అల్యూమినియం (Al) లోహ సంగ్రహణ మరియు వెలికితీత

సహజ లభ్యత మరియు ముఖ్యమైన ధాతువులు

అల్యూమినియం భూమి యొక్క క్రస్ట్‌లో అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే లోహం మరియు మూడవ అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే మూలకం. ఇది అధిక క్రియాశీలత కారణంగా తన స్వేచ్ఛా లోహ స్థితిలో లభ్యం కాదు.

అల్యూమినియం యొక్క ప్రాథమిక ధాతువులు

1. బాక్సైట్: పారిశ్రామిక వెలికితీతకు అత్యంత ముఖ్యమైన ధాతువు. ఇది ఒక హైడ్రేటెడ్ అల్యూమినియం ఆక్సైడ్.
   • రసాయన ఫార్ములా: Al₂O₃·2H₂O (తరచుగా Al₂O₃·nH₂O గా సూచించబడుతుంది)
   • సంవిధానం: 50-70% Al₂O₃ తో పాటు ఇనుము ఆక్సైడ్‌లు (Fe₂O₃), సిలికా (SiO₂), మరియు టైటానియం డయాక్సైడ్ (TiO₂) వంటి మలినాలను కలిగి ఉంటుంది.
2. కొరుండం: నిర్జల అల్యూమినియం ఆక్సైడ్.
   • రసాయన ఫార్ములా: Al₂O₃
3. క్రయోలైట్: సోడియం హెక్సాఫ్లోరోఅల్యూమినేట్. అల్యూమినియం లోహం కోసం ప్రాథమిక ధాతువుగా కాకుండా, వెలికితీత ప్రక్రియలో ఎలక్ట్రోలైట్‌గా ఉపయోగించబడుతుంది.
   • రసాయన ఫార్ములా: Na₃AlF₆
4. ఫెల్డ్‌స్పార్: పొటాషియం అల్యూమినియం సిలికేట్.
   • రసాయన ఫార్ములా: KAlSi₃O₈

ధాతువు యొక్క గాఢత (బాక్సైట్)

ప్రధాన ధాతువు అయిన బాక్సైట్, రసాయన లీచింగ్, ప్రత్యేకంగా బేయర్స్ ప్రక్రియ ద్వారా గాఢత చేయబడుతుంది. ఈ పద్ధతి ముడి బాక్సైట్‌ను ఇనుము ఆక్సైడ్‌లు, సిలికా మరియు టైటానియం డయాక్సైడ్ వంటి మలినాలను తొలగించడం ద్వారా శుద్ధి చేస్తుంది, తద్వారా స్వచ్ఛమైన అల్యూమినా (Al₂O₃) లభిస్తుంది.

బేయర్స్ ప్రక్రియ దశలు

1. విచ్ఛేదనం (కాస్టిక్ సోడా తో లీచింగ్):

   • మెత్తగా పొడిచేసిన బాక్సైట్ ధాతువును 150-200°C వద్ద అధిక పీడనం (8-10 atm) క్రింద సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ (NaOH) యొక్క గాఢ ద్రావణం (45-50%) తో వేడి చేస్తారు.
   • అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ (ఉభయధర్మి కాబట్టి) NaOH తో చర్య జరిపి కరిగే సోడియం మెటా-అల్యూమినేట్‌ను ఏర్పరుస్తుంది, అయితే ఇనుము ఆక్సైడ్‌లు (Fe₂O₃) వంటి ప్రధాన మలినాలు కరగకుండా ఉంటాయి. సిలికా (SiO₂) కరిగే సోడియం సిలికేట్ (Na₂SiO₃) ను ఏర్పరచడానికి చర్య జరుపుతుంది, కానీ తరువాత అవక్షేపించబడవచ్చు లేదా పరిస్థితులను నియంత్రించడం ద్వారా నిర్వహించవచ్చు.
   • చర్య: Al₂O₃·2H₂O(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) $\xrightarrow\{150-200^\circ C, \text\{high pressure\}\}$ 2NaAl(OH)₄ (సోడియం మెటా-అల్యూమినేట్)
   • కరగని మలినాలను (ఎరుపు మట్టి, ప్రధానంగా Fe₂O₃) అప్పుడు ఫిల్టర్ చేసి తొలగిస్తారు.

2. అల్యూమినియం హైడ్రాక్సైడ్ అవక్షేపణం:

   • సోడియం మెటా-అల్యూమినేట్ యొక్క స్పష్టమైన ద్రావణాన్ని నీటితో పలుచబరిచి సుమారు 50-60°C కి చల్లబరుస్తారు.
   • అప్పుడు దానికి తాజాగా తయారుచేసిన అల్యూమినియం హైడ్రాక్సైడ్ [Al(OH)₃] స్ఫటికాలను కలుపుతారు. ఇది సోడియం మెటా-అల్యూమినేట్ యొక్క జలవిశ్లేషణను మరియు స్వచ్ఛమైన అల్యూమినియం హైడ్రాక్సైడ్ యొక్క అవక్షేపణను ప్రోత్సహిస్తుంది.
   • చర్య: NaAl(OH)₄ $\xrightarrow\{\text\{dilution, cooling, seeding\}\}$ Al(OH)₃(s) + NaOH(aq)
   • NaOH పునరుత్పత్తి చేయబడుతుంది మరియు ప్రక్రియలో తిరిగి ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది ఆర్థికంగా లాభదాయకం చేస్తుంది.

