1. Aluminium 101
2. Mijnbouw en raffinage van aluminium
3. Aluminium Smelten
4. aluminium fabricage:
5. Aluminium gebruiken en recyclen
6. De toekomst van aluminium

Aluminium 101

Net als tientallen andere elementen in het periodiek systeem, aluminium komt van nature voor. Zoals met alle elementen, aluminium is een pure chemische stof die niet kan worden afgebroken tot iets eenvoudigers. Alle elementen zijn gerangschikt in het periodiek systeem door hun atoomnummer -- het aantal protonen in hun kern. Het geluksgetal van aluminium is 13, dus een aluminiumatoom heeft 13 protonen. Het heeft ook 13 elektronen.

De elementen boven en onder aluminium op het periodiek systeem vormen a familie, of groep , die vergelijkbare eigenschappen deelt. Aluminium behoort tot groep 13, waartoe ook boor (B) behoort, gallium (Ga), indium (In) en thallium (Tl). De tabel aan de rechterkant laat zien hoe deze elementen in het periodiek systeem zouden worden gerangschikt. Merk op dat elk element wordt weergegeven door een symbool en dat het symbool voor aluminium is Al . Het nummer boven elk symbool is dat van het element atoomgewicht , gemeten in atomaire massa-eenheden ( amu ). Atoomgewicht is de gemiddelde massa van een element bepaald door rekening te houden met de bijdrage van elke natuurlijke isotoop. Het atoomgewicht van aluminium is 26,98 amu. Het getal onder het symbool van aluminium is het atoomnummer.

Groep 13
De Boron-familie

10.81

B

5

26.98

Al

13

69.72

Ga

31

114,82

In

49

204.38

Tl

8

Chemici classificeren de elementen in groep 13 als metalen, behalve boor, wat geen volwaardig metaal is. metalen zijn over het algemeen glanzende elementen die warmte en elektriciteit goed geleiden. Ze zijn ook kneedbaar -- kan in verschillende vormen worden gehamerd -- en ductiel -- in staat om in draden te worden getrokken. Deze eigenschappen zijn zeker van toepassing op aluminium. In feite, aluminium wordt vaak gebruikt in kookgerei omdat het de warmte zo efficiënt geleidt. En alleen koper geleidt elektriciteit beter, waardoor aluminium een ​​ideaal materiaal is voor elektrisch materiaal, inclusief gloeilampen, elektriciteitsleidingen en telefoondraden. Andere belangrijke eigenschappen van aluminium staan ​​hieronder opgesomd:

• Smeltpunt:660 graden C (933 K; 1, 220 graden F)
• Kookpunt:2, 519 graden C (2, 792K; 4, 566 graden F)
• Dichtheid:2,7 g/cm ³
• Hoge reflectiviteit
• niet-magnetisch
• Niet-vonkend
• Bestand tegen corrosie

Deze laatste twee eigenschappen maken aluminium bijzonder nuttig. De corrosieweerstand is te wijten aan chemische reacties die plaatsvinden tussen het metaal en zuurstof. Wanneer aluminium reageert met zuurstof, aan de buitenkant van het metaal vormt zich een laag aluminiumoxide. Deze dunne laag beschermt het onderliggende aluminium tegen de corrosieve effecten van zuurstof, water en andere chemicaliën. Als resultaat, aluminium is vooral waardevol voor gebruik buitenshuis. Het produceert ook geen vonken wanneer het wordt geraakt, wat betekent dat u het in de buurt van ontvlambare of explosieve materialen kunt gebruiken.

Aluminium komt in de natuur voor in verschillende verbindingen. Om te profiteren van zijn eigenschappen, het moet worden gescheiden van de andere elementen die ermee samengaan -- een lange, complex proces dat begint met een keihard materiaal dat bekend staat als: bauxiet .

