مذاب ۱۰۰۰ درجه ای که اقتصاد جهان را می چرخاند

مقدمه

همه چیز از یک حوضچه مذاب شروع می شود. داخل سلول هال-هرولت، کریولیت در ۹۵۰ درجه سانتی گراد ذوب می شود و آلومینا را در خود حل می کند. جریان برق یون های آلومینیوم را به فلز خالص تبدیل می کند؛ فلزی که وزنش یک سوم فولاد است، اما استحکامش برای حمل صدها مسافر در آسمان کافی است. همین آلومینیوم است که ۸۰٪بدنه بوئینگ و ایرباس را ساخته؛ بدون آن، هواپیماها آن قدر سنگین می شدند که از باند برنمی خاستند. امروز وقتی پنجره هواپیما را باز می کنید و ابرها را زیر پا می بینید، در واقع روی شانه های یک فناوری ۲۰۰ ساله ایستاده اید.

منیزیم، لیتیم و تیتانیوم نیز هر سه از الکترولیز نمک مذاب به دست می آیند، اما کاربردهای متفاوتی در صنعت دارند. منیزیم از الکترولیز نمک کلرید منیزیم در دمای حدود ۷۰۰ درجه سانتی گراد تولید می شود و به دلیل چگالی پایین تر از آلومینیوم، در سبک سازی شاسی خودروهای برقی کاربرد دارد؛ این کاهش وزن امکان استفاده از باتری های پرظرفیت تر را بدون افزایش وزن کل خودرو فراهم می آورد. لیتیم نیز از الکترولیز نمک کلرید لیتیم در دمای نزدیک به ۶۰۰ درجه به دست می آید و با وجود سبکی ذاتی، در قالب ترکیبات شیمیایی کاتد باتری های یون-لیتیم قرار می گیرد؛ یون های لیتیم در این ساختار بین کاتد و آند جابه جا می شوند و چگالی انرژی بالای باتری را ممکن می سازند که عامل اصلی برد خودروهای برقی است. تیتانیوم در مقایسه از الکترولیز نمک کلرید تیتانیوم در دماهای بالاتر تولید می شود و به دلیل نسبت استحکام به وزن مطلوب و زیست سازگاری برجسته، در ایمپلنت های استخوانی، دریچه های قلب و ابزار جراحی به کار می رود؛ این فلز در بدن انسان واکنش نمی دهد و استخوان به آن می روید، در حالی که استحکام فولاد را با چگالی ۴۵ درصد کمتر حفظ می کند.

کاربرد الکترولیز نمک مذاب

برای تولید برخی فلزات واکنش پذیر مانند سدیم، منیزیم،پتاسیم، لیتیم، آلومینیم و .. از الکترولیت حاوی نمک های مذاب استفاده می­ شود.

یونهای فلزات واکنش پذیر اگر در در محلولهای آبی الکترولیز شوند به جای فلز یون هیدروژن احیا می شود.

نمکهای مذاب الکترولیتهای مناسبی برای ترسیب فلزات واکنش پذیر هستند. ترسیب این فلزات در محیط مذاب نسبت به محیط آبی دارای مزایایی زیادی مانند بازده الکترولیز بالا، سرعت بالای ترسیب و عدم احیا هیدروژن می باشد.

این دسته از نمک ها شامل کاتیون های فلزی ( فلزات قلیایی، قلیایی خاکی ) و آنیون هایی نظیر هالیدها، کربنات ها، نیترات ها و .. می باشند که در دمای بالا ذوب می شوند.

درجه حرارت مورد استفاده این نمک ها در محدوده 1025-450 درجه سانتیگراد می باشد

برای تولید برخی فلزات واکنش پذیر مانند سدیم، منیزیم،پتاسیم، لیتیم، آلومینیم و .. از الکترولیت حاوی نمک های مذاب استفاده می شود.

یونهای فلزات واکنش پذیر اگر در در محلولهای آبی الکترولیز شوند به جای فلز یون هیدروژن احیا می شود.

نمکهای مذاب الکترولیتهای مناسبی برای ترسیب فلزات واکنش پذیر هستند. ترسیب این فلزات در محیط مذاب نسبت به محیط آبی دارای مزایایی زیادی مانند بازده الکترولیز بالا، سرعت بالای ترسیب و عدم احیا هیدروژن می باشد.

این دسته از نمک ها شامل کاتیون های فلزی ( فلزات قلیایی، قلیایی خاکی ) و آنیون هایی نظیر هالیدها، کربنات ها، نیترات ها و .. می باشند که در دمای بالا ذوب می شوند

درجه حرارت مورد استفاده این نمک ها در محدوده 1025-450 درجه سانتیگراد می باشد

مثالی از فرآیند الکترولیز نمک مذاب در تولیدآلومینیم
استخراج فلز آلومینیم از آلومینا توسط فرآیند هال- هرولت انجام می شود.
این روش نخستین بار توسط دو دانشمند به نام های چارلز مارتین هال و پائول هرولتدر سال ۱۸۸۶ میلادی ابداع گردید.

در حالت معمول آلومینا که ماده اولیه تولید فلز آلومینیم است در دمای ۲۰۷۲ درجه سانتی گراد ذوبمی شود که تامین این دما از نظر اقتصادی بسیار گران است.

در فرآیند هال آلومینا در یک نمک فلورایدی به نام کریولیت حل می شود و با الکترولیز محلول حاصل فلز آلومینیم خالص بدست می آید.

این فرآیند در دمای 960 درجه سانتی گراد انجام می شود.

کریولیت،یک ترکیب شیمیایی متشکل از سدیم، آلومینیوم و فلوئور، میباشد که به صورت مصنوعی می شود.

فلوراید آلومینیوم برای کاهش نقطه ذوب به الکترولیت اضافه می شود، اما دلیل اصلی افزودن فلوراید آلومینیوم ثابت نگه داشتن ترکیب الکترولیت با خنثی کردن ناخالصی اکسید سدیم در خوراک آلومینا میباشد.

آندهای مورد استفاده در الکترولیز آلومینیم از جنس کربن می باشند. کربن مورد استفاده به عنوان آند در الکترولیز آلومینیوم یک کک نفتی است که محصول جانبی تصفیه نفت است و کربن اضافی از قطران ذغال سنگ به دست می آید.

واکنش اصلی در الکترولیز آلومینیم:

Al2O3+3/2C====2Al+3/2CO2

در طی عملیات الکترولیز، مقداری از کربن مصرف می شود زیرا با اکسیژن ترکیب می شود و دی اکسید کربن تشکیل می دهد.
برای هر کیلوگرم آلومینیوم تولیدی حدود 4/ 0 کیلوگرم کربن مصرف می شود .
از آنجایی که آلومینا یک ترکیب بسیار پایدار است و ذوب آلومینیوم شامل عبور جریان الکتریکی از یک الکترولیت مذاب است، به مقادیر زیادی انرژی الکتریکی نیاز دارد. بر اساس یک میانگین جهانی، برای تولید 1 کیلوگرم آلومینیم به 4/13 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی نیاز است .
هزینه برق حدود یک سوم هزینه ذوب آلومینیوم است.

مواد و محصولات کاتد و آند، و برخی داده های عملیاتی سلول الکترولیز نمک مذاب برای تولید آلومینیوم و برخی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی در جدول زیر آورده شده است.