Технология производства алюминия

 

Согласно классификации  П. Аггетта, алюминий является одним  из важнейших эссенциальных элементов (сквозным для всех млекопитающих).

По биогенной классификации алюминий относится к абиогенным элементам. Абиогенные элементы не заняли своего места в метаболизме животных из-за слабой реакционной способности, несмотря на широкую распространенность в литосфере.

В биосфере Алюминий - слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, Алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; Алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь Алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы - гидрооксиды Алюминия - бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть Алюминия входит в состав алюмосиликатов - каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление Алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, Алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция Алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые Алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными - морскими (в устьях рек и других), Алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.

 

 

9. Влияние алюминия на здоровье  человека

 

Основным источником поступления алюминия в организм человека является пища. Например, чай может содержать алюминия от 20 до 200 раз больше, чем вода, на которой он приготовлен. К числу других источников относятся вода, атмосферный воздух, лекарственные препараты, алюминиевая посуда (есть данные, что после термической обработки в такой посуде содержание алюминия в пище возрастает), дезодоранты и пр. С водой поступает не более 5 - 8% от суммарно поступающего в организм человека количества алюминия. Совместный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам установил величину переносимого суточного потребления (ПСП) на уровне 1 мг/кг веса. То есть суточное потребление алюминия взрослым человеком может достигать 60-90 мг, хотя на практике редко превышает 35-49 мг и сильно зависит от индивидуальных особенностей организма и режима питания.

Токсичность алюминия проявляется во влиянии на обмен  веществ, в особенности, минеральный, на функцию нервной системы, в  способности действовать непосредственно  на клетки - их размножение и рост. Избыток солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, семенниках, мозге и в паращитовидной железе. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия относят нарушение двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции.

Метаболизм алюминия у человека изучен недостаточно, однако известно, что неорганический алюминий плохо всасывается и большая часть его выводится с мочой. Алюминий обладает низкой токсичностью для лабораторных животных. Тем не менее, отдельные исследования показывают, что токсичность алюминия проявляется во влиянии на обмен веществ, в особенности минеральный, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки - их размножение и рост. Избыток солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, семенниках, мозге и в паращитовидной железе. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия относят нарушение двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции. В некоторых исследованиях алюминий связывают с поражениями мозга, характерными для болезни Альцгеймера (в волосах больных наблюдается повышенное содержание алюминия). Однако имеющиеся на данный момент у Всемирной Организации Здравоохранения эпидемиологические и физиологические данные не подтверждают гипотезу о причинной роли алюминия в развитии болезни Альцгеймера. Поэтому ВОЗ не устанавливает величины концентрации алюминия по медицинским показателям, но в то же время наличие в питьевой воде до 0.2 мг/л алюминия обеспечивает компромисс между практикой применения солей алюминия в качестве коагулянтов и органолептическими параметрами питьевой воды.

 

 

 

люминий – металл на все времена

«Век славы» алюминия

Широко распространенный металл алюминий известен человечеству издавна. История сохранила немало фактов, свидетельствующих об этом. Так, например, римскому императору Тиберию, правившему в 14–27 гг. н.э., была преподнесена в подарок алюминиевая чаша, которая была похожа на аналогичные серебряные предметы, но весила намного меньше их. Не менее древний «след» алюминий оставил на гробнице китайского полководца Чжоу-Чжу, который властвовал во II- III в. н.э. Украшения на ней оказались отлиты из сплава, в котором львиную долю составлял именно этот металл.

Впрочем, официально алюминий был представлен гораздо  позже — в 1825 году, когда датский физик Ганс Эрстед выделил это вещество при опытах с амальгамой калия и квасцами, пропущенными через хлор. Два года спустя успех датчанина повторил немецкий химик Фридрих Вёлер, получивший порошок алюминия при работе со сложным соединением гексафторалюмината и калием.

