Алюминий: свойства, применение, виды, способы получения

Изготовление алюминия в домашних условиях

Нынешние времена удивительны, в том числе, и тем, что, благодаря Интернету, огромное количество инноваций и мини технологий распространяются по всему миру практически мгновенно, повсюду плодя огромное множество мастеров-самоделкиных, налаживающих всевозможное производство в домашних условиях.

Причем, оно не ограничивается воспроизведением одних лишь детишек «индиго» влюбленными парочками в изобретенных этими самоделкиными чудо-койках.

Куда там! Наиболее продвинутые умельцы умудряются мастерить дома гаджеты, собирать полновесный урожай яблок на приусадебном участке уже в мае и даже получать тонны цветных металлов!

Некоторыми инновациями подобного домашнего рукотворчества решили в этой статье поделиться с читателями и мы. Например, рассказать о том, как открыть алюминиевое Эльдорадо, не отходя от кассы, то бишь, не выходя из дома.

Первоначальная подготовка производства

Итак, с чего следует начать производство алюминия?

Конечно с обустройства производственных площадей, на которых мы наладим этот бизнес. Разумеется, если мы будем работать в домашних условиях, то речь не идет об открытии огромного цеха. Производство алюминия можно запросто осуществлять в отдельной нежилой комнате, но лучше всего в какой-либо пристройке к дому или даже в капитальном гараже. Правда, обязательным условием выдачи алюминия «на-гора» будет являться наличие в помещении стандартного источника электроэнергии на 220 вольт.

Главное тут другое: все, что вам потребуется дополнительно — имеется в свободном доступе.

Это:

• обычный сварочный аппарат;
• бокситы;
• графитовый порошок;
• металлическая бочка;
• бетономешалка.

Что такое бокситы, мы знаем еще из школы, объяснять не надо, — это не что иное, как обыкновенная глина, которая содержит в себе от 40 до 80% алюминия. Накопать ее вы можете без труда в соседнем карьере или на берегу ближайшей речки. Сварочный аппарат купите в магазине «Инструменты», а бочку, графит и бетономешалку найдете в магазинах стройтехники и стройматериалов. Как говорится, no problem!

Ну, вот, в принципе, теперь мы готовы открыть производство ценного металла. Что нам нужно еще? Только одно:

Технология

Итак, садитесь в машину с прицепом, езжайте в карьер и набросайте в прицеп для начала полтонны глины. Если прицепа не имеется, загрузите сырье в мешки, уложите в багажник и везите домой. Далее порядок работы будет следующим.

1. Высушите глину, ибо работать следует только с сухим материалом. Это можно сделать, раскидав ее на специальном настиле или полотне на солнце, а можно включить сушильный агрегат или мощный тепловентилятор и произвести сушку в помещении.
2. Измельчите высушенное сырье. Для этого воспользуйтесь бетономешалкой, а при ее отсутствии подойдет и обычный молот, которым вы будете дробить глину. Процесс измельчения необходимо довести до такой степени, пока комки глины не превратятся в сухую пыль. В этом случае производство металла происходит гораздо быстрее, нежели тогда, когда бокситы будут пребывать в комочках, пусть даже мелких. А это, в свою очередь, ведет к удешевлению процесса, в частности, к экономии электроэнергии.
3. Далее смешайте порошок графита с размолотым сырьем из расчета 1 кг графита на 10 кг глины. Зачем нам нужен графит? Технологически он выполняет функцию придания хорошей электропроводимости полученной смеси в процессе производства алюминия. А это, в свою очередь, не позволяет раскаляться ей до недопустимо высоких температур, что в условиях подсобного помещения может стать достаточно пожароопасным.
4. На следующем этапе засыпаем полученную смесь графита и глины в железную бочку. Заливаем все это водой до достижения влажности субстанции не менее 70-80%. В этом случае мы достигнем еще лучшей электропроводимости полученной консистенции, что приведет к дополнительному ускорению производства алюминия.
5. Подаем на бочку напряжение, подключив к ней сварочный аппарат на 5-10 секунд. Этого времени вполне достаточно, чтобы произошло отщепление от глины кислорода, в результате чего и получится алюминий.
6. Отключите электричество, и оставьте бочку на два-три часа остывать. Затем извлеките из нее куски полученного сплава и очистите от лишних образований. На полтонны боксита вы получите около от 200 до 250 кг металла. Ваша цель достигнута!

