Proceso Hall – Héroult - Hall–Héroult process

El proceso Hall – Héroult es el principal proceso industrial para la fundición de aluminio . Consiste en disolver óxido de aluminio (alúmina) (que se obtiene con mayor frecuencia a partir de la bauxita , el principal mineral del aluminio , mediante el proceso Bayer ) en criolita fundida y electrolizar el baño de sal fundida, normalmente en una celda especialmente diseñada. El proceso Hall – Héroult aplicado a escala industrial ocurre a 940–980 ° C y produce 99,5–99,8% de aluminio puro . El aluminio reciclado no requiere electrólisis, por lo que no termina en este proceso. Este proceso contribuye al cambio climático mediante la emisión de dióxido de carbono en la reacción electrolítica y el consumo de grandes cantidades de energía eléctrica.

Proceso

Dificultades enfrentadas

El aluminio elemental no se puede producir por electrólisis de una sal de aluminio acuosa , porque los iones hidronio oxidan fácilmente el aluminio elemental. Aunque en su lugar se podría usar una sal de aluminio fundido , el óxido de aluminio tiene un punto de fusión de 2072 ° C, por lo que su electrólisis no es práctico. En el proceso Hall-Héroult, la alúmina, Al 2 O 3 , se disuelve en criolita sintética fundida , Na 3 AlF 6 , para reducir su punto de fusión y facilitar la electrólisis. La fuente de carbono es generalmente un coque (combustible fósil) .

Teoría

Una celda industrial Hall – Héroult

En el proceso Hall-Héroult, las siguientes reacciones simplificadas tienen lugar en los electrodos de carbono:

Cátodo :

Al 3+ + 3 e - → Al

Ánodo :

O 2- + C → CO + 2 e -

General:

Al 2 O 3 + 3 C → 2 Al + 3 CO

En realidad, se forma mucho más CO 2 en el ánodo que CO:

2 O 2- + C → CO 2 + 4 e -
2 Al 2 O 3 + 3 C → 4 Al + 3 CO 2

La criolita pura tiene un punto de fusión de 1009 ± 1 ° C . Con un pequeño porcentaje de alúmina disuelta en él, su punto de fusión desciende a aproximadamente 1000 ° C. Además de tener un punto de fusión relativamente bajo, la criolita se usa como electrolito porque, entre otras cosas, también disuelve bien la alúmina, conduce la electricidad, se disocia electrolíticamente a un voltaje más alto que la alúmina y también tiene una densidad más baja que el aluminio a las temperaturas requeridas por la electrólisis.

Normalmente se añade fluoruro de aluminio (AlF 3 ) al electrolito. La relación NaF / AlF 3 se denomina relación de criolita y es 3 en criolita pura. En la producción industrial, se agrega AlF 3 para que la proporción de criolita sea 2-3 para reducir aún más el punto de fusión, de modo que la electrólisis pueda ocurrir a temperaturas entre 940 y 980 ° C. La densidad del aluminio líquido es de 2,3 g / ml a temperaturas entre 950 y 1000 ° C. La densidad del electrolito debe ser inferior a 2,1 g / ml, de modo que el aluminio fundido se separe del electrolito y se asiente correctamente en el fondo de la celda de electrólisis. Además del AlF 3 , se pueden agregar otros aditivos como el fluoruro de litio para alterar diferentes propiedades (punto de fusión, densidad, conductividad, etc.) del electrolito.

La mezcla se electroliza al pasar un voltaje bajo (menos de 5 V) de corriente continua a100–300 kA a través de él. Esto hace que el metal líquido de aluminio se deposite en el cátodo , mientras que el oxígeno de la alúmina se combina con el carbono del ánodo para producir principalmente dióxido de carbono.

El requisito de energía mínima teórica para este proceso es 6.23 kWh / (kg de Al), pero el proceso comúnmente requiere 15.37 kWh.

Operación celular

Las celdas en las fábricas funcionan las 24 horas del día para que el material fundido en ellas no se solidifique. La temperatura dentro de la celda se mantiene mediante resistencia eléctrica. La oxidación del ánodo de carbono aumenta la eficiencia eléctrica a costa de consumir los electrodos de carbono y producir dióxido de carbono.