Nadat het dat proces heeft ondergaan, aluminium is erg zacht en lichtgewicht in zijn pure vorm. Soms is het wenselijk om deze eigenschappen te veranderen -- om aluminium sterker en harder te maken, bijvoorbeeld. Om dit te bereiken, metallurgen zullen aluminium combineren met andere metalen elementen, het vormen van wat bekend staat als legeringen . Aluminium wordt gewoonlijk gelegeerd met koper, magnesium en mangaan. Koper en magnesium verhogen de sterkte van aluminium, terwijl mangaan de corrosieweerstand van aluminium verbetert.

Mijnbouw en raffinage van aluminium

Aluminium komt in de natuur niet als puur element voor. Het vertoont een relatief hoge chemische reactiviteit, wat betekent dat het de neiging heeft om zich te binden met andere elementen om verbindingen te vormen. Meer dan 270 mineralen in de rotsen en bodems van de aarde bevatten aluminiumverbindingen. Dit maakt aluminium het meest voorkomende metaal en het derde meest voorkomende element in de aardkorst. Alleen silicium en zuurstof komen vaker voor dan aluminium. Het volgende meest voorkomende metaal na aluminium is ijzer, gevolgd door magnesium, titanium en mangaan.

De primaire bron van aluminium is een erts dat bekend staat als: bauxiet . Een erts is elk natuurlijk voorkomend vast materiaal waaruit een metaal of waardevol mineraal kan worden verkregen. In dit geval, het vaste materiaal is een mengsel van gehydrateerd aluminiumoxide en gehydrateerd ijzeroxide. Gehydrateerd verwijst naar watermoleculen die chemisch aan de twee verbindingen zijn gebonden. De chemische formule voor aluminiumoxide is Al ₂ O ₃ . De formule voor ijzeroxide is Fe ₂ O ₃ .

Afzettingen van bauxiet komen voor als platte lagen die nabij het aardoppervlak liggen en kunnen vele kilometers beslaan. Geologen lokaliseren deze afzettingen door: prospectie -- het nemen van kernmonsters of het boren in bodems waarvan wordt vermoed dat ze het erts bevatten. Door de kernen te analyseren, wetenschappers kunnen de hoeveelheid en kwaliteit van het bauxiet bepalen.

Nadat het erts is ontdekt, dagbouwmijnen leveren doorgaans het bauxiet dat uiteindelijk aluminium zal worden. Eerste bulldozers ontruimen land boven een storting. Dan maken arbeiders de grond los met explosieven, die het erts naar de oppervlakte brengen. Gigantische schoppen scheppen dan de bauxietrijke grond op en dumpen het in vrachtwagens, die het erts naar een verwerkingsbedrijf vervoeren. Frankrijk was de eerste plaats van grootschalige bauxietwinning. In de Verenigde Staten, Arkansas was vroeger een belangrijke leverancier van bauxiet, tijdens en na de Tweede Wereldoorlog. Maar vandaag, het materiaal wordt voornamelijk gewonnen in Australië, Afrika, Zuid-Amerika en het Caribisch gebied.

De eerste stap in de commerciële productie van aluminium is de scheiding van aluminiumoxide van het ijzeroxide in bauxiet. Dit wordt bereikt met behulp van een techniek die is ontwikkeld door Karl Joseph Bayer, een Oostenrijkse chemicus, in 1888. In de Bayer-proces , bauxiet wordt gemengd met bijtende soda, of natriumhydroxide, en onder druk verwarmd. Het natriumhydroxide lost het aluminiumoxide op, vorming van natriumaluminaat. Het ijzeroxide blijft vast en wordt door filtratie afgescheiden. Eindelijk, aluminiumhydroxide ingebracht in het vloeibare natriumaluminaat zorgt ervoor dat aluminiumoxide neerslag , of uit de oplossing komen als een vaste stof. Deze kristallen worden gewassen en verwarmd om het water kwijt te raken. Het resultaat is puur aluminiumoxide, een fijn wit poeder ook wel bekend als aluminiumoxide .

