Alumīnijs (pazīstams arī kā alumīnijs) ir visizplatītākais metāla elements zemes garozā. Un tā ir arī laba lieta, jo mēs to ļoti daudz izmantojam. Katru gadu tiek sakausēti aptuveni 41 miljons tonnu un tiek izmantoti plašā lietojumā. Alumīnijs ir ļoti liela mūsu ikdienas sastāvdaļa, sākot no auto virsbūves un beidzot ar alus kārbām un elektriskajiem kabeļiem līdz lidmašīnu ādām.
Īpašības
- Atomu simbols: Al
- Atomu skaitlis: 13
- Elementa kategorija: Pēc pārejas metāls
- Blīvums: 2,70 g / cm3
- Kušanas temperatūra: 620,32 ° C (1220,58 ° F)
- Vārīšanās punkts: 2519 ° C (4566 ° F)
- Moha cietība: 2,75
Raksturlielumi
Alumīnijs ir viegls, ļoti vadītspējīgs, atstarojošs un netoksisks metāls, kuru var viegli apstrādāt. Metāla izturība un daudzās labvēlīgās īpašības padara to par ideālu materiālu daudzām rūpnieciskām vajadzībām.
Vēsture
Senie ēģiptieši alumīnija savienojumus izmantoja kā krāsvielas, kosmētiku un zāles, taču tikai 5000 gadus vēlāk cilvēki atklāja, kā sakausēt tīru metālisku alumīniju. Nav pārsteidzoši, ka alumīnija metāla ražošanas metožu izstrāde sakrita ar elektrības parādīšanos 19. gadsimtā, jo alumīnija kausēšanai nepieciešams ievērojams daudzums elektrības.
Liels sasniegums alumīnija ražošanā notika 1886. gadā, kad Čārlzs Martins Hols atklāja, ka alumīniju var ražot, izmantojot elektrolītisko reducēšanu. Līdz tam alumīnijs bija retāks un dārgāks nekā zelts. Tomēr divu gadu laikā pēc Halles atklāšanas Eiropā un Amerikā tika nodibināti alumīnija ražošanas uzņēmumi.
20. gadsimtā pieprasījums pēc alumīnija ievērojami palielinājās, īpaši transporta un iepakošanas nozarē. Lai arī ražošanas paņēmieni nav būtiski mainījušies, tie ir kļuvuši ievērojami efektīvāki. Pēdējo 100 gadu laikā vienas alumīnija vienības ražošanai patērētās enerģijas daudzums ir samazinājies par 70%.
Ražošana
Alumīnija ražošana no rūdas ir atkarīgs no alumīnija oksīda (Al2O3), ko iegūst no boksīta rūdas. Boksīts parasti satur 30–60% alumīnija oksīda (ko parasti sauc par alumīnija oksīdu), un to regulāri atrod zemes virsmas tuvumā. Šo procesu var sadalīt divās daļās; 1) alumīnija oksīda ekstrakcija no boksīta un (2) alumīnija metāla kausēšana no alumīnija oksīda.
Alumīnija oksīda atdalīšana parasti tiek veikta, izmantojot tā dēvēto Bayer procesu. Tas ietver boksīta sasmalcināšanu pulverī, sajaukšanu ar ūdeni, lai iegūtu vircu, karsēšanu un kaustiskās soda (NaOH) pievienošanu. Kaustiskā soda izšķīdina alumīnija oksīdu, kas ļauj tam iziet cauri filtriem, atstājot piemaisījumus.
Pēc tam alumīnija šķīdumu iztukšo nogulsnētāja tvertnēs, kur kā “sēklas” pievieno alumīnija hidroksīda daļiņas. Maisīšanas un atdzesēšanas rezultātā uz sēklu materiāla izgulsnējas alumīnija hidroksīds, kuru pēc tam karsē un žāvē, lai iegūtu alumīnija oksīdu.
Kārļa Martina Hāla atklātajā procesā elektrolītiskās šūnas tiek izmantotas alumīnija kausēšanai no alumīnija oksīda. Šūnās ievietoto alumīnija oksīdu izšķīdina izkausēta kriolīta fluorētā vannā 1742F ° (950 ° C) temperatūrā.
No oglekļa anodiem šūnā caur maisījumu uz katoda apvalku tiek nosūtīta līdzstrāva no 10 000 līdz 300 000 A. Šī elektriskā strāva sadala alumīnija oksīdu alumīnijā un skābeklī. Skābeklis reaģē ar oglekli, veidojot oglekļa dioksīdu, bet alumīnijs tiek piesaistīts oglekļa katoda šūnu oderei.
Pēc tam alumīniju var savākt un nogādāt krāsnīs, kur var pievienot pārstrādājamu alumīnija materiālu. Apmēram trešdaļa no visa šodien saražotā alumīnija nāk no pārstrādātiem materiāliem. Saskaņā ar ASV Ģeoloģijas dienesta datiem, lielākais alumīnija ražotājvalstis 2010. gadā bija Ķīna, Krievija un Kanāda.
Lietojumprogrammas
Alumīnija pielietojums ir pārāk liels, lai uzskaitītu, un metāla īpašo īpašību dēļ pētnieki regulāri atrod jaunus pielietojumus. Vispārīgi runājot, alumīnijs un tā daudzie sakausējumi tiek izmantoti trīs galvenajās nozarēs; transportēšana, iesaiņošana un celtniecība.
Dažādās formās un sakausējumos alumīnijs ir ļoti svarīgs gaisa kuģu, automašīnu, vilcienu un laivu konstrukcijas komponentiem (rāmjiem un virsbūvēm). 70% no dažiem komerciāliem gaisa kuģiem sastāv no alumīnija sakausējumiem (pēc svara). Neatkarīgi no tā, vai detaļai ir nepieciešama izturība pret koroziju vai izturība pret augstām temperatūrām, izmantotā sakausējuma veids ir atkarīgs no katras detaļas prasībām.
Apmēram 20% no visa saražotā alumīnija tiek izmantoti iepakojuma materiālos. Alumīnija folija ir piemērots pārtikas iesaiņošanas materiāls, jo tā nav toksiska, lai arī tā ir arī piemērots hermētiķis ķīmiskiem izstrādājumiem, jo tam ir maza reaktivitāte, un tas ir necaurlaidīgs gaismai, ūdenim un skābeklis. Tikai ASV vien katru gadu tiek piegādāti apmēram 100 miljardi alumīnija kannu. Vairāk nekā puse no tiem galu galā tiek pārstrādāti.
Izturības un izturības pret koroziju dēļ aptuveni 15% no gadā saražotā alumīnija tiek izmantoti celtniecībā. Tas ietver logus un durvju rāmjus, jumta segumu, apšuvumu un konstrukcijas ietvarus, kā arī notekas, slēģus un garāžas durvis.
Alumīnija elektriskā vadītspēja ļauj to izmantot arī tālsatiksmes vadītāju līnijās. Ar tēraudu pastiprināti alumīnija sakausējumi ir lētāki nekā varš, un to vieglā svara dēļ tie samazinās.
Citi alumīnija pielietojumi ir apvalki un siltuma izlietnes plaša patēriņa elektronikai, ielu apgaismojuma stabi, eļļas platformas augšējās konstrukcijas, ar alumīniju pārklāti logi, virtuves piederumi, beisbola nūjas un atstarojoša drošība ierīces.
Avoti:
Iela, Artūrs. & Aleksandrs, W. O. 1944. Metāli cilvēka kalpošanā. 11. izdevums (1998).
USGS. Minerālpreču kopsavilkumi: Alumīnijs (2011). http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/aluminum/