Mientras que la criolita sólida es más densa que el aluminio sólido a temperatura ambiente, el aluminio líquido es más denso que la criolita fundida a temperaturas de alrededor de 1000 ° C (1830 ° F). El aluminio se hunde hasta el fondo de la celda electrolítica, donde se recoge periódicamente. El aluminio líquido se extrae de la celda mediante un sifón cada 1 a 3 días para evitar tener que utilizar válvulas y bombas de temperatura extremadamente alta. Se agrega alúmina a las células a medida que se elimina el aluminio. El aluminio recolectado de diferentes celdas en una fábrica finalmente se funde para garantizar un producto uniforme y se convierte, por ejemplo, en láminas de metal. La mezcla electrolítica se rocía con coque para evitar la oxidación del ánodo por el oxígeno desprendido.

La celda produce gases en el ánodo. El escape es principalmente CO 2 producido por el consumo del ánodo y fluoruro de hidrógeno (HF) de la criolita y el fundente (AlF 3 ). En las instalaciones modernas, los fluoruros se reciclan casi por completo en las células y, por lo tanto, se utilizan nuevamente en la electrólisis. El HF escapado se puede neutralizar a su sal de sodio , fluoruro de sodio . Las partículas se capturan mediante filtros de bolsa o electrostáticos . El CO 2 generalmente se ventila a la atmósfera.

La agitación del material fundido en la celda aumenta su tasa de producción a expensas de un aumento de las impurezas de criolita en el producto. Las celdas diseñadas correctamente pueden aprovechar las fuerzas magnetohidrodinámicas inducidas por la corriente electrolizante para agitar el electrolito. En las celdas de piscina estáticas sin agitación, las impurezas suben hasta la parte superior del aluminio metálico o se hunden hasta el fondo, dejando el aluminio de alta pureza en el área central.

Electrodos

Los electrodos en las celdas son principalmente coque que se ha purificado a altas temperaturas. Se utiliza resina de brea o alquitrán como aglutinante. Los materiales que se utilizan con mayor frecuencia en los ánodos, el coque y la resina de brea, son principalmente residuos de la industria del petróleo y deben tener una pureza lo suficientemente alta para que no acaben impurezas en el aluminio fundido o el electrolito.

Hay dos tecnologías de ánodos principales que utilizan el proceso Hall – Héroult: la tecnología Söderberg y la tecnología precocinada .

En las celdas que utilizan ánodos de Söderberg o autohorneantes, hay un solo ánodo por celda de electrólisis. El ánodo está contenido dentro de un marco y, como la parte inferior del ánodo se convierte principalmente en CO 2 durante la electrólisis, el ánodo pierde masa y, al ser amorfo , se hunde lentamente dentro de su marco. Se agrega continuamente más material a la parte superior del ánodo en forma de briquetas hechas de coque y brea. El calor perdido de la operación de fundición se usa para hornear las briquetas en la forma de carbón requerida para la reacción con alúmina. El proceso de horneado en los ánodos de Söderberg durante la electrólisis libera más PAH cancerígenos y otros contaminantes que la electrólisis con ánodos precocidos y, en parte por esta razón, las celdas que utilizan ánodos precocidos se han vuelto más comunes en la industria del aluminio. Se agrega más alúmina al electrolito desde los lados del ánodo de Söderberg después de que se rompe la costra en la parte superior de la mezcla de electrolitos.

Los ánodos precocidos se hornean en hornos de gas muy grandes a alta temperatura antes de ser bajados por varios sistemas de elevación industriales pesados ​​en la solución electrolítica. Por lo general, hay 24 ánodos precocidos en dos filas por celda. Cada ánodo se baja vertical e individualmente por una computadora, ya que las superficies inferiores de los ánodos se comen durante la electrólisis. En comparación con los ánodos de Söderberg, los ánodos precocidos controlados por computadora se pueden acercar a la capa de aluminio fundido en la parte inferior de la celda sin que ninguno de ellos toque la capa e interfiera con la electrólisis. Esta distancia más pequeña disminuye la resistencia causada por la mezcla de electrolitos y aumenta la eficiencia de los ánodos precocidos sobre los ánodos de Söderberg. La tecnología de precocido también tiene un riesgo mucho menor del efecto de ánodo (ver más abajo), pero las celdas que la usan son más costosas de construir y su uso requiere mucha mano de obra, ya que cada ánodo precocido de una celda debe retirarse y reemplazarse una vez que se ha usado . Se agrega alúmina al electrolito entre los ánodos en las celdas de precocción.