3. కాల్సిన్‌కరణ:

   • అవక్షేపించిన అల్యూమినియం హైడ్రాక్సైడ్‌ను ఫిల్టర్ చేసి, కడిగి, ఆరబెడతారు.
   • తరువాత దీనిని 1000-1200°C వద్ద బలంగా వేడి చేసి (కాల్సిన్‌కరణ) స్వచ్ఛమైన, నిర్జల అల్యూమినాను పొందుతారు.
   • చర్య: 2Al(OH)₃(s) $\xrightarrow\{1000-1200^\circ C\}$ Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)
   • ఈ స్వచ్ఛమైన అల్యూమినా (Al₂O₃) అప్పుడు విద్యుద్విశ్లేషణ క్షయీకరణకు ఉపయోగించబడుతుంది.

ముడి లోహంగా క్షయీకరణ (హాల్-హెరౌల్ట్ ప్రక్రియ)

అల్యూమినియం లోహం స్వచ్ఛమైన అల్యూమినా నుండి హాల్-హెరౌల్ట్ విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియ ద్వారా వెలికి తీయబడుతుంది. అల్యూమినా చాలా అధిక ద్రవీభవన స్థానాన్ని (2072°C) కలిగి ఉంటుంది, ఇది ప్రత్యక్ష విద్యుద్విశ్లేషణను అసాధ్యం చేస్తుంది. కాబట్టి, ఇది కరిగిన ఎలక్ట్రోలైట్‌లో కరిగిపోతుంది.

సూత్రం

అల్యూమినా కరిగిన క్రయోలైట్ (Na₃AlF₆) లో కరిగిపోతుంది, ఇది మిశ్రమం యొక్క ద్రవీభవన స్థానాన్ని సుమారు 950-1000°C కు గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది మరియు దాని విద్యుత్ వాహకతను పెంచుతుంది. ద్రవీభవన స్థానాన్ని మరింత తగ్గించడానికి మరియు వాహకతను మెరుగుపరచడానికి ఫ్లోర్‌స్పార్ (CaF₂) కూడా కలుపబడుతుంది.

విద్యుద్విశ్లేషణ సెల్ అమరిక

• పాత్ర: కార్బన్ (గ్రాఫైట్) తో కప్పబడిన ఒక పెద్ద ఉక్కు ట్యాంక్, ఇది కాథోడ్ గా పనిచేస్తుంది.
• ఆనోడ్‌లు: బహుళ మందపాటి గ్రాఫైట్ కడ్డీలు కరిగిన ఎలక్ట్రోలైట్‌లోకి వేలాడదీయబడతాయి.
• ఎలక్ట్రోలైట్: 2-10% స్వచ్ఛమైన అల్యూమినా (Al₂O₃), 80-90% క్రయోలైట్ (Na₃AlF₆) మరియు 5-7% ఫ్లోర్‌స్పార్ (CaF₂) కలిగి ఉన్న కరిగిన మిశ్రమం. ఉష్ణోగ్రత 950-1000°C మధ్య నిర్వహించబడుతుంది.
• ఉత్పత్తి: కరిగిన అల్యూమినియం, ఎలక్ట్రోలైట్ కంటే సాంద్రంగా ఉంటుంది, సెల్ అడుగున సేకరిస్తుంది మరియు కాలానుగుణంగా బయటకు తీయబడుతుంది.

విద్యుత్ రసాయన చర్యలు

1. ఎలక్ట్రోలైట్‌లో అయనీకరణ: కరిగిన క్రయోలైట్‌లో, అల్యూమినా అయాన్‌లుగా విడిపోతుంది.
   • Al₂O₃ $\rightleftharpoons$ 2Al³⁺ + 3O²⁻
2. కాథోడ్ వద్ద (కార్బన్ లైనింగ్):
   • అల్యూమినియం అయాన్లు (Al³⁺) రుణాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన కాథోడ్ వైపు వలసపోతాయి మరియు ఎలక్ట్రాన్లను పొంది, కరిగిన అల్యూమినియం లోహంగా క్షయీకరించబడతాయి.
   • చర్య: Al³⁺(melt) + 3e⁻ → Al(l)
3. ఆనోడ్ వద్ద (గ్రాఫైట్ కడ్డీలు):
   • ఆక్సైడ్ అయాన్లు (O²⁻) ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన గ్రాఫైట్ ఆనోడ్‌ల వైపు వలసపోతాయి మరియు ఎలక్ట్రాన్లను కోల్పోయి ఆక్సిజన్ వాయువును ఏర్పరుస్తాయి.
   • చర్య: 2O²⁻(melt) → O₂(g) + 4e⁻
   • ఉత్పత్తి అయిన ఆక్సిజన్ వాయువు అప్పుడు వేడి గ్రాఫైట్ ఆనోడ్‌లతో చర్య జరిపి వాటిని కార్బన్ మోనాక్సైడ్ (CO) మరియు కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) గా ఆక్సీకరణం చేస్తుంది. దీని అర్థం ఆనోడ్‌లు నిరంతరం క్షీణించిపోతాయి మరియు వాటిని క్రమం తప్పకుండా మార్చాలి.
   • ఆనోడ్ క్షయీకరణ చర్యలు:
     • C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
     • 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g)

