صهر الألومنيوم

مصهر للألمنيوم بالقرب من بيلينجهام، واشنطن

مصهر ستراومسفيك للألمنيوم، الذي تديره شركة ريو تينتو ألكان في أيسلندا.

صهر الألومنيوم هو عملية استخلاص الألومنيوم من أكسيده، الألومينا ، وعادةً ما يتم ذلك عن طريق عملية هال-هيرولت . ^{[ 1 ]} يتم استخلاص الألومينا من خام البوكسيت عن طريق عملية باير في مصفاة الألومينا .

هذه عملية تحليل كهربائي ، لذا يستهلك مصهر الألومنيوم كميات هائلة من الطاقة الكهربائية؛ وعادةً ما تُقام المصاهر بالقرب من محطات توليد الطاقة الكبيرة، وخاصةً محطات الطاقة الكهرومائية ، لخفض التكاليف وتقليل البصمة الكربونية الإجمالية . كما تُقام المصاهر غالبًا بالقرب من الموانئ، نظرًا لأن العديد منها يستخدم الألومينا المستوردة.

تُعدّ عملية التحليل الكهربائي لهول-هيرولت الطريقة الرئيسية لإنتاج الألومنيوم الأولي. تتكون الخلية التحليلية من غلاف فولاذي مُبطّن بسلسلة من مواد عازلة حرارية. تتألف الخلية من غلاف فولاذي خارجي مُبطّن بالطوب، يعمل كحاوية وداعم. داخل الغلاف، تُثبّت كتل الكاثود معًا بواسطة معجون دكّ. يلامس الغلاف العلوي المعدن المنصهر ويعمل ككاثود. يُحافظ على درجة حرارة عالية للإلكتروليت المنصهر داخل الخلية. يُصنع الأنود المُسخّن مسبقًا من الكربون على شكل كتل كبيرة مُلبّدة مُعلّقة في الإلكتروليت. يُستخدم قطب سودربيرغ واحد أو عدد من كتل الكربون المُسخّنة مسبقًا كأنود، مع بقاء التركيبة الأساسية والتفاعلات الجوهرية التي تحدث على سطحها كما هي.

يتكون مصهر الألومنيوم من عدد كبير من الخلايا (الأحواض) التي تتم فيها عملية التحليل الكهربائي. يحتوي المصهر النموذجي على ما بين 300 و720 حوضًا، ينتج كل منها حوالي طن من الألومنيوم يوميًا، مع العلم أن أكبر المصاهر المقترحة تصل طاقتها الإنتاجية إلى خمسة أضعاف ذلك. تتم عملية الصهر على دفعات، حيث يترسب الألومنيوم في قاع الأحواض ويُسحب دوريًا. تُستخدم هذه المصاهر، وخاصة في أستراليا، للتحكم في الطلب على شبكة الكهرباء، وبالتالي يتم تزويد المصهر بالطاقة بسعر منخفض جدًا. مع ذلك، يجب عدم انقطاع التيار الكهربائي لأكثر من 4-5 ساعات، نظرًا لتكلفة إصلاح الأحواض الباهظة في حال تجمد المعدن السائل.

يتم إنتاج الألومنيوم عن طريق الاختزال الإلكتروليتي لأكسيد الألومنيوم المذاب في الكريوليت المنصهر .

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

وفي الوقت نفسه، يتأكسد قطب الكربون، في البداية إلى أول أكسيد الكربون

${\displaystyle {\ce {C + 1/2O2 -> CO}}}$

على الرغم من أن تكوين أول أكسيد الكربون (CO) مفضل ديناميكيًا حراريًا عند درجة حرارة التفاعل، إلا أن وجود جهد زائد كبير (الفرق بين الجهد العكسي وجهد الاستقطاب) يغير التوازن الديناميكي الحراري، وينتج خليط من CO و CO₂ . ^{[ 2 ] [} ₃ ^{] وبالتالي ،} يمكن كتابة التفاعلات الكلية المثالية على النحو التالي:

${\displaystyle {\begin{cases}{\ce {Al2O3 + 3/2C <=> 2Al + 3/2CO2}}&:\Delta G\circ =(264460+3.75T\log T-92.52T)\ {\ce {cal}}\\{\ce {Al2O3 + 3C <=> 2Al + 3CO}}&:\Delta G^{\circ }=(325660+3.75T\log T-155.07T)\ {\ce {cal}}\end{cases}}}$

بزيادة كثافة التيار حتى 1 أمبير/سم² ^، تزداد نسبة _ثاني أكسيد الكربون ويقل استهلاك الكربون. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

بما أن إنتاج كل ذرة من الألومنيوم يتطلب ثلاثة إلكترونات، فإن هذه العملية تحتاج إلى كمية كبيرة من الكهرباء. ولهذا السبب، غالباً ما تُقام مصاهر الألومنيوم بالقرب من مصادر الكهرباء الرخيصة، مثل الطاقة الكهرومائية .