Переизбыток

Излишек микроэлемента токсичен.

Повышенное содержание алюминия опасно для здоровья человека, поскольку снижается иммунитет, а порой возникают необратимые изменения в организме, которые резко сокращают продолжительность жизни.

Причины превышения допустимой нормы микроэлемента

1. Работа на производстве, где воздух насыщен различными соединениями алюминия, что приводит к острым отравлениям парами. Алюминоз – профессиональное заболевание людей, работающих в металлургии.
2. Проживание в местах с повышенным содержанием вещества в воздухе и окружающей среде.
3. Использование алюминиевой посуды для приготовления блюд и питания из них.
4. Прием медицинских препаратов с высоким содержанием микроэлемента. К таким лекарствам относят: антациды (фосфалюгель, маалокс), вакцины (против гепатита A, В, вируса папилломы, гемофильной, пневмококковой инфекции), некоторые антибиотики. При длительном употреблении таких препаратов, соли алюминия накапливаются в организме, вызывая передозировку. Для предотвращения данного явления в процессе терапии нужно одновременно применять желчегонные, мочегонные средства и лекарства с магнием, ионами серебра, которые выводят, угнетают действие элемента.
5. Использование декоративной, профилактической косметики, в состав которых входит алюминий (дезодоранты-антиперспиранты, помада, тушь, крема, влажные салфетки).
6. Острая, хроническая почечная недостаточность. Заболевание способствует накоплению и препятствует выведению солей алюминия из организма.
7. Перенасыщение рациона продуктами питания, богатыми на данный микроэлемент. Помните, любые пищевые изделия длительного срока хранения, упакованные в фольгу, железные банки способны накапливать много алюминия. От таких продуктов нужно отказаться. Помимо этого, сегодня зарегистрированы следующие пищевые добавки, регламентированные госстандартами и разрешенные к использованию в производстве: Е520, Е521, Е522/Е523. Это сульфаты или соли алюминия. Несмотря на то, что всасываются они менее активно, чем соединения, поступающие с продуктами питания или медикаментами, такие вещества медленно отравляют наш организм. Наибольшее их количество сосредоточено в сладостях, консервах.
8. Попадание ионов алюминия в организм с питьевой водой, которая подвергается обработке еще на водоочистной станции. В регионах, подверженных обильному выпадению кислотных дождей, для озерных, речных водоемов характерно превышение концентрации AL в сравнении с нормой в десятки раз, что приводит к гибели моллюсков, земноводных, рыб.

Таким образом, от переизбытка алюминия в организме не застрахован никто.

Характерные признаки излишка микроэлемента:

• снижение гемоглобина;
• уменьшение числа эритроцитов в крови;
• кашель;
• потеря аппетита;
• нервозность;
• запоры;
• психические расстройства;
• проблемы с ЖКТ, почками;
• нарушения речи, ориентации в пространстве;
• помутнение рассудка;
• провалы памяти;
• конвульсии.

Последствия токсического влияния микроэлемента:

1. Развитие остеомаляции, заболевания, связанного с размягчением костной ткани, которое нарушает работу опорно – двигательного аппарата, приводит к переломам костей, возрастанию травматизма.
2. Поражение головного мозга (энцефалопатии). Как следствие, развивается болезнь Альцгеймера. Данное состояние проявляется в повышенной нервозности, апатии ко всему окружающему, нарушении памяти, склонности к резким беспричинным стрессам, депрессиям. В старческом возрасте наступает прогрессирующее слабоумие.
3. Дисфункция желудочного тракта, кишечника, почек.
4. Дрожание головы, судороги в конечностях, развитие артрита, анемии, рахита.
5. Угнетение обмена кальция, фосфора, магния, меди, железа, цинка в организме.
6. Нарушение работы центральной нервной системы.
7. Неадекватная выработка слюнных ферментов.
8. Сокращение жизни человека.

