Электролитическое получение алюминия

Алюминий получают путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном электролите, основным компонентом которого является криолит. Промышленные местонахождения криолита крайне редки, поэтому во всех странах криолит и другие фтористые соли, необходимые для электролиза, получают искусственным путем.

Сырьем для производства криолита служит плавиковый шпат или флюорит (CaF₂). Из него получают концентрат, содержащий 96% CaF₂. Из концентрата криолит можно получить двумя способами: кислотным и щелочным. Наиболее распространен кислотный способ: во вращающихся трубчатых печах при 200 °С протекает реакция взаимодействия плавикового шпата с крепкой серной кислотой с образованием фтористого водорода и гипса:

CaF₂ + H₂SO₄ = 2HF + CaSO₄

Если в плавиковом шпате присутствует кремнезем, то возможно протекание следующих реакций:

SiO_2(тв) + 4HF_(г) = SiF_4(г) + H₂O

SiF_4(г) + 2HF_(г) = H₂SiF_4(г)

Эти реакции показывают, что примеси кремнезема снижают выход HF и загрязняют его кремнефтористой кислотой.

Газы поглощаются водой в специальных башнях с насадкой, при этом образуется 30% -ная плавиковая кислота (с примесью кремнефтористой или кремнефторводородной кислот 5%) и др.

Плавиковую кислоту подвергают обескремниванию, для чего к кислоте добавляют соду:

H₂SiF₄ + NaCO₃ = NaSiF₆↓ + CO₂ + H₂O

Далее для получения криолита в раствор чистой плавиковой кислоты добавляют расчетное количество Al(OH)₃:

6HF + Al(OH)₃ = H₃AlF₆ + 3H₂O

Затем на образовавшуюся фторалюминиевую кислоту действуют содой, при этом получается криолит:

2 H₃AlF₆ + 3 NaCO₃ = 2NaAlF₆ + 3CO₂ + 3H₂O

Далее криолит отделяют от раствора, промывают и сушат в сушильных барабанах при 140 – 160 °С.

Электролизная ванна или электролизер, где проводят электролиз, имеет в плане прямоугольную форму. Схема поперечного разреза ванны показана на рисунке. Кожух 1 из стальных листов охватывает стены ванны, а у больших ванн выполнен с днищем. Внутри имеется слой шамота 2 и далее стены выложены угольными плитами 4, а под образован подовыми угольными блоками 3. Ванна глубиной 0,5—0,6 м заполнена электролитом и находящимся под ним слоем жидкого алюминия. Угольный анод 6 (иногда их несколько) подвешен на стальных стержнях 8 так, что его нижний конец погружен в электролит, через стержни 8 к аноду подается ток от шин 7. Мощность электролизера (ванны), определяемая силой подводимого к ней тока, изменяется от 30 кА у ванн малой мощности до 250 кА у ванн большой мощности.

1 — кожух; 2 — шамот; 3 — угольный блок; 4 — угольная плита; 5 —глинозем; 6 — анод; 7 — токоподводящая шина; 8 — подвеска (токоподвод); 9 — корка затвердевшего электролита; 10 — гарнисаж (затвердевший электролит); 11 — токоподвод

Тепло генерируется за счет прохождения тока через электролит. Глинозем в ванну подается сверху. Алюминий накапливается на подине под слоем электролита. В ванне протекают реакции:

На катоде: Al³⁺ + 3e = Al

На аноде: 2O^2- - 4e = O₂

Т.е. на катоде выделяется алюминий, который впоследствии скапливается на дне ванны. На анодах выделяется кислород, взаимодействующий с углеродом электродов с образованием газов CO и CO₂. По мере сгорания анодов их постепенно опускают вниз. Глинозем добавляют в ванну по мере расходования. В результате электролиза получают алюминий-сырец или черновой алюминий. Слив алюминия проводят через сифон.