Введение
Процесс плавки алюминия
The Hall–Héroult process is the major industrial process for smelting aluminium. It involves dissolving aluminium oxide (alumina) (obtained most often from bauxite, aluminium's chief ore, through the Bayer process) in molten cryolite and electrolyzing the molten salt bath, typically in a purpose built cell. The Hall–Héroult process applied at industrial scale happens at 940–980 °C and produces 99.5–99.8% pure aluminium. Recycling aluminum requires no electrolysis, thus it is not treated in this way. Because Hall–Héroult processing consumes copious electrical energy and its electrolysis stage creates much carbon dioxide and fluorocarbon compounds as byproducts, it contributes to air pollution as well as climate change.
Процесс Холла — Эро является основным промышленным процессом плавки алюминия. Он включает в себя растворение оксида алюминия (алюмина) (получаемого чаще всего из боксита, основной руды алюминия, посредством процесса Байера) в расплавленном криолите и электролиз расплавленной солевой ванны, как правило, в специально сконструированной ячейке. Процесс Холла — Эро, применяемый в промышленных масштабах, происходит при температуре 940–980 °C и позволяет получить алюминий чистотой 99,5–99,8%. Переработка алюминия не требует электролиза, поэтому она не осуществляется таким способом. Поскольку процесс Холла — Эро потребляет значительное количество электроэнергии, а стадия электролиза приводит к образованию большого количества углекислого газа и фторорганических соединений в качестве побочных продуктов, он способствует загрязнению воздуха и изменению климата.
The Hall–Héroult process is the major industrial process for smelting aluminium. It involves dissolving aluminium oxide (alumina) (obtained most often from bauxite, aluminium's chief ore, through the Bayer process) in molten cryolite and electrolyzing the molten salt bath, typically in a purpose built cell. The Hall–Héroult process applied at industrial scale happens at 940–980 °C and produces 99.5–99.8% pure aluminium. Recycling aluminum requires no electrolysis, thus it is not treated in this way. Because Hall–Héroult processing consumes copious electrical energy and its electrolysis stage creates much carbon dioxide and fluorocarbon compounds as byproducts, it contributes to air pollution as well as climate change.
Трудности, с которыми сталкиваются
Элементарный алюминий нельзя получить электролизом водного раствора соли алюминия, поскольку ионы гидроксония легко окисляют элементарный алюминий. Хотя вместо этого можно использовать расплавленную соль алюминия, оксид алюминия имеет температуру плавления 2072 °C, поэтому его электролиз непрактичен. В процессе Холла — Эру электролиз проводят в расплавленном синтетическом криолите Na3AlF6, в котором предварительно растворили оксид алюминия Al2O3, чтобы снизить его температуру плавления и облегчить электролиз.
Работа ячейки
На заводах ячейки работают 24 часа в сутки, чтобы расплавленный материал в них не затвердел. Температура внутри ячейки поддерживается за счет электрического сопротивления. Окисление углеродного анода повышает электрическую эффективность, но при этом приводит к расходу углеродных электродов и образованию углекислого газа. Прутки из алюминия были выставлены вместе с французскими королевскими драгоценностями на Всемирной выставке 1855 года, и, как утверждают, император Наполеон III Франции зарезервировал несколько комплектов алюминиевой посуды и столовых приборов для своих самых почетных гостей. Стоимость производства при использовании старых методов действительно снизилась, но когда алюминий был выбран в качестве материала для колпака/молниеотвода на вершину Монумента Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия, он все еще стоил дороже серебра.
Независимое открытие
Процесс Холла — Эро был изобретен независимо и почти одновременно в 1886 году американским химиком Чарльзом Мартином Холлом и французом Полом Эро, обоим по 22 года. Некоторые авторы утверждают, что Холлу помогала его сестра Джулия Брейнерд Холл; однако, степень её участия остаётся предметом споров. В 1888 году Холл открыл первый крупномасштабный завод по производству алюминия в Питтсбурге, который впоследствии стал корпорацией Alcoa. В 1997 году процесс Холла — Эро был признан Национальным историческим химическим памятником Американским химическим обществом в знак признания важности этого процесса для коммерциализации алюминия.
Экономическое воздействие
Алюминий, полученный с помощью процесса Холла — Эру, в сочетании с более дешевой электроэнергией, способствовал тому, что алюминий (и, кстати, магний) стал недорогим сырьем, а не драгоценным металлом. Это, в свою очередь, позволило таким новаторам, как Хьюго Юнкерс, использовать алюминий и алюминиево-магниевые сплавы для массового производства металлических самолетов, а Говарду Лунду — алюминиевых рыболовных лодок. В 2012 году было подсчитано, что на тонну произведенного алюминия приходится 12,7 тонн выбросов CO2.