Помните, алюминий относится к категории иммунотоксичных микроэлементов, поэтому для сохранения здоровья нужно ежедневно следить за количеством поступающего соединения в организм.

Различия по насыщенности

В основе своей достойными упоминания являются лишь три вида руд, с которыми нужно работать, если вы занимаетесь добычей алюминия. Да, данный химический элемент очень и очень распространен, и его можно найти также в других соединениях (их насчитывают около двух с половиной сотен). Однако, наиболее рентабельной, в силу весьма высокой концентрации, добыча будет именно из бокситов, алунитов и нефелинов.

Нефелины являются щелочным образованием, появившимся вследствие высокой температуры магмы. Из одной единицы данной руды выйдет до 25% глинозема, как основного сырья. Однако, эта руда алюминия считается наиболее бедной для добытчиков. Все соединения, содержащие в себе глинозем в еще меньших количествах, чем имеют нефелины – заведомо признаны нерентабельными.

Алуниты образовались при вулканической, а также гидротермальной активностях. Они в себе содержат до 40% такого необходимого глинозема, являясь «золотой серединой» в нашей троице руд.

И первое место, с рекордным содержанием оксида алюминия в виде пятидесяти процентов и более, получают бокситы! Они по праву считаются основным источником глинозема. Однако, касаемо их происхождения ученые до сих пор не могут прийти к единственно верному решению.

То ли они перекочевали с изначального места происхождения и отложились после того, как выветрились древние породы, то ли получились осадком после того, как растворились некоторые известняки, или же вообще стали итогом распада солей железа, алюминия и титана, выпав осадком. В общем, происхождение все еще неизвестно. Но то, что бокситы – самые доходные, это уже точно.

Места добычи алюминия в России

В мировом рейтинге по объему добычи алюминиевой руды Россия занимает седьмое место. По всей территории разведано порядка 50 месторождений, среди которых еще есть неразработанные залежи. Самые богатые запасы руды сосредоточены в Ленинградской области и на Урале, где работает одна из самых глубоких «алюминиевых» шахт. Глубина последней достигает 1550 метров.

Несмотря на широко развитую цветную металлургию,и производство алюминия, в частности, полученного объема не хватает для обеспечения промышленности всей страны. Поэтому Россия вынуждена импортировать глинозем из других стран. Эта необходимость еще обусловлена более низким качеством руды. На одном из наиболее прибыльных месторождений на Урале извлекают боксит с 50% содержанием глинозема. В Италии же добывают породу, где содержится 64% оксидов алюминия.

Для получения 1 тонны алюминия

Порядка 80% от общей массы алюминиевой руды в России добывается закрытым способом на шахтах. Достаточно много месторождений находится в Белгородской, Архангельской, Свердловской областях, а также Республике Коми. Помимо бокситовых, добываются и нефелиновые руды. Рентабельность такого вида получения металла меньше, но все же результат отчасти компенсирует дефицит сырья страны.

Особое место в алюминиевой промышленности занимает производство металла из вторичного сырья. Такой способ существенно экономит энергетические и рудные ресурсы, и снижает уровень вреда, нанесенного окружающей среде. Здесь Россия несколько отстает от других стран, но показатели большинства отечественных предприятий ежегодно заметно улучшаются.