Alumina is een handig materiaal op zich. Door zijn hardheid is het bruikbaar als schuurmiddel en als onderdeel van snijgereedschappen. Het kan ook worden gebruikt om water te zuiveren en om keramiek en andere bouwmaterialen te maken. Maar het primaire gebruik ervan is om als startpunt te dienen om puur aluminium te extraheren. In de volgende sectie, we zullen kijken naar de stappen die nodig zijn om aluminiumoxide om te zetten in aluminium.

Aluminium Smelten

Het omzetten van aluminiumoxide -- aluminiumoxide -- in aluminium was een belangrijke mijlpaal in de industriële revolutie. Totdat moderne smelttechnieken ontwikkelden, slechts kleine hoeveelheden aluminium konden worden verkregen. De meeste vroege processen waren gebaseerd op het vervangen van aluminium door meer reactieve metalen, maar het metaal bleef duur en relatief ongrijpbaar. Dat veranderde allemaal in 1886 - het jaar waarin twee aspirant-chemici en industriëlen een smeltproces ontwikkelden op basis van elektrolyse.

elektrolyse betekent letterlijk "afbreken door elektriciteit, " en het kan worden gebruikt om één chemische stof te ontleden in chemische componenten. De traditionele opstelling voor elektrolyse vereist dat twee metalen elektroden worden ondergedompeld in een vloeibaar of gesmolten monster van een materiaal dat positieve en negatieve ionen bevat. Wanneer de elektroden zijn aangesloten op een batterij, één elektrode wordt een positieve pool, of anode . De andere elektrode wordt een negatieve pool, of kathode . Omdat de elektroden elektrisch geladen zijn, ze trekken geladen deeltjes die in de oplossing zijn opgelost aan of stoten ze af. De positieve anode trekt negatief geladen ionen aan, terwijl de negatieve kathode positief geladen ionen aantrekt.

Mijnheer Humphry Davy, de Britse chemicus die aluminium zijn naam heeft gegeven, tevergeefs geprobeerd aluminium te produceren door middel van elektrolyse in het begin van de 19e eeuw. Ook de Franse onderwijzer en amateurchemicus Henri Saint-Claire Deville stond met lege handen. Vervolgens, in februari 1886, na een aantal jaren van experimenteren, De Amerikaan Charles Martin Hall kwam precies de juiste formule tegen:een gelijkstroom door een oplossing van aluminiumoxide opgelost in gesmolten cryoliet , of natriumaluminiumfluoride (Na ₃ AlF ₆ ). Tot 1987, cryoliet werd gewonnen uit afzettingen aan de westkust van Groenland. Vandaag, scheikundigen synthetiseren de verbinding uit het mineraal fluoriet, wat veel vaker voorkomt.

De stappen bij het smelten van aluminium worden hieronder beschreven:

1. Alumina wordt opgelost in gesmolten kryoliet bij 1, 000 graden C (1, 832 graden F). Dit lijkt misschien een buitengewoon hoge temperatuur totdat je je realiseert dat het smeltpunt van puur aluminiumoxide 2 is, 054 graden C (3, 729 graden F). Door kryoliet toe te voegen kan de elektrolyse bij een veel lagere temperatuur plaatsvinden.
2. De elektrolyt wordt in een met grafiet bekleed ijzeren vat geplaatst. Het vat dient als kathode.
3. Koolstofanoden worden ondergedompeld in de elektrolyt.
4. Door het gesmolten materiaal wordt elektrische stroom geleid.
5. Bij de kathode, elektrolyse reduceert aluminiumionen tot aluminiummetaal. Bij de anode, koolstof wordt geoxideerd om koolstofdioxidegas te vormen. De algemene reactie is:

