알루미늄

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금속 원소 알루미늄은 지각에서 세 번째로 풍부한 원소로 지구 토양과 암석의 8%를 구성합니다(산소와 규소는 각각 47%와 28%). 자연에서 알루미늄은 황, 규소 및 산소와 같은 다른 원소와 함께 화합물에서만 발견됩니다. 순수한 금속 알루미늄은 산화알루미늄 광석에서만 경제적으로 생산할 수 있습니다.

금속 알루미늄은 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용할 수 있는 많은 특성을 가지고 있습니다. 가볍고, 강하고, 비자성이며, 무독성입니다. 열과 전기를 전도하고 열과 빛을 반사합니다. 강하지만 쉽게 작업할 수 있으며 극한의 추위에서도 부서지지 않고 강도를 유지합니다. 알루미늄 표면은 빠르게 산화되어 부식에 대한 보이지 않는 장벽을 형성합니다. 또한 알루미늄은 쉽고 경제적으로 새로운 제품으로 재활용할 수 있습니다.

배경

알루미늄 화합물은 수천 년 동안 유용한 것으로 입증되었습니다. 기원전 5000년경 <소> , 페르시아 도공들은 산화알루미늄이 함유된 점토로 가장 강한 그릇을 만들었습니다. 고대 이집트인과 바빌로니아인은 직물 염료, 화장품 및 의약품에 알루미늄 화합물을 사용했습니다. 그러나 알루미늄이 원소로 확인되고 순수한 금속으로 분리된 것은 19세기 초가 되어서였습니다. 천연 화합물에서 알루미늄을 추출하는 어려움으로 인해 금속은 수년 동안 희귀하게 유지되었습니다. 발견된 지 반세기가 지났지만 여전히 은만큼 희귀하고 가치가 있었습니다.

1886년 22세의 두 과학자가 알루미늄의 경제적인 대량 생산을 가능하게 하는 제련 공정을 독립적으로 개발했습니다. 미국과 프랑스 발명가의 이름을 따서 Hall-Heroult 공정으로 알려진 이 공정은 오늘날에도 여전히 주요 알루미늄 생산 방법입니다. 1888년 오스트리아의 화학자가 개발한 알루미늄 광석을 정제하는 바이엘 공정도 알루미늄의 경제적인 대량 생산에 크게 기여했습니다.

1884년 미국에서 125파운드(60kg)의 알루미늄이 생산되어 은과 거의 같은 단가에 팔렸습니다. 1995년에 미국 공장은 78억 파운드(360만 미터톤)의 알루미늄을 생산했으며 은 가격은 알루미늄 가격의 75배였습니다.

원자재

알루미늄 화합물은 모든 유형의 점토에서 발생하지만 순수 알루미늄을 생산하는 데 가장 유용한 광석은 보크사이트입니다. 보크사이트는 45~60%의 산화알루미늄과 모래, 철 및 기타 금속과 같은 다양한 불순물로 구성됩니다. 일부 보크사이트 광상은 단단한 암석이지만 대부분은 노천 광산에서 쉽게 파낼 수 있는 비교적 부드러운 흙으로 구성되어 있습니다. 호주는 전 세계 보크사이트 공급량의 3분의 1 이상을 생산합니다. 알루미늄 금속 1파운드(0.5kg)를 생산하는 데 약 4파운드(2kg)의 보크사이트가 필요합니다.

가성소다(수산화나트륨)는 보크사이트에서 발견되는 알루미늄 화합물을 용해하여 불순물과 분리하는 데 사용됩니다. 보크사이트 광석의 조성에 따라 상대적으로 소량의 다른 화학물질이 추출에 사용될 수 있습니다. 알루미늄은 보크사이트 광석을 정제하여 산화알루미늄을 얻는 바이엘 공정의 두 단계로 제조됩니다. - 산화알루미늄을 제련하여 순수한 알루미늄을 방출하는 Heroult 공정. 알루미늄. 전분, 석회 및 황화나트륨이 몇 가지 예입니다.

나트륨, 알루미늄 및 불소로 구성된 화합물인 빙정석은 제련 작업에서 전해질(전류 전도 매체)로 사용됩니다. 자연적으로 발생하는 빙정석은 한때 그린란드에서 채굴되었지만 지금은 알루미늄 생산에 사용하기 위해 합성물을 생산합니다. 전해액의 녹는점을 낮추기 위해 불화알루미늄을 첨가한다.

제련 작업에 사용되는 다른 주요 성분은 탄소입니다. 탄소 전극은 전해질을 통해 전류를 전달합니다. 제련 작업 중에 탄소의 일부는 산소와 결합하여 이산화탄소를 형성함에 따라 소비됩니다. 사실, 생산된 알루미늄 2.2kg당 약 0.2kg의 탄소가 사용됩니다. 알루미늄 제련에 사용되는 탄소 중 일부는 정유 부산물입니다. 추가 탄소는 석탄에서 얻습니다.

