آلومینیوم

حمیدرضا طاهری جم
تاریخ: 1397/07/28
زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۳ دقیقه
آلومینیوم

سبک، با دوام و کاربردی: این ویژگی هایی است که آلومینیوم را یکی از مواد

مهندسی کاربردی زمان ما می کند. ما می توانیم آلومینیوم را در خانه هایی

که در آن زندگی می کنیم، در اتومبیل هایی که درایو داریم، در قطارها و

هواپیماهایی که ما را در فاصله های طولانی، در تلفن های همراه و رایانه هایی

کههر روز استفاده می کنیم، در قفسه های داخل یخچال های ما و …

آلومینیوم ، فلزی فراوان در پوسته زمین است. و این نیز خوب است، زیرا ما از

آن استفاده می کنیم. حدود ۴۱ میلیون تن هر سال ذوب می شود و در

برنامه های گسترده ای استفاده می شود.آلومینیوم یک فلز سبک، بسیار رسانا

، بازتابنده و غیر سمی است که می تواند به راحتی ماشین کاری شود. دوام

فلزی و خواص سودمند آن،باعث شده است که آلومینیوم یک ماده ایده آل برای

بسیاری از کاربردهای صنعتی به شمار بیاید.

خواص آلومینیوم:

  • نماد اتمی: آل
  • شماره اتمی: ۱۳
  • عنصر رده: فلز پس از انتقال
  • تراکم: ۲٫۷۰ گرم / cm ۳
  • نقطه ذوب: ۱۲۲۰٫۵۸ درجه فارنهایت (۶۶۰٫۳۲ درجه سلسیوس)
  • نقطه جوش: ۴۵۶۶ درجه فارنهایت (۲۵۱۹ درجه سانتیگراد)
  • سختی Moh: 2.75

تاریخ:

ترکیبات آلومینیوم توسط مصری های باستانی به عنوان رنگ ها، لوازم آرایشی

و داروها مورد استفاده قرار گرفتند، اما تا ۵۰۰۰ سال پس از آن انسان ها کشف

کردند که چگونه آلومینیوم فلزات خالص را ذوب می کنند. جای تعجب نیست که

توسعه روش های تولید فلز آلومینیوم هم زمان با ظهور برق در قرن نوزدهم بود

، زیرا ذوب آلومینیوم نیازمند مقدار قابل توجهی از برق است.

پیشرفت عمده در تولید آلومینیوم در سال ۱۸۸۶ اتفاق افتاد زمانی که چارلز

مارتین هال کشف کرد که آلومینیوم می تواند با استفاده از کاهش الکترولیت تولید

شود. تا آن زمان آلومینیوم نادر بوده و گران تر از طلا بود. با این حال، طی دو سال

کشف هال، شرکت های آلومینیومی در اروپا و امریکا تاسیس شدند.

در طول قرن بیستم، تقاضای آلومینیوم به ویژه در صنایع حمل و نقل و بسته بندی

به شدت افزایش یافت. اگر چه تکنیک های تولید تغییری نداشته، اما به مراتب

کارآمدتر شده اند. در طول ۱۰۰ سال گذشته، میزان مصرف انرژی برای تولید

یک واحد آلومینیوم، ۷۰٪ کاهش یافته است.

آلومینیوم  فلزی نقره ای سفید و عنصر ۱۳ در جدول تناوبی است. یک واقعیت

شگفت آور در مورد آلومینیوم این است که این فلزگسترده ترین روی زمین است

که بیش از ۸ درصد از جرم هسته زمینرا تشکیل می دهد. آلومینیوم سومین

عنصر شایع در سیاره ما پس از اکسیژن و سیلیکون است. 

 

شایع ترین شکل آلومینیوم موجود در طبیعت، سولفات آلومینیوم است.

 این ها مواد معدنی هستند که دو اسید سولفوریک را ترکیب می کنند: یکی

بر اساس فلز قلیایی (لیتیوم، سدیم، پتاسیم روبیدیوم یا سزیم) و یکی بر اساس

فلز از گروه سوم جدول تناوبی، عمدتا آلومینیوم است.

سولفات آلومینیوم برای تمیز کردن آب، پخت و پز، پزشکی، زیبایی، صنایع شیمیایی

و دیگر بخش ها استفاده می شود. به هر حال، آلومینیوم نام خود را از سولفات

آلومینیوم دریافت کرد که در لاتین آلومین نامیده می شد.