2Al ₂ O ₃ + 3C -> 4Al + 3CO ₂

6. Gesmolten aluminiummetaal zinkt naar de bodem van het vat en wordt periodiek afgevoerd via een plug.

Het door Hall ontwikkelde aluminiumsmeltproces resulteerde in grote hoeveelheden puur aluminium. Plotseling, het metaal was niet langer zeldzaam. Het idee om aluminium te produceren via elektrolytische reductie in kryoliet was niet zeldzaam, of. Een Fransman met de naam Paul L.T. Heroult kwam een ​​paar maanden later op hetzelfde idee. Hal, echter, ontving een patent voor het proces in 1889, een jaar nadat hij de Pittsburgh Reduction Company had opgericht, die later de Aluminium Company of America zou worden, of Alcoa. tegen 1891, aluminiumproductie bereikte ruim 300 ton (272 metrische ton) [bron:Alcoa].

aluminium fabricage:

De vaten die in het Hall-Heroult-proces worden gebruikt, staan ​​bekend als: potten . Een grote pot kan meer dan 2 ton aluminium per dag produceren. Maar bedrijven kunnen die output vermenigvuldigen en doen dat ook door meerdere potten met elkaar te verbinden in potlijnen . Een smelterij kan een of meer potlijnen bevatten, elk met 200 tot 300 potten. Binnen deze potten, De aluminiumproductie gaat dag en nacht door om ervoor te zorgen dat het metaal in vloeibare vorm blijft.

Een keer per dag, arbeiders hevelen aluminium uit de potlijnen. Veel van het metaal wordt opzij gezet om te worden ingots fabriceren . Om een ​​fabricagestaaf te maken, gesmolten aluminium gaat naar grote ovens waar het kan worden gemengd met andere metalen om legeringen te vormen. Vanaf daar, het metaal ondergaat een reinigingsproces dat bekend staat als: stromend . Bij Fluxing worden gassen zoals stikstof of argon gebruikt om onzuiverheden te scheiden en naar de oppervlakte te brengen, zodat ze kunnen worden afgeschuimd. Het gezuiverde aluminium wordt vervolgens in vormen gegoten en snel afgekoeld door koud water over het metaal te sproeien.

Een deel van het aluminium dat uit de potlijnen wordt overgeheveld, is niet gelegeerd of schoongemaakt. In plaats daarvan, het wordt rechtstreeks in vormen gegoten, waar het langzaam afkoelt en hard wordt om te vormen gieterij (of omsmelten ) ingots . Primaire aluminiumfabrieken verkopen hersmeltstaven aan gieterijen. Gieterijen brengen het aluminium terug naar zijn vloeibare toestand en gaan zelf verder met het legeren en vloeien. Ze veranderen het aluminium vervolgens in verschillende onderdelen - voor apparaten, auto's en andere toepassingen -- door gebruik te maken van de volgende fabricagetechnieken.

• Gieten :Aluminium kan in oneindig veel vormen gegoten worden door het gesmolten metaal in een mal te gieten. Naarmate het aluminium afkoelt en hard wordt, het neemt de vorm aan van de mal. Gieten wordt gebruikt om solide, uniek gevormde objecten, zoals onderdelen voor automotoren, aluminium hamers en de onderkant van elektrische strijkijzers.
• aan het rollen :Door herhaaldelijk verwarmde aluminiumblokken door zware walsen te leiden, het metaal kan worden afgevlakt tot dunne platen of zelfs flinterdunne folies. Het duurt ongeveer 10 tot 12 passages om de dunste folies te maken, die slechts 0,15 millimeter dik kan zijn.
• Extruderen :Bij extrusie wordt zacht aluminium door een matrijs geperst. De vorm van de matrijsopening bepaalt de vorm van het geëxtrudeerde aluminium.
• Smeden :Smeden, een proces waarbij aluminium wordt gehamerd of geperst, resulteert in supersterk metaal. Deze methode maakt gesmeed aluminium ideaal voor spanningsdragende onderdelen van vliegtuigen en auto's.
A Beverage Can Is Born Een drankblikje begint met een rond stuk metaal dat uit een aluminiumplaat is geponst. Deze cirkel, met een diameter van 5,5 inch (14,0 cm), heet a blank . Eén machine trekt de blanco in een kopje met een diameter van 3,5 inch (8,9 cm). Een tweede machine trekt de beker terug, het verlengen, strijken en de zijkanten uitdunnen. het blik wordt schoongemaakt, versierd en "hals" om het deksel te huisvesten.
• Tekening :Om draad te maken, een aluminium staaf wordt door een reeks opeenvolgend kleinere matrijzen getrokken, een proces dat tekenen wordt genoemd. Door aluminium te trekken, kan draad worden geproduceerd met een diameter van minder dan 10 millimeter.
• Bewerking :Traditionele machinale bewerkingen, zoals draaien, frezen, saai, tappen en zagen, kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd op aluminium en zijn legeringen. Machinale bewerking wordt vaak gebruikt om bouten, schroeven en andere kleine stukjes hardware.