Создание глинозема из руд — этап производства алюминия

Глинозем можно получить тремя методами: кислотным, щелочным и электролитическим. Самым популярным является щелочной метод. Суть метода заключается в том, что алюминиевые растворы очень быстро начинают разлагаться при введении гидроокиси алюминия, а раствор, который остался от разложения после выпаривания при интенсивном перемешивании при температуре 170 С, может снова растворить глинозем, который содержится в бокситах. Данный способ имеет такие главные стадии: 1. Подготовка боксита, которая подразумевает его дробление и измельчение в специальных мельницах. В мельницы отправляют едкую щелочь, боксит и немного извести. Пульпу, которая получилась, направляют на выщелачивание. 2. Выщелачивания боксита подразумевает его химическое разложение от соединения с водным раствором щелочи. При этом гидраты окиси алюминия при соединении со щелочью в раствор переходят в форме алюмината натрия, а кремнезем, который содержится в боксите, соединяясь со щелочью, в раствор переходит в форме силиката натрия. В растворе эти соединения: алюминат натрия и силикат натрия формируют нерастворимый натриевый алюмосиликат. В этот остаток переходят окислы железа и титана, которые предают остатку красный оттенок. Такой остаток – это красный шлам. Когда растворение полученного алюмината натрия завершается, его разводят водным раствором щелочи при понижении температуры до 100°С. 3. Отделение красного шлама и алюминатного раствора друг от друга происходит благодаря промывке в сгустителях. После чего красный шлам оседает, а оставшийся алюминатный раствор фильтруют. 4. Разложение алюминатного раствора. Его фильтруют и отправляют в крупные емкости с мешалками. Из данного раствора при охлаждении до 60°С и перемешивании постоянном выделяется гидроокись алюминия. Из-за того что процесс протекает неравномерно и очень медленно, а рост кристаллов гидроокиси алюминия очень важен при дальнейшей обработке, то в эти емкости с мешалками — декомпозеры ещё добавляют много твердой гидроокиси. 5. Получение гидроокиси алюминия осуществляется в вакуум-фильтрах и гидроциклонах. Большую часть гидроокиси как затравочный материал возвращают к процедуре декомпозиции. После водной промывки остаток отправляется на кальцинацию; и фильтрат тоже возвращается в процесс. 6. Обезвоживание гидроокиси алюминия — завершающая стадия производства глинозема. Она проходит в трубчатых, постоянно вращающихся печах. Сырая гидроокись алюминия, когда проходит через печь, полностью высушивается и обезвоживается.

Вторичная переработка

Основной плюс данного металла – это сохранение всех своих качеств в процессе эксплуатации. Благодаря этому, изделия из алюминия могут быть, без особых проблем, переработаны и переплавлены. Такая возможность экономит огромные запасы энергии, которые уже были потрачены при первичном производстве.

Отходы алюминия собираются и перерабатываются по всему миру, это значительно позволяет экономить ресурсы, и снизить пагубное воздействие увеличивающихся в площади свалок. Возрастание ответственности за экологию, продвигает идею раздельного сбора мусора во всех странах. Так как данный металл используется, практически, во всех производственных сферах, идея экологически безопасного производства и утилизации алюминия является весьма актуальной.

На сегодняшний день, практически каждое производство стремиться стать более модернизированным, с целью повышения, как рентабельности процесса, так и экологической безопасности производства алюминия.

Применение алюминиевой руды

Современный мир трудно представить себе без алюминия. Спектр его применения очень широк, и мы иногда не представляем себе, насколько важен этот метал в нашей жизни.

Алюминий широко применяется в машино- и автостроении, авиации, строительстве, стекольной промышленности, а также при производстве электротехники и других мелких товаров народного потребления (например, фольга).

Особенно интересным фактом является то, что алюминий присутствует в нашей жизни также в качестве пищевой добавки под кодом Е173. В качестве пищевого красителя эта добавка разрешена в ряде стран, в том числе и в России. Наиболее часто данный краситель используется в кондитерской отрасли благодаря тому, что он придает изделиям красивый серебристый оттенок

Тем не менее, это небезопасная добавка, и врачи настоятельно рекомендуют потреблять ее очень умеренно и с осторожностью

Алюминиевая руда имеет богатый состав, и кроме алюминия из нее извлекают другие химические элементы. В основном это цветные металлы, которые в дальнейшем используются для улучшения качества стали, а также титан, ванадий, хром и др.

Извлеченный глинозем также полезен в черной металлургии, где он используется в качестве флюсов.

Во время плавления руды, извлеченной из бокситов, в электропечах получается еще один материал, который называется электрокорундом. Он особенно ценен благодаря своей твердости (уступает только алмазу) и востребован в качестве абразива.

Во время процесса получения алюминия образуются также отходы, которые носят название красный шлам. В их составе элемент скандий, особенно востребованный во многих отраслях как тяжелой (автомобильная, ракетостроительная), так и легкой (производство электроприводов, спортивного оборудования) промышленности.

Основные области применения алюминия и его сплавов

Данный конструкционный металл имеет широкое распространение. В частности именно с его использования начали свою работу авиастроение, ракетостроение, пищевая промышленность и изготовление посуды. Благодаря своим особенностям алюминий позволяет улучшить маневренность судов за счет меньшей массы.

