาเผาเพื่อให้ได้อะลูมิเนียมที่เป็นโลหะในกระบวนการรีดิวซ์ด้วยไฟฟ้า

อิเล็กโทรลิซิสของอะลูมิเนียมออกไซด์

ขั้นตอนต่อไปในการรับอะลูมิเนียมบริสุทธิ์คือดำเนินการกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสโดยใช้วิธี Hall–Héroult ประการแรก Al ₂ O ₃ ที่ได้จากกระบวนการไบเออร์ถูกหลอมด้วยไครโอไลต์ จากนั้นผ่านอิเล็กโทรไลซิสที่อุณหภูมิไม่เกิน 900 องศาเซลเซียส อลูมิเนียมเหลวที่ได้จากวิธีนี้จะถูกแยกออกจากอิเล็กโทรไลต์และนำออกจากอ่างอิเล็กโทรไลต์โดยใช้กาลักน้ำสูญญากาศที่เรียกว่า จากนั้นวัตถุดิบจะถูกส่งไปยังอุปกรณ์โรงหล่อ จากนั้นจึงนำเข้าไปในเตาเผาที่ให้ความร้อนซึ่งจะมีกระบวนการกลั่น ประกอบด้วยอะลูมิเนียมบริสุทธิ์เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์สูงสุด อลูมิเนียมสามารถทำให้บริสุทธิ์ทางอุตสาหกรรมได้โดยใช้สองวิธี อันแรกประกอบด้วยอะลูมิเนียมหลอมเหลวและผ่าน คลอรีน ผ่านเข้าไป ซึ่งสิ่งเจือปนจะถูกจับในรูปของคลอไรด์และนำออกจากกระบวนการ วิธีที่สองเกี่ยวข้องกับการลดอิเล็กโทรไลต์ของอลูมิเนียม – โลหะผสมทองแดง ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ได้รับในลักษณะนี้มีความบริสุทธิ์สูงมาก

อลูมิเนียม – วัสดุแห่งอนาคต

การพัฒนาวิธีการผลิตอะลูมิเนียมบริสุทธิ์จากอะลูมิเนียมโดยใช้กระบวนการไบเออร์และกระบวนการอิเล็กโทรไลต์ของ Hall–Héroult ได้ขยายการประยุกต์ใช้องค์ประกอบนี้ นอกจากนี้ เนื่องจากอะลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา ในบางการใช้งานจึงสามารถทดแทนเหล็กที่มีราคาแพงกว่าได้ ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากอะลูมิเนียมทนทานต่อสภาพอากาศ จึงใช้อะลูมิเนียมในการผลิตโปรไฟล์หน้าต่างและประตู ข้อดีอีกประการหนึ่งคือมีความเป็นไปได้ที่จะสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลายครั้ง ทำให้เป็นวัสดุที่ค่อนข้างเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม โดยสรุป อลูมิเนียมเป็นวัสดุที่ใช้งานได้หลากหลาย ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหาร พลังงาน เคมี การขนส่ง การก่อสร้าง ยานยนต์ และการบินและอวกาศ เนื่องจากข้อดีหลายประการ ขอบเขตการใช้งานอาจยังไม่หมด และอะลูมิเนียมจะยังคงได้รับความนิยมต่อไปในอนาคตอันใกล้