Kovový prvek hliník je třetím nejhojnějším prvkem v zemské kůře, tvoří 8 % půdy a hornin planety (kyslík tvoří 47 % a křemík 28 %). V přírodě se hliník vyskytuje pouze v chemických sloučeninách s jinými prvky, jako je síra, křemík a kyslík. Čistý kovový hliník lze ekonomicky vyrábět pouze z rudy oxidu hlinitého.
Kovový hliník má mnoho vlastností, díky kterým je užitečný v široké škále aplikací. Je lehký, pevný, nemagnetický a netoxický. Vede teplo a elektřinu a odráží teplo a světlo. Je pevný, ale snadno opracovatelný a zachovává si pevnost i za extrémních mrazů, aniž by zkřehl. Povrch hliníku rychle oxiduje a vytváří neviditelnou bariéru proti korozi. Kromě toho lze hliník snadno a hospodárně recyklovat do nových výrobků.
Pozadí
Sloučeniny hliníku se osvědčují již tisíce let. Kolem roku 5000 př. n. l. , perští hrnčíři vyráběli své nejsilnější nádoby z hlíny, která obsahovala oxid hlinitý. Staří Egypťané a Babyloňané používali sloučeniny hliníku v barvách na tkaniny, kosmetice a lécích. Teprve na počátku devatenáctého století však byl hliník identifikován jako prvek a izolován jako čistý kov. Vzhledem k obtížnosti extrakce hliníku z jeho přírodních sloučenin byl tento kov po mnoho let vzácný; půl století po jeho objevu byl stále stejně vzácný a cenný jako stříbro.
V roce 1886 dva dvaadvacetiletí vědci nezávisle na sobě vyvinuli proces tavení, který umožnil ekonomickou masovou výrobu hliníku. Tento proces, známý jako Hall-Heroultův proces podle svých amerických a francouzských vynálezců, je dodnes hlavní metodou výroby hliníku. Bayerův proces rafinace hliníkové rudy, který v roce 1888 vyvinul rakouský chemik, rovněž významně přispěl k hospodárné masové výrobě hliníku.
V roce 1884 bylo ve Spojených státech vyrobeno 125 liber (60 kg) hliníku, který se prodával za přibližně stejnou jednotkovou cenu jako stříbro. V roce 1995 vyrobily americké závody 7,8 miliardy liber (3,6 milionu tun) hliníku a cena stříbra byla pětasedmdesátkrát vyšší než cena hliníku.
Suroviny
Sloučeniny hliníku se vyskytují ve všech typech jílů, ale rudou, která je pro výrobu čistého hliníku nejpoužitelnější, je bauxit. Bauxit se skládá ze 45-60 % z oxidu hlinitého spolu s různými nečistotami, jako je písek, železo a další kovy. Ačkoli některá ložiska bauxitu jsou tvrdé horniny, většinu tvoří relativně měkká hlína, která se snadno těží v povrchových dolech. Austrálie produkuje více než třetinu světových zásob bauxitu. K výrobě 1 libry (0,5 kg) kovového hliníku jsou zapotřebí asi 4 libry (2 kg) bauxitu.
K rozpuštění sloučenin hliníku obsažených v bauxitu se používá kaustická soda (hydroxid sodný), která je oddělí od nečistot. V závislosti na složení bauxitové rudy může být při extrakci použito relativně malé množství dalších chemických látek
hliníku. Jako příklad lze uvést škrob, vápno a sulfid sodný.
Jako elektrolyt (médium vedoucí proud) se při tavení používá kryolit, chemická sloučenina složená ze sodíku, hliníku a fluoru. Přirozeně se vyskytující kryolit se kdysi těžil v Grónsku, ale nyní se tato sloučenina vyrábí synteticky pro použití při výrobě hliníku. Fluorid hlinitý se přidává za účelem snížení teploty tání roztoku elektrolytu.
Další hlavní složkou používanou při tavení je uhlík. Uhlíkové elektrody přenášejí elektrický proud elektrolytem. Během tavení se část uhlíku spotřebovává, protože se slučuje s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého. Ve skutečnosti se na každou libru (2,2 kg) vyrobeného hliníku spotřebuje přibližně půl libry (0,2 kg) uhlíku. Část uhlíku používaného při tavení hliníku je vedlejším produktem rafinace ropy; další uhlík se získává z uhlí.
Protože tavení hliníku zahrnuje průchod elektrického proudu roztaveným elektrolytem, vyžaduje velké množství elektrické energie. Průměrně je na výrobu 2 liber (1 kg) hliníku zapotřebí 15 kilowatthodin (kWh) energie. Náklady na elektrickou energii představují přibližně jednu třetinu nákladů na tavení hliníku.