మొత్తం చర్య

2Al₂O₃(melt) + 3C(s) $\xrightarrow\{\text\{electrolysis\}\}$ 4Al(l) + 3CO₂(g)

శక్తి అవసరాలు

హాల్-హెరౌల్ట్ ప్రక్రియకు అధిక మొత్తంలో విద్యుత్ అవసరం, ఇది చాలా శక్తి-ఇంటెన్సివ్ ప్రక్రియ.

శుద్ధి మరియు విశుద్ధీకరణ (హూప్స్ ప్రక్రియ)

హాల్-హెరౌల్ట్ ప్రక్రియ నుండి పొందిన అల్యూమినియం సుమారు 99.5% స్వచ్ఛమైనది. 99.9% లేదా అంతకంటే ఎక్కువ స్వచ్ఛత గల అల్యూమినియంను పొందడానికి హూప్స్ విద్యుద్విశ్లేషణ శుద్ధి ప్రక్రియ ద్వారా మరింత శుద్ధి చేయబడుతుంది.

సూత్రం

ఈ ప్రక్రియలో మూడు వేర్వేరు సాంద్రతలను కలిగి ఉన్న కరిగిన పదార్థాల పొరలతో కూడిన విద్యుద్విశ్లేషణ సెల్ ఉపయోగించబడుతుంది, ఇవి అపరిశుభ్రమైన ఆనోడ్ నుండి స్వచ్ఛమైన అల్యూమినియంను స్వచ్ఛమైన కాథోడ్‌కు ఎంపికగా బదిలీ చేస్తాయి.

హూప్స్ సెల్ అమరిక

• కాథోడ్ (పై పొర): స్వచ్ఛమైన కరిగిన అల్యూమినియం పైన సేకరించబడుతుంది. ఈ పొరలో కార్బన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు ముంచబడతాయి, ఇది కాథోడ్ గా పనిచేస్తుంది.
• ఎలక్ట్రోలైట్ (మధ్య పొర): Al, Na మరియు Ba యొక్క ఫ్లోరైడ్‌ల (ఉదా., AlF₃, Na₃AlF₆, BaF₂) కరిగిన మిశ్రమం ఉపయోగించబడుతుంది. ఈ పొర స్వచ్ఛమైన మరియు అపరిశుభ్రమైన అల్యూమినియం పొరల మధ్య సాంద్రతను కలిగి ఉంటుంది.
• ఆనోడ్ (కింది పొర): రాగితో మిశ్రమం చేయబడిన అపరిశుభ్రమైన కరిగిన అల్యూమినియం (దాని సాంద్రత మరియు విద్యుత్ వాహకతను పెంచడానికి), ఆనోడ్ గా పనిచేస్తుంది. ఈ పొరలో కార్బన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు ముంచబడతాయి.
• పక్క గోడలు: సెల్ అధిక ఉష్ణోగ్రతలను తట్టుకోగల మరియు పక్కల ద్వారా విద్యుత్ లీకేజీని నిరోధించగల ఒక వక్రీభవన లైనింగ్ (ఉదా., కార్బన్ ఇటుకలు) కలిగి ఉంటుంది.

విద్యుత్ రసాయన చర్యలు

1. ఆనోడ్ వద్ద (కింది పొర):
   • కింది పొర నుండి అపరిశుభ్రమైన అల్యూమినియం ఆక్సీకరణం చెంది, Al³⁺ అయాన్‌లను ఏర్పరచడానికి ఎలక్ట్రాన్‌లను కోల్పోతుంది, ఇవి ఎలక్ట్రోలైట్ పొరలోకి వలసపోతాయి.
   • చర్య: Al(impure, l) → Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻
   • బరువైన మలినాలు (రాగి, ఇనుము, సిలికా వంటివి) కింది పొరలో ఉంటాయి.
2. కాథోడ్ వద్ద (పై పొర):
   • ఎలక్ట్రోలైట్ నుండి Al³⁺ అయాన్‌లు పై పొర (కాథోడ్) వైపు వలసపోతాయి, ఎలక్ట్రాన్‌లను పొంది, స్వచ్ఛమైన కరిగిన అల్యూమినియంగా క్షయీకరించబడతాయి.
   • చర్య: Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻ → Al(pure, l)

ఫలితం

విద్యుద్విశ్లేషణ కొనసాగుతున్నప్పుడు, స్వచ్ఛమైన అల్యూమినియం క్రమంగా పై పొరలో సేకరించబడుతుంది, అయితే మలినాలు కింది ఆనోడ్ పొరలో ఉంటాయి. ఇది చాలా అధిక స్వచ్ఛత గల అల్యూమినియంను అందిస్తుంది.