Los ánodos precocidos contienen un porcentaje menor de brea, ya que deben ser más sólidos que los ánodos de Söderberg. Los restos de ánodos precocidos se utilizan para hacer más ánodos precocidos nuevos. Los ánodos precocidos se fabrican en la misma fábrica donde ocurre la electrólisis o se traen allí desde otro lugar.

El interior del baño de la celda está revestido con cátodos hechos de coque y brea. Los cátodos también se degradan durante la electrólisis, pero mucho más lentamente que los ánodos, por lo que no necesitan ser tan altos en pureza ni ser mantenidos con tanta frecuencia. Por lo general, los cátodos se reemplazan cada 2 a 6 años. Esto requiere que se apague toda la celda.

Efecto anódico

El efecto de ánodo es una situación en la que se forman demasiadas burbujas de gas en la parte inferior del ánodo y se unen formando una capa. Esto aumenta la resistencia de la celda, porque áreas más pequeñas del electrolito tocan el ánodo. Estas áreas del electrolito y del ánodo se calientan cuando la densidad de la corriente eléctrica de la celda se enfoca para pasar solo por ellas. Esto calienta la capa de gas y hace que se expanda, lo que reduce aún más el área de la superficie donde el electrolito y el ánodo están en contacto entre sí. El efecto de ánodo disminuye la eficiencia energética y la producción de aluminio de la celda. También induce la formación de tetrafluorometano (CF 4 ) en cantidades significativas, aumenta la formación de CO y, en menor medida, también provoca la formación de hexafluoroetano (C 2 F 6 ). El CF 4 y el C 2 F 6 no son CFC y, aunque no son perjudiciales para la capa de ozono , siguen siendo potentes gases de efecto invernadero . El efecto de ánodo es principalmente un problema en las celdas de tecnología de Söderberg, no en las precocidas.

Historia

Necesidad existente

El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre, pero rara vez se encuentra en su estado elemental . Se encuentra en muchos minerales, pero su principal fuente comercial es la bauxita , una mezcla de óxidos de aluminio hidratados y compuestos de otros elementos como el hierro.

Antes del proceso Hall-Héroult, el aluminio elemental se fabricaba calentando el mineral junto con sodio o potasio elemental al vacío . El método era complicado y consumía materiales que en sí mismos eran costosos en ese momento. Esto significaba que el costo de producción de la pequeña cantidad de aluminio fabricado a principios del siglo XIX era muy alto, más alto que el del oro o el platino . Las barras de aluminio se exhibieron junto a las joyas de la corona francesa en la Exposición Universal de 1855 , y se dice que el emperador Napoleón III de Francia reservó sus pocos juegos de platos y cubiertos de aluminio para sus invitados más honrados.

Los costos de producción con métodos más antiguos se redujeron, pero cuando se seleccionó el aluminio como material para colocar la tapa / pararrayos sobre el Monumento a Washington en Washington, DC , aún era más caro que la plata .

Descubrimiento independiente

El proceso Hall-Héroult fue inventado de forma independiente y casi simultánea en 1886 por el químico estadounidense Charles Martin Hall y por el francés Paul Héroult, ambos de 22 años. Algunos autores afirman que Hall fue asistido por su hermana Julia Brainerd Hall ; sin embargo, se ha cuestionado hasta qué punto estuvo involucrada. En 1888, Hall abrió la primera planta de producción de aluminio a gran escala en Pittsburgh . Más tarde se convirtió en la corporación Alcoa .

En 1997, el proceso Hall-Héroult fue designado Monumento Histórico Nacional por la Sociedad Química Estadounidense en reconocimiento a la importancia del proceso en la comercialización del aluminio.

Impacto económico

El aluminio producido mediante el proceso Hall-Héroult, en combinación con energía eléctrica más barata , ayudó a que el aluminio (y, de paso, el magnesio ) fuera un producto económico más que un metal precioso.

Esto, a su vez, ayudó a que pioneros como Hugo Junkers utilizaran aleaciones de aluminio y aluminio-magnesio para fabricar artículos como aviones de metal por miles, o Howard Lund para fabricar barcos de pesca de aluminio. En 2012 se estimó que se generan 12,7 toneladas de emisiones de CO 2 por tonelada de aluminio producido.

Ver también

Referencias

Otras lecturas