알루미늄 제련은 용융된 전해질에 전류를 흐르게 하기 때문에 많은 양의 전기 에너지가 필요합니다. 평균적으로 1kg의 알루미늄을 생산하려면 15kWh의 에너지가 필요합니다. 전기 비용은 알루미늄 제련 비용의 약 1/3을 차지합니다.

제조
프로세스

알루미늄 제조는 보크사이트 광석을 정제하여 산화알루미늄을 얻는 바이엘 공정과 산화알루미늄을 제련하여 순수한 알루미늄을 방출하는 Hall-Heroult 공정의 두 단계로 이루어집니다.

바이엘 프로세스

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1 먼저 보크사이트 광석을 기계적으로 파쇄한다. 그런 다음 분쇄된 광석을 가성 소다와 혼합하고 분쇄기에서 처리하여 매우 미세한 광석 입자를 포함하는 슬러리(수상 현탁액)를 생성합니다.

2 슬러리는 압력솥과 같은 기능을 하는 탱크인 소화조로 펌핑됩니다. 슬러리는 50lb/in ² 압력 하에서 230-520°F(110-270°C)로 가열됩니다. (340kPa). 이러한 조건은 30분에서 몇 시간 동안 유지됩니다. 모든 알루미늄 함유 화합물이 용해되도록 추가 가성 소다를 첨가할 수 있습니다.

3 현재 알루민산나트륨 용액이 된 뜨거운 슬러리는 압력을 낮추고 정제 공정에서 재사용할 수 있는 열을 회수하는 일련의 플래시 탱크를 통과합니다.

4 슬러리는 침전 탱크로 펌핑됩니다. 슬러리가 이 탱크에 머물면서 가성소다에 용해되지 않는 불순물이 용기 바닥에 침전됩니다. 한 제조업체는 이 과정을 설탕 물 한 컵의 바닥에 고운 모래가 가라앉는 것과 비교합니다. 침전조의 알루미늄이 가성소다에 녹아 있는 것처럼 설탕은 물에 녹아 있기 때문에 침전되지 않습니다. 탱크 바닥에 축적되는 잔류물("적니"라고 함)은 고운 모래, 산화철 및 티타늄과 같은 미량 원소의 산화물로 구성됩니다.

5 불순물이 가라앉은 후, 약간 커피처럼 보이는 나머지 액체는 일련의 천 필터를 통해 펌핑됩니다. 용액에 남아 있는 불순물의 미세한 입자는 필터에 의해 갇힙니다. 이 물질은 재사용이 가능한 알루미나와 가성소다를 회수하기 위해 세척됩니다.

6 여과된 액체는 6층 높이의 일련의 침전 탱크를 통해 펌핑됩니다. 알루미나 수화물의 종자 결정(물 분자에 결합된 알루미나)이 각 탱크의 상단을 통해 추가됩니다. 종자 결정은 액체를 통해 침전되고 용해된 알루미나가 부착됨에 따라 성장합니다.

7 결정이 침전되고(탱크 바닥에 가라앉음) 제거됩니다. 세척 후 소성(알루미나 분자에 화학적으로 결합된 물 분자를 방출하기 위한 가열)을 위해 가마로 옮겨집니다. 스크류 컨베이어는 중력에 의해 재료가 이동할 수 있도록 기울어진 회전하는 원통형 가마로 연속적인 결정 흐름을 이동합니다. 2,000°F(1,100°C)의 온도는 물 분자를 몰아내고 무수(물이 없는) 알루미나 결정을 남깁니다. 가마를 떠난 후 결정은 냉각기를 통과합니다.

Hall-Heroult 프로세스

알루미나를 금속 알루미늄으로 제련하는 것은 환원 냄비라고 하는 강철 통에서 발생합니다. 냄비 바닥에는 시스템의 하나의 전극(전류 전도체) 역할을 하는 탄소가 늘어서 있습니다. 반대쪽 전극은 냄비 위에 매달린 탄소 막대 세트로 구성됩니다. 그것들을 전해질 용액으로 낮추고 냄비 바닥에 쌓이는 용융 알루미늄 표면 위로 약 3.8cm(1.5인치)를 유지합니다. 환원 포트는 직렬로 연결되어 전기 회로를 형성하는 50-200개의 포트로 구성된 행(포트라인)으로 배열됩니다. 각 포트라인은 연간 66,000-110,000톤(60,000-100,000미터톤)의 알루미늄을 생산할 수 있습니다. 일반적인 제련 공장은 2개 또는 3개의 포트라인으로 구성됩니다.

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8 환원 포트 내에서 알루미나 결정은 1,760-1,780°F(960-970°C)의 온도에서 용융된 빙정석에 용해되어 탄소 막대에서 탄소 안감으로 전기를 전도하는 전해질 용액을 형성합니다. 냄비 침대. 직류(4-6볼트 및 100,000-230,000암페어)가 용액을 통과합니다. 결과 반응은 알루미나 분자의 알루미늄과 산소 원자 사이의 결합을 끊습니다. 방출된 산소는 탄소 막대에 끌어당겨서 이산화탄소를 형성합니다. 유리된 알루미늄 원자는 용융 금속으로 냄비 바닥에 가라앉습니다.