Конструкции из алюминия в среднем на 50% получаются легче, нежели аналогичные стальные изделия.

Отдельно стоит упомянуть способность металла проводить ток. Такая особенность позволила сделать его главным конкурентом меди. Он активно применяется при производстве микросхем и в целом в области микроэлектроники.

Загрязнение воздуха

Tracielouise / Getty Images

Во время горных работ образуются тяжелые облака пыли. Только взрывные работы составляют огромную часть проблемы. В 2018 году международная группа ученых, опубликованная в E3S Web of Conferences, сообщила, что ежегодно взрывается около 10 миллиардов кубометров породы. Образующиеся облака переносят около 2,0–2,5 миллионов тонн пыли. ()

Пыль, образующаяся при бурении и взрыве на некоторых шахтах, является высокорадиоактивной. Так, например, обстоит дело на урановых рудниках. Однако проблема не ограничивается известными радиоактивными рудами, поскольку все руды в той или иной степени радиоактивны. ()

Даже если она не радиоактивна, пыль, содержащая тяжелые металлы, может быть очень опасной. При вдыхании она может вызвать различные респираторные проблемы, включая пневмокониоз. ()

Взрывчатые вещества, используемые при взрывных работах, выделяют пары, которые вызывают кислотные дожди. Еще в 1973 году советские ученые сообщили, что смог может образовываться в самих карьерах. В 2019 году китайские ученые сообщили, что соляная кислота, выделяемая шахтами, достаточно едкая, чтобы разъесть бетон. (, , , )

При неисправности шахтного оборудования или ошибках рабочих, например, сварщиков, уголь воспламеняется. Пожары в шахтах выделяют токсичные газы и вызывают значительное загрязнение воздуха. ()

Огромное тяжелое оборудование, используемое на шахтах, выделяет выхлопные газы и загрязняет воздух.

Характеристика рудного минерала

Название минерального сырья для добычи алюминия происходит от названия местности во Франции, где впервые были обнаружены залежи. Боксит состоит из гидроокислов алюминия, в качестве примесей в нем находятся глинистые минералы, окислы и гидроокислы железа.

По внешнему виду боксит является каменистой, а реже — глиноподобной, породой — однородной или слоистой по текстуре. В зависимости от формы залегания в земной коре она бывают плотной или пористой. По структуре различают минералы:

• обломочные — конгломератовые, гравелиты, песчаниковые, пелитовые;
• конкреционные — бобовые, оолитовые.

Основная масса породы в виде включений содержит оолитовые образования окислов железа или глинозема. Бокситовая руда обычно бурого или кирпичного цвета, но встречаются залежи белого, красного, серого, желтого оттенков.

Главными минералами для образования руды являются:

Различают бокситы платформенные, геосинклинальные и океанических островов. Месторождения алюминиевой руды образовались в результате переноса продуктов выветривания горных пород с последующим их отложением и образованием осадка.

Промышленные бокситы содержат 28-60% глинозема. При использовании руды соотношение последнего к кремнию не должно быть ниже 2-2,5.

Особенности алюминиевой руды

Руда — это природное минеральное образование, в составе которого содержится определенный металл или минерал. В чистом виде алюминия в природе практически нет, потому добывают его из алюминиевой руды. В земной коре ее содержание составляет около 9%. Сегодня насчитывается порядка 250 разновидностей минеральных соединений, включающих алюминий, но не все из них выгодны в обработке. Наиболее ценными для алюминиевой промышленности считаются следующие типы руды:

• бокситная;
• алунитовая;
• нефелиновая.

Бокситная чаще всего используется как сырье для добычи металла, ведь именно она содержит до 60% оксидов алюминия. Еще состав включает оксиды кремния и железа, кварц, магний, натрий и другие химические элементы и соединения. В зависимости от состава, бокситы имеют разную плотность. Цвет горной породы преимущественно красный или серый. Для производства 1 тонны алюминия необходимо 4,5 тонны боксита.