الإلكتروليت: يتكون الإلكتروليت من حمام منصهر من الكريوليت (Na₃AlF₆ ₎ والألومينا المذابة . _يُعد الكريوليت مذيبًا جيدًا للألومينا، إذ يتميز بانخفاض درجة انصهاره ولزوجته وضغط بخاره. كما أن كثافته أقل من كثافة الألومنيوم السائل (2 مقابل 2.3 جم/سم³ ) ^، مما يسمح بفصل المنتج عن الملح في قاع الخلية بشكل طبيعي. تبلغ نسبة الكريوليت (NaF/AlF₃ ₎ في الكريوليت النقي 3، مع درجة انصهار تبلغ 1010 درجة مئوية (1850 درجة فهرنهايت) ، ويُشكّل مزيجًا يوتكتيكيًا مع 11% من الألومينا عند 960 درجة مئوية (1760 درجة فهرنهايت) . في الخلايا الصناعية، تُحافظ نسبة الكريوليت بين 2 و3 لخفض درجة انصهاره إلى 940-980 درجة مئوية (1720-1800 درجة فهرنهايت) . ^{[ 6 ] [ 7 ]}      

الكاثود: تُصنع كاثودات الكربون أساسًا من الأنثراسيت والجرافيت وفحم الكوك البترولي ، حيث تُكلس هذه المواد عند حوالي 1200 درجة مئوية (2190 درجة فهرنهايت) ثم تُسحق وتُغربل قبل استخدامها في تصنيع الكاثود. تُخلط هذه المواد مع قطران الفحم ، وتُشكّل، ثم تُخبز. لا تُشترط نقاوة الكربون بنفس دقة الأنود، لأن التلوث المعدني من الكاثود ليس كبيرًا. يجب أن يتمتع كاثود الكربون بقوة كافية، وموصلية كهربائية جيدة، ومقاومة عالية للتآكل واختراق الصوديوم. تتميز كاثودات الأنثراسيت بمقاومة تآكل أعلى ^{[ 8 ]} وزحف أبطأ بسعة أقل [15] من كاثودات الجرافيت وفحم الكوك البترولي المُجرافن. في المقابل، تتميز الكاثودات الكثيفة ذات الترتيب الجرافيتي الأعلى بموصلية كهربائية أعلى، واستهلاك طاقة أقل [14]، وتورم أقل نتيجة لاختراق الصوديوم ^{[ 9 ]} . يؤدي التورم إلى تدهور مبكر وغير منتظم لكتل ​​الكاثود.  

الأنود: للأنودات الكربونية وضع خاص في صهر الألومنيوم، وينقسم صهر الألومنيوم، تبعًا لنوع الأنود، إلى تقنيتين مختلفتين: أنودات "سودربيرغ" وأنودات "المخبوزة مسبقًا". تُصنع الأنودات أيضًا من فحم الكوك البترولي، ممزوجًا بقطران الفحم، ثم تُشكّل وتُخبز في درجات حرارة مرتفعة. تؤثر جودة الأنود على الجوانب التقنية والاقتصادية والبيئية لإنتاج الألومنيوم. ترتبط كفاءة الطاقة بطبيعة مواد الأنود، بالإضافة إلى مسامية الأنودات المخبوزة. يُستهلك حوالي 10% من طاقة الخلية للتغلب على المقاومة الكهربائية للأنود المخبوز مسبقًا (50-60 ميكرو أوم متر). ^{[ 6 ]} يُستهلك الكربون بكمية أكبر من القيمة النظرية نظرًا لانخفاض كفاءة التيار والاستهلاك غير الإلكتروليتي. كما يؤثر عدم تجانس جودة الأنود، الناتج عن اختلاف المواد الخام ومعايير الإنتاج، على أدائه واستقرار الخلية.

تُقسم الأنودات الكربونية الاستهلاكية المُسخّنة مسبقًا إلى نوعين: الأنودات المُجرافيتية والأنودات المصنوعة من فحم الكوك. ولتصنيع الأنودات المُجرافيتية، يُكلس فحم الأنثراسيت وفحم الكوك البترولي ويُصنفان. ثم يُخلطان مع قطران الفحم ويُضغطان. بعد ذلك، يُخبز الأنود الأخضر المضغوط عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية (2190 درجة فهرنهايت) ويُجرافيت. أما أنودات فحم الكوك، فتُصنع من فحم الكوك البترولي المُكلس، وبقايا الأنودات المُعاد تدويرها، وقطران الفحم (كمادة رابطة). تُصنع هذه الأنودات بخلط الركام مع قطران الفحم لتكوين عجينة ذات قوام عجين. غالبًا ما تُضغط هذه المادة بالاهتزاز، ولكن في بعض المصانع تُضغط بالضغط. بعد ذلك، يُلبّد الأنود الأخضر عند درجة حرارة تتراوح بين 1100 و1200 درجة مئوية (2010-2190 درجة فهرنهايت) لمدة تتراوح بين 300 و400 ساعة، دون جرافيتة ، لزيادة قوته من خلال تحلل المادة الرابطة وتفحيمها. تؤدي درجات حرارة الخبز المرتفعة إلى تحسين الخواص الميكانيكية والتوصيل الحراري، وتقليل التفاعل مع الهواء وثاني أكسيد الكربون _. [ ^{10 ] تكون} المقاومة الكهربائية النوعية للأنودات من نوع فحم الكوك أعلى من تلك الخاصة بالأنودات المُجرافنة، ولكنها تتميز بمقاومة ضغط أعلى ومسامية أقل. ^{[ 11 ]}    