제련 공정은 분해된 화합물을 대체하기 위해 빙정석 용액에 더 많은 알루미나가 추가되는 연속 공정입니다. 일정한 전류가 유지됩니다. 바닥 전극에서 전기의 흐름에 의해 발생하는 열은 포트의 내용물을 액체 상태로 유지하지만 용융된 전해질 위에 크러스트가 형성되는 경향이 있습니다. 주기적으로 껍질을 깨서 처리를 위해 더 많은 알루미나를 추가할 수 있습니다. 순수한 용융 알루미늄은 냄비 바닥에 축적되어 사이펀으로 제거됩니다. 냄비는 하루 24시간 연중무휴로 운영됩니다.

9 도가니가 포트라인 아래로 이동하여 99.8% 순도인 9,000lb(4,000kg)의 용융 알루미늄을 수집합니다. 금속은 고정로로 옮겨진 다음 잉곳으로 주조(금형에 부어짐)됩니다. 한 가지 일반적인 기술은 용융 알루미늄을 길고 수평인 주형에 붓는 것입니다. 금속이 주형을 통과하면서 외부가 물로 냉각되어 알루미늄이 응고됩니다. 중실 샤프트는 원하는 길이의 잉곳을 형성하기 위해 적절한 간격으로 톱질되는 몰드의 맨 끝에서 나옵니다. 제련 공정 자체와 마찬가지로 이 주조 공정도 연속적입니다.

부산물/폐기물

바이엘 공정에 의해 생산되고 Hall-Heroult 공정의 원료를 구성하는 중간 물질인 알루미나 역시 유용한 최종 제품입니다. 활석 가루에서 과립 설탕에 이르기까지 일관성이있는 흰색의 가루 물질입니다. 세탁세제, 치약, 형광등 등 다양한 제품에 사용 가능합니다. 세라믹 재료의 중요한 성분입니다. 예를 들어, 군용 비행기의 틀니, 점화 플러그 및 투명 세라믹 앞유리를 만드는 데 사용됩니다. 효과적인 연마 화합물로 컴퓨터 하드 드라이브를 마감하는 데 사용됩니다. 그것의 화학적 성질은 촉매 변환기 및 폭발물을 포함한 다른 많은 응용 분야에서 효과적입니다. 로켓 연료에도 사용됩니다. 우주 왕복선을 발사할 때마다 400,000파운드(180,000kg)가 소모됩니다. 매년 생산되는 알루미나의 약 10%가 알루미늄 제조 이외의 용도로 사용됩니다.

보크사이트 정제에서 생성되는 가장 큰 폐기물은 "적니"라고 불리는 광미(광석 폐기물)입니다. 정제소는 알루미나와 거의 같은 양의 적니를 생산합니다(건조 중량 기준). 여기에는 철, 티타늄, 소다 및 알루미나와 같은 유용한 물질이 포함되어 있지만 아무도 이를 회수할 수 있는 경제적인 방법을 개발하지 못했습니다. 상업적으로 석조물을 채색하는 데 사용되는 소량의 붉은 진흙을 제외하고는 이것은 정말 폐기물입니다. 대부분의 정제소는 수분의 일부가 증발할 수 있도록 개방된 연못에 적니를 단순히 수집합니다. 진흙이 몇 년이 걸릴 수 있을 만큼 충분히 단단할 정도로 건조되면 흙으로 덮이거나 흙과 섞입니다.

제련 작업 중 탄소 전극이 분해되어 여러 유형의 폐기물이 생성됩니다. 미국의 알루미늄 공장은 상당한 양의 온실 가스를 생성하여 매년 약 550만 톤(5백만 미터 톤)의 이산화탄소와 3,300톤(3,000미터 톤)의 과불화탄소(탄소와 불소의 화합물)를 생성합니다.

매년 약 120,000톤(110,000미터톤)의 폐 포터라이닝(SPL) 재료가 알루미늄 환원 포트에서 제거됩니다. 환경 보호국(EPA)에 의해 유해 물질로 지정된 SPL은 업계에 심각한 폐기 문제를 제기했습니다. 1996년에 계획된 일련의 재활용 공장 중 첫 번째 공장이 문을 열었습니다. 이 공장은 SPL을 유리 및 세라믹을 제조할 수 있는 중간 제품인 유리 프릿으로 변환합니다. 궁극적으로 재활용된 SPL은 세라믹 타일, 유리 섬유 및 아스팔트 슁글 과립과 같은 제품에 나타납니다.

미래

미국의 거의 모든 알루미늄 생산자는 EPA와 긴밀히 협력하여 업계가 직면한 오염 문제에 대한 해결책을 찾는 조직인 자발적 알루미늄 산업 파트너십(VAIP)의 회원입니다. 연구의 주요 초점은 알루미늄 환원 포트용 불활성(화학적 비활성) 전극 재료를 개발하려는 노력입니다. 티타늄-이붕화물-흑연 화합물은 상당한 가능성을 보여줍니다. 이 새로운 기술이 완성될 때 기대되는 이점 중에는 온실 가스 배출이 제거되고 제련 작업 중 에너지 사용이 25% 감소하는 것입니다.