Výrobní proces
Výroba hliníku probíhá ve dvou fázích: Bayerův proces rafinace bauxitové rudy za účelem získání oxidu hlinitého a Hall-Heroultův proces tavení oxidu hlinitého za účelem získání čistého hliníku.
Bayerův proces
- 1 Nejprve se bauxitová ruda mechanicky rozdrtí. Poté se rozdrcená ruda smíchá s kaustickou sodou a zpracuje v mlýně, čímž vznikne suspenze (vodní suspenze) obsahující velmi jemné částice rudy.
- 2 Suspenze se přečerpá do fermentoru, nádrže, která funguje jako tlakový hrnec. Suspenze se zahřívá na teplotu 110-270 °C (230-520 °F) pod tlakem 340 kPa (50 lb/in 2). Tyto podmínky se udržují po dobu od půl hodiny do několika hodin. Může se přidat další žíravá soda, aby se zajistilo rozpuštění všech sloučenin obsahujících hliník.
- 3 Horká suspenze, která je nyní roztokem hlinitanu sodného, prochází řadou bleskových nádrží, které snižují tlak a získávají teplo, které může být znovu použito v rafinačním procesu.
- 4 Suspenze se čerpá do usazovací nádrže. Jak suspenze v této nádrži odpočívá, nečistoty, které se nerozpustí v kaustické sodě, se usazují na dně nádoby. Jeden výrobce přirovnává tento proces k usazování jemného písku na dně sklenice s cukrovou vodou; cukr se neusadí, protože je rozpuštěn ve vodě, stejně jako hliník v usazovací nádrži zůstává rozpuštěn v kaustické sodě. Zbytek (nazývaný „červené bahno“), který se hromadí na dně nádrže, se skládá z jemného písku, oxidu železa a oxidů stopových prvků, jako je titan.
- 5 Po usazení nečistot se zbývající kapalina, která vypadá trochu jako káva, přečerpá přes řadu látkových filtrů. Veškeré jemné částice nečistot, které v roztoku zůstanou, jsou zachyceny filtry. Tento materiál se promyje, aby se získal oxid hlinitý a kaustická soda, které lze znovu použít.
- 6 Přefiltrovaná kapalina se čerpá přes řadu šestipatrových srážecích nádrží. Vrcholem každé nádrže se přidávají nasazené krystaly hydrátu oxidu hlinitého (oxid hlinitý vázaný na molekuly vody). Semenné krystaly rostou, jak se usazují v kapalině, a rozpuštěný oxid hlinitý se na ně váže.
- 7 Krystaly se vysráží (usadí se na dně nádrže) a odstraní se. Po promytí se přenesou do pece ke kalcinaci (zahřátí, aby se uvolnily molekuly vody, které jsou chemicky vázány na molekuly oxidu hlinitého). Šnekový dopravník přenáší nepřetržitý proud krystalů do rotující válcové pece, která je nakloněná tak, aby se v ní materiál pohyboval gravitací. Teplota 2 000 °C (1 100 °C) odvádí molekuly vody a zanechává bezvodé (bezvodé) krystaly oxidu hlinitého. Po opuštění pece procházejí krystaly chladičem.
Hall-Heroultův proces
Tavení oxidu hlinitého na kovový hliník probíhá v ocelové kádi zvané redukční hrnec. Dno kotle je vyloženo uhlíkem, který funguje jako jedna z elektrod (vodič elektrického proudu) systému. Opačné elektrody tvoří sada uhlíkových tyčí zavěšených nad hrncem; jsou spuštěny do roztoku elektrolytu a drží se asi 1,5 palce (3,8 cm) nad povrchem roztaveného hliníku, který se hromadí na dně hrnce. Redukční hrnce jsou uspořádány v řadách (potlines) sestávajících z 50-200 hrnců, které jsou zapojeny do série a tvoří elektrický obvod. Každá redukční linka může vyrobit 66 000-110 000 tun (60 000-100 000 metrických tun) hliníku ročně. Typický tavicí závod se skládá ze dvou nebo tří hrncových linek.
- 8 V redukčním hrnci se krystaly oxidu hlinitého rozpouštějí v roztaveném kryolitu při teplotě 1 760-1 780° F (960-970° C) a vytvářejí roztok elektrolytu, který vede elektřinu z uhlíkových tyčí do uhlíkového lože hrnce. Roztokem prochází stejnosměrný proud (4-6 V a 100 000-230 000 ampér). Výsledná reakce přeruší vazby mezi atomy hliníku a kyslíku v molekulách oxidu hlinitého. Uvolněný kyslík je přitahován k uhlíkovým tyčinkám, kde tvoří oxid uhličitý. Uvolněné atomy hliníku se usazují na dně nádoby jako roztavený kov.
