استخراج آلومینیوم با فرایند هال یا هال-هروولت

فرایند هال یا فرایند هال هروولت

فرآیند هال هرول روش مهمی برای استخراج آلومینیوم از سنگ معدن آن است که به بوکسیت معروف است. این فرآیند به طور مستقل توسط چارلز مارتین هال، شیمیدان آمریکایی، و پل هرول، مهندس فرانسوی، در اواخر قرن نوزدهم توسعه یافت. تولید آلومینیوم را متحول کرد و آن را برای صنایع مختلف در دسترس و مقرون به صرفه تر کرد.

فرآیند هال-هروولت با استخراج آلومینا از بوکسیت که یک سنگ معدن آلومینیوم معمولی است که به وفور یافت می شود، آغاز می شود. بوکسیت ابتدا خرد می شود و سپس با سود سوزآور که یک قلیایی قوی است مخلوط می شود تا دوغاب تشکیل شود. سپس این دوغاب در یک راکتور گرم شده و تحت فشار قرار می گیرد تا آلومینا حل شود و ناخالصی ها حذف شود. محلول حاصل فیلتر می شود تا ذرات جامد باقیمانده از بین برود.

هنگامی که محلول غنی از آلومینا به دست آمد، به یک سلول الکترولیتی منتقل می شود که در آن استخراج واقعی آلومینیوم انجام می شود. این سلول از یک خمره فولادی بزرگ پر از کرایولیت تشکیل شده است، ماده معدنی که به عنوان حلال عمل می کند. آندهای کربن در کرایولیت مذاب غوطه ور می شوند و جریان الکتریکی را به سیستم می دهند. محلول آلومینا به عنوان الکترولیت عمل می کند، در حالی که آندهای کربن به عنوان الکترود مثبت عمل می کنند.

هنگامی که جریان الکتریکی از سلول عبور می کند، آلومینا به یون های آلومینیوم و اکسیژن تجزیه می شود. سپس یون های اکسیژن با آندهای کربن واکنش داده و گاز دی اکسید کربن را تشکیل می دهند. یون های آلومینیوم به سمت کاتد، یک میله گرافیتی که در کرایولیت مذاب معلق است، جذب می شوند و به تدریج روی آن رسوب می کنند و لایه ای از آلومینیوم مذاب را تشکیل می دهند. سپس می توان این آلومینیوم مذاب را برای پردازش بیشتر جمع آوری کرد.

محصولات آلومینیومی

پس از آنکه آلومینیوم به روش هال هروولت استخراج  شد می توان با روش هایی از جمله اکستروژن آن را به شکل دلخواه همچون پروفیل صنعتی, نبشی, ناودانی و انواع پروفیل آلومینیوم و سایر محصولات آلومینیومی در آورد.

مزایای فرآیند هال-هروولت

یکی از مزایای کلیدی فرآیند هال-هروولت، بهره وری انرژی آن است. استفاده از کرایولیت به عنوان حلال، نقطه ذوب آلومینا را کاهش می دهد و انرژی مورد نیاز برای الکترولیز را کاهش می دهد. علاوه بر این، آندهای کربن با فراهم کردن منبعی از الکترون‌ها برای واکنش کاهش، نقش مهمی در فرآیند بازی می‌کنند. این آندها در طول فرآیند مصرف می‌شوند، اما می‌توانند به طور مداوم با افزودن مواد کربنی به سلول دوباره پر شوند.

علیرغم کارآیی انرژی، فرآیند هال-هرولت محدودیت هایی دارد. این فرآیند به دلیل واکنش آندهای کربن با اکسیژن، مقدار قابل توجهی دی اکسید کربن تولید می کند. این به اثرگذاری کربن کلی تولید آلومینیوم و تأثیر آن بر محیط زیست کمک می کند. با این حال، تلاش‌هایی برای توسعه مواد آند جایگزینی انجام می‌شود که می‌توانند انتشار دی اکسید کربن را از این فرآیند کاهش یا حذف کنند.

تاثیرات زیست محیطی

علاوه بر این، استخراج آلومینا از بوکسیت می تواند اثرات زیست محیطی نامطلوبی داشته باشد. استخراج بوکسیت اغلب شامل جنگل زدایی، تخریب زیستگاه و فرسایش خاک است. مواد زائد که به گل قرمز معروف هستند قلیایی هستند و در صورت عدم مدیریت صحیح می توانند آب های مجاور را آلوده کنند. پرداختن به این نگرانی‌ها و توسعه شیوه‌های پایدار برای به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی فرآیند هال-هروولت ضروری است.

نتیجه

فرآیند هال هرول انقلابی در تولید آلومینیوم ایجاد کرد و آن را برای صنایع مختلف در دسترس تر کرد. بهره وری انرژی آن، به دست آمده از طریق استفاده از کرایولیت و آند کربن، به پذیرش گسترده آلومینیوم در کاربردهای مختلف از ساخت و ساز تا حمل و نقل کمک کرد. با این حال، این فرآیند همچنین با چالش هایی مانند انتشار دی اکسید کربن و اثرات زیست محیطی مرتبط با استخراج بوکسیت مواجه است. ادامه تحقیقات و نوآوری برای توسعه روش‌های پایدارتر برای استخراج آلومینیوم و بهبود مشخصات زیست‌محیطی فرآیند هال-هرول ضروری است.