Dr. Német Béla (2013)
Pécsi Tudományegyetem
A timföldből elektrolízissel 99,7 %-os 99,5 %-os és 99,0 %-os tisztaságú kohóalumíniumot lehet előállítani. Ez jó korrózióállóságú, kis villamos ellenállású, de kis szilárdságú fém. Előnyös tulajdonságai a szennyezők csökkentésével javulnak. Az alumínium finomítását többszöri elektrolízissel végzik. Ezzel a módszerrel 99,99%-os tisztaságú alumínium állítható elő. Ez a művelet igen energiaigényes: 1 kg kohóalumínium előállításához 20 kWh, 1 kg nagytisztaságú alumíniumhoz pedig 39-40 kWh villamos energia szükséges. A tiszta alumínium képlékeny alakíthatósága kitűnő, de nehezen forgácsolható (kenődik).
Az alumíniumelektrolízis elve és alaptörvénye.
http://www.szubjektum.hu/bauxit/text/Alugyar.htm
Az alumínium normál elektródpotenciálja Al/Al3+ = -1,66 V, ezért vizes oldatból elektrolízissel nem lehet kiválasztani, ugyanis H2 leválás kezdődik. A tűzzel folyó olvadék alkalmas az Al2O3 elektrolízises bontására és az alumínium leválasztására. Az Al2O3-nak nagy olvadáspontja (2045 °C) miatt nem a timföld-olvadékot, hanem a kriolitban (Na2AlF6) oldott Al2O3-at ~ 950°C hőmérsékleten elektrolizálják.
http://www.szubjektum.hu/bauxit/text/Alugyar.htm
Az elektrolízishez használt katódként illetve anódként a szénelektródok váltak be. Az anódon levált oxigén folyamatosan oxidálja a szénanódot, ezért azt állandóan pótolni kell. A szénanód használata hőtechnikai szempontból előnyös, mert a reakció közben keletkező reakcióhő csökkenti az Al2O3 elbontásának villamosenergia-igényét, vagyis az anód égése jó hatásfokkal hasznosul.
A fémek elektrolízisét a Faraday törvénye írja le. Az elektrokémiai egyenérték tömegű mennyiség leválasztásához (96500 Coulomb) 26,8 Ah elektromos töltésmennyiség szükséges. A 3 vegyértékű alumíniumból tehát 1000 Ah árammennyiség 0,3354 kg alumíniumot választ le. Az 1 kA áramerősségű cellában (kádban) elméletileg naponta 8 kg, évente 2938 kg alumínium nyerhető. Az ipari termeléshez nagy, 10-20 kA-es áramerősségre van szükség. A II. világháború után már 100-130 kA áramerősséggel épültek kohók. A legmodernebb kohók 150-250 kA árammal üzemelnek.
Az alumíniumkohók energiaellátása
Az alumínium előállításához felhasznált összenergia mintegy 75 %-a villamos energia. Korszerű alumínium kohókban 14500-15000 kWh elektromos energia szükséges 1 tonna alumínium előállításához. Ennek megfelelően, ha egy év alatt (azaz 8800 óra alatt) akarunk 1 tonna alumíniumot előállítani, ehhez folyamatosan 1,7-1,8 kW villamos teljesítményt szükséges biztosítani szükséges. Tehát egy 100 kt éves kapacitású kohó mintegy 175 MW villamos teljesítményt igényel. Egy kohókádsor, amely 180-220 db sorba kapcsolt kádat jelent, egyenáramú feszültsége általában 800-1000 V. A számolt elektromos teljesítményhez szükséges a kádsoron 150-200 kA-es áramerősség. A transzformátorok primer oldala általában 30-35 kV. Ezek a rendszerek külön transzformátorral kapcsolódnak a 200-400 kV-os hálózathoz.
Az elektrolízis reakciói és folyamata
Az elektrolízis hőmérséklete 950-970 °C, az olvadt kriolit és az oldott timföld disszociált állapotban van. A gyakorlati és az elméleti leválasztás viszonya általában 0,85-0,95 közötti érték (a katódon megjelenő alumínium tömege kisebb lesz, mint a Faraday törvénye szerint várható elméleti érték. Ennek okai: az alumínium egy része visszaoxidálódik, az áram szennyezőket is leválaszt (Fe, Si, Cu, ) és kisebb rövidzárlatok is létrejönnek. A kohók a termelés gazdaságosságát szem előtt tartva minél nagyobb áramhatásfok elérésére törekszenek.
2. táblázat. A különböző gyártási folyamatok során keletkező CO2 évi mennyisége
Az évi CO2 kibocsátás 1012 kg) |
Az emberiség által CO2 kibocsátott teljes mennyiség %-ában | |
Vas (nagyolvasztó) |
1,11 |
5,4 |
Alumínium (elektrolízis) |
0,52 |
2,5 |
Cink (elektrolízis + Imperial-Smelting eljárás |
0,07 |
0,3 |
Szintézisgáz (földgáz-átalakítás) |
0,30 |
1,4 |
Összesen |
2,00 |
8,6 |
A vasgyártás káros hatásai
Az alkalmazott hagyományos vasgyártási módszer rendkívül környezetszennyező. A hagyományos olvasztás során a vasércet koksszal keverik, ami reakcióba lépve a vasoxiddal széndioxidot és szénmonoxidot termel. Egy tonna nyersvas előállításánál egy tonna szén-dioxid képződik. Nem tüzeléses módszer, az elektrolízis: A vasércet szilícium dioxid oldatban 1600 Celsius fokon feloldják, majd elektromos áramot vezetnek át rajta. A negatív töltésű oxigén ionok a pozitív töltésű anódhoz vándorolnak, ebben az esetben kizárólag oxigén távozik. A pozitív töltésű ionok ennek megfelelően a negatív katódnál gyűlnek meg, ahol folyékony elemi vasra redukálódnak, amit miután leülepszik, egyszerűen kiszippantanak. Azonban ez a módszer is számos problémát rejt magában. Nagyon nagy az elektromos teljesítmény igénye, tonnánként megközelítőleg 2000 kWh, így az eljárás ipari alkalmazása még fejlesztésre szorul.
3. Táblázat. A Bayer-eljárás 1 tonna timföldre eső anyag és energiaigénye a magyar timföldgyárakban
Száraz bauxit |
2,33 t |
Friss marónátron |
150 kg |
Nagynyomású gőz |
1,4 t |
Kisnyomású gőz |
1,3 t |
Fűtőolaj (kalcináláshoz) |
95 kg |
Villamos energia |
320 kWh |
Elsődleges hőenergia |
15,4 GJ |