Hall-Héroult-prosessen

Hall – Héroult-prosessen er den viktigste industrielle prosessen for smelting av aluminium. Det innebærer å oppløse aluminiumoksid (alumina) (oppnådd oftest fra bauxitt, aluminiums hovedmalm, gjennom Bayerprosessen) i smeltet kryolitt, og elektrolyse av det smeltede saltbadet, vanligvis i en spesialbygd celle. Hall – Héroult-prosessen som brukes i industriell målestokk skjer ved 940–980 °C og produserer 99,5–99,8% ren aluminium. Resirkulert aluminium krever ingen elektrolyse, og det havner derfor ikke i denne prosessen. Denne prosessen bidrar til klimaendringer gjennom utslipp av CO₂ fra anoden i den elektrolytiske reaksjonen.

Prosessen

Utfordringer

Elementært aluminium kan ikke produseres ved elektrolyse av et vandig aluminiumsalt, fordi hydroniumioner lett oksiderer elementært aluminium. Selv om et smeltet aluminiumsalt kan brukes i stedet, har aluminiumoksid et smeltepunkt på 2072 °C, så elektrolysering er upraktisk. I Hall–Héroult-prosessen oppløses aluminiumoksid, Al₂O₃, i smeltet syntetisk kryolitt, Na₃AlF₆, for å senke smeltepunktet for lettere elektrolyse. Karbonkilden er vanligvis en koks (fossilt drivstoff).

Teori

En Hall–Héroult industricelle

I Hall–Héroult-prosessen skjer følgende forenklede reaksjoner ved karbonelektrodene:

Katode:

${\ce {2Al^{3+}{+}6e- -> 2Al}}$

Anode:

${\ce {3O^{2-}{+}3/2 C -> 3/2 CO2 + 6e-}}$

Totalt:

${\ce {Al2O3 + 3/2C -> 2Al + 3/2CO2}}$

Ren kryolitt har et smeltepunkt på 1009±1 °C. Med en liten prosentandel av aluminiumoksid oppløst i den, faller smeltepunktet til ca. 1000 °C. Foruten å ha et relativt lavt smeltepunkt, brukes kryolitt som en elektrolytt fordi den blant annet også løser aluminiumoksid godt, leder elektrisitet, dissosieres elektrolytisk ved høyere spenning enn aluminiumoksid, og har også en lavere tetthet enn aluminium ved temperaturene som kreves av elektrolysen.

Aluminiumfluorid (AlF₃) tilsettes vanligvis til elektrolytten. Forholdet NaF/AlF₃ kalles kryolittforholdet og det er 3 i ren kryolitt. I industriell produksjon tilsettes AlF₃ slik at kryolittforholdet er 2–3 for ytterligere å redusere smeltepunktet, slik at elektrolysen kan skje ved temperaturer mellom 940 og 980 °C. Tettheten av flytende aluminium er 2,3 g/ml ved temperaturer mellom 950 og 1000 °C. Tettheten til elektrolytten skal være mindre enn 2,1 g/ml, slik at det smeltede aluminiumet skiller seg fra elektrolytten og legger seg ordentlig til bunnen av elektrolysecellen. I tillegg til AlF₃ kan andre tilsetningsstoffer som litiumfluorid tilsettes for å endre forskjellige egenskaper (smeltepunkt, tetthet, ledningsevne osv.) av elektrolytten.

Blandingen elektrolyseres ved å føre en lavspenning (under 5V) likestrøm ved 100–300 kA gjennom den. Dette fører til at flytende aluminiummetall avsettes ved katoden, mens oksygenet fra aluminiumoksidet kombineres med karbon fra anoden for å produsere mest karbondioksid.

Det teoretiske minimale energibehovet for denne prosessen er 6,23 kWh/(kg Al), men prosessen krever vanligvis 15,37 kWh.

Celledrift

Cellene i fabrikkene drives 24 timer i døgnet slik at det smeltede materialet i dem ikke stivner. Temperaturen i cellen opprettholdes via elektrisk motstand. Oksidasjon av karbonanoden øker den elektriske effektiviteten til en kostnad for å forbruke karbonelektrodene og produsere karbondioksid.

Mens fast kryolitt er tettere enn fast aluminium ved romtemperatur, er flytende aluminium tettere enn smeltet kryolitt ved temperaturer rundt 1000 °C. Aluminiumet synker til bunnen av den elektrolytiske cellen, hvor det jevnlig samles opp. Det flytende aluminiumet fjernes fra cellen via en sifon hver 1. til 3. dag for å unngå å måtte bruke ekstremt høye temperaturventiler og pumper. Alumina blir tilsatt cellene når aluminium fjernes. Oppsamlet aluminium fra forskjellige celler i en fabrikk smelter til slutt sammen for å sikre ensartet produkt og blir f.eks. metallplater. Den elektrolytiske blandingen drysses med koks for å forhindre anodens oksidasjon av oksygenet som utvikles.

Cellen produserer gasser ved anoden. Eksosen er hovedsakelig CO₂ produsert fra anodeforbruket og hydrogenfluorid (HF) fra kryolitt og fluss (AlF₃). I moderne anlegg resirkuleres fluorider nesten fullstendig til cellene og brukes derfor igjen i elektrolysen. Rømt HF kan nøytraliseres til natriumsalt, natriumfluorid. Partikler fanges opp med elektrostatiske filtre eller posefiltre. CO₂ blir vanligvis luftet ut i atmosfæren.

Omrøring av det smeltede materialet i cellen øker produksjonshastigheten på bekostning av en økning i kryolitturenheter i produktet. Riktig utformede celler kan utnytte magnetohydrodynamiske krefter indusert av elektrolysestrømmen for å agitere elektrolytten. I ikke-agiterende statiske bassengceller stiger urenhetene til toppen av metallisk aluminium eller synker til bunnen og etterlater aluminium med høy renhet i midtområdet.