Proces tavení probíhá nepřetržitě a do roztoku kryolitu se přidává další oxid hlinitý, který nahrazuje rozloženou sloučeninu. Udržuje se stálý elektrický proud. Teplo generované proudem elektřiny na spodní elektrodě udržuje obsah hrnce v kapalném stavu, ale na roztaveném elektrolytu má tendenci se tvořit krusta. Tato krusta se pravidelně rozbíjí, aby bylo možné přidat další oxid hlinitý ke zpracování. Čistý roztavený hliník se hromadí na dně nádoby a odčerpává se. Hrnce jsou v provozu 24 hodin denně, sedm dní v týdnu.
- 9 Kelímek se pohybuje po linii hrnce a shromažďuje 9 000 liber (4 000 kg) roztaveného hliníku, který je 99,8 % čistý. Kov se přenese do udržovací pece a poté se odlévá (lije do forem) jako ingoty. Jednou z běžných technik je lití roztaveného hliníku do dlouhé vodorovné formy. Jak kov prochází formou, vnější strana se ochlazuje vodou, což způsobuje tuhnutí hliníku. Pevný hřídel vystupuje ze vzdáleného konce formy, kde je ve vhodných intervalech řezán, aby se vytvořily ingoty požadované délky. Stejně jako samotný proces tavení je i tento proces odlévání kontinuální.
Vedlejší produkty/odpady
Hliník, meziprodukt, který vzniká při Bayerově procesu a který představuje surovinu pro Hall-Heroultův proces, je rovněž užitečným konečným produktem. Jedná se o bílou, práškovitou látku s konzistencí, která se pohybuje od konzistence mastku po konzistenci granulovaného cukru. Může se používat v široké škále výrobků, jako jsou prací prostředky, zubní pasty a zářivky. Je důležitou složkou keramických materiálů; používá se například k výrobě umělých zubů, zapalovacích svíček a čirých keramických čelních skel pro vojenská letadla. Jako účinná lešticí směs se používá mimo jiné k povrchové úpravě počítačových pevných disků. Díky svým chemickým vlastnostem je účinný v mnoha dalších aplikacích, včetně katalyzátorů a výbušnin. Používá se dokonce v raketovém palivu – při každém startu raketoplánu se spotřebuje 400 000 liber (180 000 kg). Přibližně 10 % ročně vyrobeného oxidu hlinitého se používá k jiným účelům než k výrobě hliníku.
Největším odpadním produktem vznikajícím při rafinaci bauxitu je hlušina (rudný odpad) zvaná „červené bahno“. Rafinerie produkuje přibližně stejné množství červeného bahna jako oxidu hlinitého (v přepočtu na suchou hmotnost). Obsahuje některé užitečné látky, jako je železo, titan, soda a oxid hlinitý, ale nikdo nebyl schopen vyvinout ekonomický proces jejich získávání. Kromě malého množství červeného bahna, které se komerčně používá k barvení zdiva, jde skutečně o odpadní produkt. Většina rafinerií jednoduše shromažďuje červené bahno v otevřeném jezírku, které umožňuje odpaření části jeho vlhkosti; když bahno vyschne do dostatečně pevné konzistence, což může trvat i několik let, je zasypáno hlínou nebo smícháno se zeminou.
Rozkladem uhlíkových elektrod při tavbě vzniká několik druhů odpadních produktů. Hliníkárny ve Spojených státech vytvářejí značné množství skleníkových plynů, ročně vyprodukují přibližně 5,5 milionu tun (5 milionů metrických tun) oxidu uhličitého a 3 300 tun (3 000 metrických tun) perfluorouhlovodíků (sloučenin uhlíku a fluoru).
Z hliníkových redukčních hrnců se každoročně odstraní přibližně 120 000 tun (110 000 metrických tun) materiálu z vyhořelých obalů (SPL). SPL, který Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) označila za nebezpečný materiál, představuje pro průmysl významný problém při jeho likvidaci. V roce 1996 byl otevřen první z plánované řady recyklačních závodů; tyto závody přeměňují SPL na skleněnou fritu, meziprodukt, z něhož lze vyrábět sklo a keramiku. Recyklované SPL se nakonec objevují ve výrobcích, jako jsou keramické dlaždice, skleněná vlákna a asfaltové šindele.
Budoucnost
Prakticky všichni výrobci hliníku ve Spojených státech jsou členy Dobrovolného průmyslového partnerství pro hliník (VAIP), organizace, která úzce spolupracuje s agenturou EPA při hledání řešení problémů se znečištěním, jimž toto odvětví čelí. Hlavním předmětem výzkumu je snaha o vývoj inertního (chemicky neaktivního) materiálu elektrod pro hrnce na redukci hliníku. Významným příslibem je sloučenina titan-diboridu a grafitu. Mezi přínosy, které se očekávají po zdokonalení této nové technologie, patří eliminace emisí skleníkových plynů a snížení spotřeby energie při tavbě o 25 %.
– Loretta Hall