Французские химики пошли еще дальше. Ученым Анри Девиллем была разработана уже настоящая  промышленная технология получения  алюминия. Правда, она оказалась  слишком сложна, трудоемка, а конечный продукт стоил очень дорого – чуть меньше, чем золото, и в 1,5 тысячи раз больше, чем железо. Недаром же погремушка, выполненная из алюминия, приравнивалась по ценности к иным эксклюзивным подаркам, преподнесенным наследнику великого Наполеона в день рождения.

Алюминий долгое время котировался как «драгоценный» металл. В частности, алюминиевые слитки представлялись на международных ювелирных выставках, использовались в отделке памятников, например, в украшении монумента Вашингтону в американской столице. Для сравнения: 120 лет назад фунт алюминия стоил 12 долларов, а такой же слиток серебра – 15 долларов. Причина – трудоемкость добычи минералов и выделения из них такого вещества, как алюминий.

Как алюминий превратился  из «драгоценного» металла в необходимый  и популярный

Однако «недоступность» алюминия все же была преодолена. В ХХ веке этот металл перешел из разряда «драгоценных» в категорию «привычных, но весьма полезных». К тому времени учеными были разработаны абсолютно новые методики добычи руды и инновационный электролитический способ получения алюминия.

Молодой и дерзкий  американец Чарльз Холл долго экспериментировал  с батареями из угля, цинка, азотной  и серной кислот, подбирая электролиты, пытаясь защитить алюминий от окисления. И, наконец, его упорство было вознаграждено появлением нескольких столь «желанных» шариков металла серебристого оттенка. Параллельно с ним успеха на этом поприще добился и французский химик Поль Эру, который умудрился позднее запатентовать новое изобретение.

Так благодаря  методу Холла и Эру алюминий получил свое «второе рождение». Отныне его себестоимость многократно снизилась, а объемы производства выросли в тысячи раз. Приведенная ниже таблица отражает путь к массовому производству, который проделал алюминий.

период времени	объем производства алюминия
1855-1890	200 т
1890-1900	28 тыс. т
1930	300 тыс. т алюминиевых слитков  и чушек
2009	15 млн. т слитков и чушек  алюминиевых

 

Как получают алюминий

В настоящее  время алюминий получают следующим  образом. Технический раствор глинозема  подвергают процедуре электролиза в криолите, который предварительно либо синтезируют, либо выделяют из минералов. Процесс электролиза осуществляется в специально конструируемых ваннах при температурном режиме в 960–970°С и достаточно низком напряжении в 4,5 В, но при высоких силах тока, достигающих значения 250 тысяч А. В результате жидкий алюминий сосредотачивается на дне ванн, возле катода, а кислород скапливается на угольных анодах. Затем алюминий рафинируют и разливают в формы. В основном применяются слиток и чушка алюминиевая.

Следует отметить, что электролизный аппарат способен выдавать почти 1 т алюминия в сутки. Но при этом необходимо затратить 15 тысяч киловатт-часов электроэнергии. К тому же, производство алюминия экологически опасно из-за выделения летучих фтористых соединений.

Где можно найти  алюминий в природе?

Популярный металл алюминий достаточно широко распространен  на нашей планете. По расчетам экспертов, доля этого вещества в земной коре составляет почти 8,6 процентов, что  в два раза больше объема железа и в 350 раз больше общего количества таких элементов, как медь, цинк, олово, хром, свинец.

В природе алюминий содержится в различных соединениях  и минералах:

• в бокситах, представляющих собой соединение оксида и гидроксида элемента;
• в квасцовых камнях – алунитах;
• в нефелинах;
• в алюмосиликатах, при выветривании которых образуется глина с минералом каолинитом;
• в минерале корунде, являющемся кристаллическим оксидом алюминия и имеющем разную окраску в зависимости от примесей;
• и еще в почти 250 минералах.

Возможно ли свободное состояние алюминия в природе?

