5.2.3. III стадия - получение металлического алюминия

Алюминий отличается высоким сродством к кислороду. СО и Н₂ не в состоянии восстановить А1 из А1₂O₃. Восстановление же углеродом может идти только при температурах выше 2000°С. Наиболее эффективным способом массового получения металлического алюминия является электролиз.

Однако из водных растворов восстановить алюминий электролизом невозможно. так как при том напряжении, которое требуется для разряда А1³⁺, первым на катоде будет выделяться Н⁺, имеющий значительно меньший электрохимический потенциал. Это препятствие устраняется, если электролиз вести из расплавленных солей, имеющих ионное строение. Основой такого расплава является криолит^* - 3NaF•AIF₃.

Температура его плавления 1008°С. Эвтектическая температура системы криолит-глинозем 937°С. Обычно присутствующие в электролите СaF₂ и MgF₂ еще больше снижают температуру плавления. Предельная растворимость А1₂O₃ в криолите при 1050°С - 16%. На

практике электролиз ведут при содержании глинозема в расплаве 4-8%.

Растворение глинозема в криолитовом расплаве сопровождается химической реакцией

NaAlF₆ + А1₂O₃ = 3NaA1ОF₂

Образующееся соединение немедленно диссоциирует на ионы: A1О и Na⁺.

В упрощенном виде электрохимические реакции на электродах можно представить в виде следующей схемы:

катодный процесс: 3A1О + 6е = 2А1↓+ А + 6 ;

анодный процесс: 3A1О - 6е = 3 + + 1,5О₂↑.

Таким образом, в конечном итоге на катоде восстанавливается алюминий, а на аноде образуется газообразный кислород.

Термодинамические расчеты показывают, что стандартное изменение энергии Гиббса реакции разложения глинозема при 1300К

А1₂О_3(т) = 2Аl_(ж) + 1,5O_2(г) равно ∆G°₁₃₀₀ = -1262 кДж/моль.

Из формулы Е = ∆G/zF, где ∆G – изменение энергии Гиббса при окислении или восстановлении одного моля реагента; z – валентность ионов; F – постоянная Фарадея – 96490 Кл/экв., находим напряжение разложения А1₂О₃:

= U_min = - = = 2,18 B.

Принципиально электролиз криолитно-глиноземного расплава может идти с использованием любого инертного анода. На практике используют угольный (угольно-графитовый) анод, и не только потому, что это не очень дефицитный и относительно дешевый материал. Взаимодействие образующегося кислорода с углеродом анода О₂ + С → СО + СО₂ существенно изменяет термодинамические (и практические) характеристики процесса. Расчетное значение напряжения разложения глинозема в этом варианте снижается в два раза и составляет только 1,06 В. Теоретический, минимальный, удельный расход электроэнергии при электролитическом получении алюминия можно вычислить следующим образом. Удельный расход электричества по закону Фарадея рассчитывается по формуле:

Q = •10⁶.

Из данной формулы теоретически необходимое количество электричества равно

Q_F = (F:Э_Al) • l0⁶ = (26,8:9) • 10⁶=2,98 • 10⁶ А•ч/т А1;

(F-1 Фарадей = 28,6 А•ч; Э_А1 = 27:3 = 9 г).

Теоретический удельный расход электроэнергии рассчитывается по формуле:

W_T = = = 3,16 10³ кВт•ч/т Al,

где ∆U - напряжение разложения А1₂O₃.

Схема электролизера для получения алюминия приведена на рис. 5.50.