تتكون أقطاب سودربيرغ (الخبز الموضعي)، التي استُخدمت لأول مرة عام 1923 في النرويج، من غلاف فولاذي وكتلة كربونية تُخبز بفعل الحرارة المنبعثة من خلية التحليل الكهربائي. تُسحق مواد كربونية مثل فحم الكوك والأنثراسيت، وتُعالج حراريًا، وتُصنف. تُخلط هذه المواد مع القار أو الزيت كمادة رابطة، ثم تُكبس وتُوضع في الغلاف. ترتفع درجة الحرارة من أسفل العمود إلى أعلاه، ويحدث الخبز الموضعي أثناء إنزال المصعد في الحوض. ينبعث قدر كبير من الهيدروكربونات أثناء الخبز، وهو ما يُعد عيبًا لهذا النوع من الأقطاب. تستخدم معظم مصاهر المعادن الحديثة مصاعد مُخبزة مسبقًا، نظرًا لسهولة التحكم في العملية وتحقيق كفاءة طاقة أفضل قليلًا، مقارنةً بمصاعد سودربيرغ.

تُنتج هذه العملية كمية من نفايات الفلورايد : مركبات البيرفلوروكربون وفلوريد الهيدروجين على شكل غازات، وفلوريدات الصوديوم والألومنيوم والكريوليت غير المستخدم على شكل جزيئات. قد تصل هذه الكمية إلى 0.5 كيلوغرام لكل طن من الألومنيوم في أفضل المصانع عام 2007، وتصل إلى 4 كيلوغرامات لكل طن (8.0 رطل/طن قصير) من الألومنيوم في التصاميم القديمة عام 1974. يميل فلوريد الهيدروجين، ما لم يُتحكم به بدقة، إلى أن يكون شديد السمية للنباتات المحيطة بالمصانع. أما غازات البيرفلوروكربون فهي من غازات الدفيئة القوية ذات العمر الطويل.  

تنتج عملية سودربيرج التي تقوم بخبز خليط الأنثراسيت/القطران أثناء استهلاك الأنود، انبعاثات كبيرة من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات حيث يتم استهلاك القطران في المصهر.

ينتهي الأمر ببطانات الأواني ملوثة بمواد مكونة للسيانيد؛ لدى شركة ألكوا عملية لتحويل البطانات المستهلكة إلى فلوريد الألومنيوم لإعادة استخدامها ورمل صناعي قابل للاستخدام لأغراض البناء ونفايات خاملة.

• توقف مصهر ألكان لينماوث للألمنيوم ، الذي كان يعمل بالفحم في محطة لينماوث للطاقة في شمال شرق إنجلترا ، عن الإنتاج في عام 2012، وتم هدمه في عام 2018.
• أُغلق مصنع أنجلسي للألمنيوم ، الذي كان يعمل بالطاقة من محطة ويلفا للطاقة النووية في شمال غرب ويلز ، في عام 2013، وتم الإعلان عن إعادة تطوير الموقع في عام 2022.
• مصهر فالكو للألمنيوم في غانا ، الذي يعمل بالطاقة من مشروع أكوسومبو الكهرومائي
• Fjarðaáal في أيسلندا ، مدعوم من محطة كارانجوكار للطاقة الكهرومائية
• سيتم تزويد مدينة جهارسوغودا في ولاية أوريسا بالهند بالطاقة من خلال محطة توليد الطاقة الخاصة بها التي تعمل بالفحم بقدرة 1215 ميغاواط (1629000 حصان) . 
• شركة ألوينيري ألوات في سيبت-إيل ، كيبيك، تعمل بالطاقة من مشروع تشرشل فولز للطاقة الكهرومائية .
• مصهر ألبا في البحرين ، الذي يعمل بأربع محطات توليد طاقة خاصة به بقدرة توليد إجمالية تبلغ 2265 ميغاواط (3037000 حصان) . 

• قائمة مصاهر الألومنيوم
• قائمة مصافي الألومينا
• مصهر الرصاص
• الطاقة النووية
• صهر الزنك
• عملية هول-هيرولت لأكسيد صلب