Алунитовая руда не сильно отстает от бокситной, так как содержит до 40% глинозема — основного поставщика алюминия. Отличается пористой структурой и имеет немало примесей. Добыча алюминия рентабельна только тогда, когда общее количество алунитов равноценно совокупности добавок.

Нефелины — это щелочная порода магматического происхождения. По содержанию оксидов алюминия они занимают третье место. Из первого сорта нефелиновой руды можно переработать от 25% и более глинозема. Из второго сорта — до 25%, но не менее 22%. Все минеральные соединения, включающие оксиды алюминия меньше этого значения, не имеют промышленной ценности.

Нефелин

Это алюминиевая руда магматического происхождения. Она представляет собой полнокристаллическую щелочную породу. В зависимости от состава и технологических особенностей переработки выделяют несколько сортов нефелиновой руды:

• первый сорт – 60–90% нефелина; он содержит более 25% глинозема; переработка осуществляется методом спекания;
• второй сорт – 40–60% нефелина, количество глинозема немного ниже – 22–25%; во время переработки требуется обогащение;
• третий сорт – нефелиновые минералы, которые не представляют никакой промышленной ценности.

Свойства алюминиевой руды

Боксит представляет собой сложное соединение оксидов алюминия, железа и кремния (в виде различных кварцев), титана, а также с небольшой примесью натрия, циркония, хрома, фосфора и прочих.

Самым важным свойством в производстве алюминия является «вскрываемость» бокситов. То есть насколько просто будет отделить от него ненужные кремниевые добавки, чтобы получить исходное сырье для выплавки металла.

Основа получения алюминия – глинозем. Чтобы он образовался, руду перемалывают в мелкий порошок, и прогревают паром, отделяя большую часть кремния. И уже эта масса будет сырьем для выплавки.

Чтобы получить 1 тонну алюминия, потребуется около 4-5 тонн бокситов, с которых после обработки образуется около 2 тонн глинозема, а уже потом можно получить металл.

Переработка вторичного сырья

Четверть общей потребности в алюминии удовлетворяется вторичной переработкой сырья. Из продуктов вторичной переработке льется фасонное литье.

Предварительно отсортированное сырье переплавляется в пороговой печи. В ней остаются металлы, имеющие более высокую температуру плавления, чем алюминий, например, никель и железо. Из расплавленного алюминия продувкой хлором или азотом удаляются различные неметаллические включения.

Более легкоплавкие металлические примеси удаляются присадками магния, цинка или ртути и вакуумированием. Магний удаляется из расплава хлором.

Заданный литейный сплав получают, введя добавки, которые определяются составом расплавленного алюминия.

Обработка полученной руды

Далее, вне зависимости от выбранного способа добычи, полученные полезные ископаемые отправляются в цеха для переработки, где специальные дробильные аппараты разобьют минералы на фракции, размером примерно под 110 миллиметров.

Следующим этапом идет получение дополнительных хим. добавок и транспортировка к дальнейшему этапу, которым является спекание породы в печах.

Пройдя декомпозицию и получив на выходе из нее алюминатную пульпу, мы отправим пульпу на разделение и осушение ее от жидкости.

На финальном этапе то, что получилось, подвергается очистке от щелочей и снова отправляется в печи. В этот раз – на прокалку. Финалом всех действий станет тот самый сухой глинозем, который нужен для получения алюминия через гидролиз.

Пусть пробивание шахты и считается более тяжелым способом, но оно несет меньший вред окружающей среде, чем открытый способ. Если вы за экологию – вы знаете, что выбрать.

Предостережение

Алюминий не заложен изначально в биологические организмы. Но человек получает его микродозы ежедневно – с пищей.

Им богаты горох, пшеница, рис, овсяный «геркулес». Доказана польза алюминия как стимулятора регенерации, развития тканей, работы ЖКТ, ферментов.

По стандартам РФ, в литре питьевой воды не должно быть более 0,2 мг алюминия.

Алюминиевой посудой пользоваться можно, но ограниченно. Безопасны готовка, подогрев, хранение продуктов с нейтральными характеристиками. Приготовление кислых блюд (щи, томат, компот) опасно. Алюминий поступит в еду, создавая избыточную дозу при попадании в организм, плюс «железный» привкус.