Долгое время  бытовало стандартное научное мнение о том, что алюминий в природе  в свободном состоянии не существует. Однако почти 30 лет тому назад такое  утверждение было в корне опровергнуто. Дело в том, что в недрах Сибирской платформы геологи нашли алюминий в виде самородков, представляющих собой нитевидные кристаллы очень малой длины. Кроме того, аналогичные частички этого элемента были обнаружены и в кусочках лунного грунта.

Ученые выдвинули  интересную гипотезу о происхождении подобных самородков алюминия. Они предположили, что элемент является своеобразным конденсатом из газа. Ведь при нагревании хлоридов, бромидов или фторидов алюминия эти соединения разлагаются. В результате получаются вещества с более низкой валентностью металла. Далее при падении температуры и дефиците кислорода в окружающей среде новое соединение конденсируется. При этом привычная пропорциональность алюминия изменяется: часть его атомов преобразуется в стандартное трехвалентное состояние, остальные же восстанавливаются, образуя кристаллы.

Чем так полезен  алюминий человечеству?

Чистый алюминий очень похож на серебро, ведь он имеет  такой же оттенок. Но во всем остальном  этот металл является уникальным. Приведенная  ниже таблица подтверждает данный факт.

В таблице представлены характеристики, которыми обладает алюминий.

Кроме того, алюминий обладает еще массой исключительных свойств, в числе которых:

• устойчивость к ржавлению за счет покрытия металла на воздухе тонкой, прочной, бесцветной оксидной пленкой;
• способность «притягивать» кислород из оксидов других металлов;
• высокая растворимость в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей, но отсутствие взаимодействия с любой органической и азотной кислотой;
• возможность создания на поверхности алюминия прочную и толстую оксидную пленку с помощью концентрированной азотной кислоты, благодаря чему металл не вступает в реакцию с кислотами;
• легкая растворимость соединений алюминия в щелочах;
• высокая устойчивость кристаллического оксида алюминия – корунда – к воздействию кислот и щелочей;
• высокая пластичность;
• способность к механической обработке – ковке, прокатке, штамповке, полировке, прессованию и волочению, а также сварке – газовой, контактной и прочей;
• устойчивость к действию морской и пресной воды.

Плотность	2,7 г/см3
Температура плавления/ температура  кипения	600° С/2452° С
Электропроводность / теплопроводность	65,5%. по отношению к меди/ 343 вт/м·К
Отражение света	от 80 до 93% в зависимости от длины  волны
Коэффициент термического расширения в пределах от 20° до 100°С	23,86·10-6
Предел прочности	50-60 Мн/м2
Твердость по Бринеллю	170 Мн/м2

 

Где используется алюминий?

Эпитет «металл  ХХ века» алюминий получил заслуженно, ведь сфера его применения крайне широка.

Из алюминия и его соединений изготавливают:

• электропровода;
• элементы различных строительных конструкций;
• алюминиевую фольгу для пищевых продуктов и технологических нужд;
• кухонную посуду;
• краску «серебрянку»;
• ленту алюминиевую для трубопроводов масла и бензина;
• сплавы алюминия с медью и магнием (дюраль) для производства авиационных и автомобильных деталей;
• высокопрочные морозоустойчивые и жаропрочные сплавы алюминия, используемые для разнообразных защитных, декоративных покрытий;
• упаковочные материалы;
• алюминиевую ленту для жалюзи и потолочных конструкций;
• консервные банки;
• горючие и взрывчатые смеси, например, алюмотол, аммонал, пиротехнические составы;
• порошок с оксидами металлов для сварки рельсов, использования в зажигательных боеприпасах;
• ракетное топливо;
• сырье для производства керамики;
• лазерные материалы;
• искусственные рубины;
• адсорбент для очистки газов и жидкостей;
• катализатор некоторых органических реакций;
• очистители воды;
• протраву для крашения тканей, дубления кожи, проклеивания бумаги, консервирования древесины;
• катализатор для синтеза полимеров и каучука;
• многое другое.