铝工业：高纯铝是如何获得的？

铝是地壳中分布最广泛的元素之一，占地壳元素成分的 7%，是继氧和硅之后第三丰富的元素。它是从铝土矿或沉积岩中获得的，其中它主要以氧化物的形式存在。

这种金属已为人所知 2000 多年，并具有广泛的技术应用的特点。那么我们可以用它做什么呢？

铝主要以合金的形式用于工业，这提高了其使用性能。以这种形式，它成为一种具有广泛用途的通用建筑材料。在铝合金中，可以区分铸造合金和用于塑性成型的合金。除铝外，其成分中还含有铜、镁、硅和锰等元素。铝合金应用于航空、化学工业、汽车工业甚至造船业等领域。

铝也以其纯净形式广泛应用于工业中。以这种形式，它用于生产各种日常用品，例如镜子、饮料和食品罐、厨房用具或众所周知的铝箔。它还用于生产化学设备、电线甚至炸药。为了从铝土矿矿石中分离出该元素，需要执行两个步骤。第一个是拜耳法，它可以从矿物中获取氧化铝。然后将该化合物进行电解，从而生产出高纯度的铝。

铝是由什么制成的？
由于具有钝化能力，纯铝在自然界中不会天然存在。这种现象涉及金属在空气中氧化，导致其表面形成钝化保护层。对于铝，首先涂上一层厚度为几纳米的氧化铝（Al 2 O 3 ）。然后在水分的影响下，外层发生部分水解，另外形成氢氧化物，即Al(OH) 3。

铝是自然界中以矿石形式存在的各种矿物岩石的一部分。为了生产纯铝，主要使用粘土质铝土矿矿石。它们最常出现在炎热气候下铝硅酸盐岩石风化的地方，并且还含有铁化合物。它们是具有特征性红色或棕色的岩石，有两种类型：硅酸盐和碳酸盐。

高纯铝的生产
高纯度铝（超过 99%）在工业上通过两个连续的过程获得。在第一步中获得氧化铝（拜耳法），在下一阶段进行电解还原过程（霍尔-埃鲁法），从而获得纯铝。由于铝土矿运输成本的降低，大多数加工厂都建在矿山附近。

拜耳工艺
提取矿石后的第一阶段是用水洗涤。这样，大部分水溶性杂质就被去除了。然后将CaO或氧化钙添加到所制备的原料中。接下来使用特殊的管磨机将其粉碎，直至颗粒直径非常小，即低于 300 μm。精细研磨原材料极其重要，因为它提供了足够大的颗粒比表面积，这反过来又转化为更有效的提取过程。

氧化铝生产的下一阶段是用苛性钠水溶液溶解颗粒。氢氧化钠是通过膜电解生产的。通过这种方式获得的产品具有异常高的质量和纯度，同时满足最新版欧洲药典的要求。含有磨碎的谷物和氢氧化钠的混合物在称为高压釜的特殊反应器中储存几个小时。在沉淀过程中，反应器中保持高压和高温。这样就得到了铝酸钠，然后使用各种过滤器进行纯化。

在下一步中，纯化的铝酸钠溶液分解。结果，获得碱液 （苛性钠的水溶液）和高纯度的氢氧化铝晶体。然后将通过结晶获得的沉淀过滤并用水洗涤。反过来，剩余的碱液被加热并回收，以便在该过程中重新使用。

氧化铝生产的最后阶段是煅烧。它是将氢氧化铝加热到 1000 o C 以上，使其分解成 Al 2 O 3，并以纯白色粉末的形式获得。以这种方式制备的氧化铝被输送到熔炉中，以便在电解还原过程中获得金属铝。

电解氧化铝
获得纯铝的下一步是使用霍尔-埃鲁法进行电解过程。首先将拜耳法得到的Al 2 O 3用冰晶石熔化，然后在不超过900℃的温度下进行电解。

以这种方式获得的液态铝与电解液分离，并通过所谓的真空虹吸管从电解槽中除去。然后将原材料发送到铸造设备，然后将其引入加热炉中进行精炼过程。它由纯化铝组成，以获得最大纯度。工业上可以使用两种方法纯化铝。第一个过程包括熔化铝并向其通入氯，由此杂质以氯化物的形式结合并从过程中去除。第二种方法涉及铝铜合金的电解还原。以这种方式获得的最终产品的特点是纯度非常高。

铝：未来的材料
使用拜耳法和霍尔-埃鲁电解从铝土矿生产纯铝的方法的开发扩大了该元素的应用。此外，由于铝兼具高强度和轻质性，在某些应用中它可以取代更昂贵的钢。此外，由于铝具有耐候性，因此可用于生产门窗型材。另一个优点是它可以重复回收，使其成为一种相对环保的材料。

综上所述，铝是一种用途极其广泛的材料，广泛应用于食品、能源、化工、运输、建筑、汽车和航空航天等行业。由于其众多优点，其使用范围可能尚未耗尽，在不久的将来铝将继续受到欢迎。