Aluminium is een aantrekkelijk metaal en behoeft vaak geen afwerking. Maar het kan worden gepolijst, geverfd en gegalvaniseerd. Bijvoorbeeld, bier- en frisdrankmakers gebruiken een drukproces om hun etiketten op aluminium blikjes te plakken (zie kader). Typische drukformules zijn vaak lakcoatings die zowel goed hechten aan het aluminium als een esthetische aantrekkingskracht hebben. Natuurlijk, dergelijke afwerkingen zijn een punt van zorg als het gaat om recycling omdat ze moeten worden verwijderd. In de volgende sectie, we zullen in detail onderzoeken hoe aluminium wordt gerecycled.

Aluminium gebruiken en recyclen

Door zijn veelzijdigheid, aluminium leent zich voor tal van toepassingen. In feite, het is het op één na meest gebruikte metaal na staal, met een jaarlijkse primaire productie van 24,8 miljoen ton (22,5 miljoen ton) in 2007 [bron:International Aluminium Institute]. Veel van die output gaat naar de 187 miljard aluminium blikjes die wereldwijd worden geproduceerd [bron:Novelis]. De auto-industrie is de snelst groeiende markt voor aluminium. Auto-onderdelen maken van aluminium -- alles van velgen tot cilinderkoppen, zuigers en radiatoren -- maakt een auto lichter, vermindering van het brandstofverbruik en de vervuilingsniveaus. Volgens sommige schattingen een auto met 331 pond (150 kg) aluminium zou het brandstofverbruik met 0,43 gallon per 100 mijl moeten verminderen [bron:Autoparts Report].

Hier zijn enkele andere belangrijke toepassingen van aluminium.

• Automobiel en transport :auto- en motoronderdelen, vliegtuiglichamen en onderdelen, kenteken plaat
• Bouw en constructie :gevelbeplating en dakbedekking, goten, raamkozijn, binnen- en buitenverf, hardware
• Blikken en sluitingen :drank- en voedselblikken, fles sluitingen
• verpakking :aluminiumfolie, folie omslagen, aluminium dienbladen, snoep- en kauwgomverpakkingen
• Elektrisch :stroom- en telefoonlijnen, gloeilampen
• Gezondheid en hygiëne :antacida, adstringentia, gebufferde aspirine, voedselsupplementen
• Koken :gebruiksvoorwerpen, potten en pannen
• Sportartikelen en recreatie :golfclubs en honkbalknuppels, tuinmeubilair
  

Aluminium door de cijfers

• In de VS, Jaarlijks worden 100 miljard aluminium drankblikjes geproduceerd; ongeveer tweederde daarvan wordt teruggestuurd voor recycling.
  
• De energie die wordt gebruikt om één aluminium drankblikje te maken is ongeveer 7, 000 Btu. Recycling bespaart 95 procent van de energie die nodig is om uit erts nieuw metaal te maken.
• Het duurt ongeveer 60 dagen voordat aluminium drankverpakkingen worden gerecycled en weer in de winkelrekken verschijnen.