 

سنگ های قیمتی مانند یاقوت، یاقوت کبود، ساحلی و زمرد نیز از مواد معدنی
آلومینیوم هستند. دو مورد اول کوراندوم هستند، یعنی اکسید آلومینیوم (Al ۲ O ۳ )
در شکل کریستال. این به طور طبیعی شفاف است و از لحاظ قدرت آن تنها دومین
الماس است.  یکی از مواد معدنی کوراندوم که ارزش چندانی ندارد، سنگ قیمتی
است که به عنوان یک ساینده عمل می کند، به عنوان مثال در پارچه شن و ماسه
استفاده می شود.
امروزه با حدود ۳۰۰ ترکیب مختلف آلومینیوم و مواد معدنی حاوی آلومینیوم،
فلدسپات، مواد معدنی کلیدی روی زمین، یاقوت کبود و زمرد، که به مراتب
کمتر رایج هستند، آشنا هستیم.
هامفری دیوی فیزیکدان بریتانیایی و سرم هیمفری دیوی  اولین بار برای
به دست آوردن یک عنصر شیمیایی جدید با استفاده از الکترولیز بود که
توانست بور را از اسید بوریک به دست آورد. او برای استفاده از الکترولیز
برای جداسازی شش فلز دیگر که قبلا ناشناخته بود، استفاده کرد:
پتاسیم، سدیم، باریم، کلسیم، منیزیم و استرانسیم. این دیوی بود که وجود
آلومینیوم، فلز یافت شده در آلومینا را ثابت کرد، و نام خود را به آن داد.

اما صرف نظر از این که آلومینیوم معمولی ممکن است برای همیشه باقی

بماند، اگر برق نبود،کشف آلومینیوم ممکن بود. زمانی که دانشمندان توانستند

از برق برای تجزیه ترکیبات شیمیایی به عناصر خود استفاده کنند. در قرن نوزدهم

فیزیکدان دانمارکی، مسیحی ائرستد از الکترولیز برای به دست آوردن آلومینیوم

استفاده کرد. الکترولیز یا کاهش الکترولیز، فرایندی است که امروزه نیز برای

تولید آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد.

بوکسیت یکی دیگر از مواد معدنی معمولی، امروزه به عنوان مواد اولیه  در تولید

آلومینیوم استفاده می شود. بوکسیت معدنی، خاک رس است که شامل

تغییرات مختلف هیدروکسید آلومینیوم مخلوط با آهن، سیلیکون، تیتانیوم،

گوگرد، گالیم، کروم، اکسید وانادیوم و همچنین کربنات کلسیم، آهن و منیزیم

است. به عبارت دیگر بوکسیت معمولی حاوی تقریبا نیمی از جدول تناوبی

است. به هر حال، به علت بافت بوکسیت حدود یک صد سال پیش، آلومینیوم

اغلب به عنوان نقره ای از رس ساخته می شد. به طور متوسط ​​۴ تا ۵ تن

بوکسیت برای تولید یک تن آلومینیوم مورد نیاز است.

بوکسیت ها:

بوکسیت ها در سال ۱۸۲۱ توسط زمین شناسی به نام پیر بردایر در جنوب فرانسه
کشف شد. حدود ۹۰ درصد عرضه جهانی بوکسیت ها در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری مانند گینه، استرالیا، ویتنام، برزیل، هند و جامائیکا یافت می شود.

در مرحله اول تولید آلومینیوم بوکسیت به آلومینا یا اکسید آلومینیوم Al ۲ O ۳

تبدیل می شود . آلومینا به نظر می رسد پودر سفید است و سپس با استفاده

از کاهش الکترولیتی به آلومینیوم در ذوب آلومینیوم پردازش می شود.

تولید آلومینیوم نیاز به مقدار زیادی از برق، حدود ۱۵ MWh در هر تن دارد.

 این مقدار انرژی تقریبا به اندازه  ۱۰۰ بلوک در یک ماه مصرف می شود. بنابراین

بهترین روش برای ذوب آلومینیوم در کنار یک منبع انرژی قدرتمند و ترجیحا تجدید

پذیر است.نیروگاه های برق آبی بهترین گزینه هستند، زیرا آن ها قدرتمندترین

منبع انرژی سبز موجود در عصر امروز هستند.

خواص آلومینیوم:

آلومینیوم ترکیبی نادر از خواص با ارزش است. آلومینیوم یکی از سبک ترین فلزات
در جهان است: تقریبا سه برابر سبک تر از آهن است، اما همچنین بسیار قوی،
بسیار انعطاف پذیر و مقاوم در برابر خوردگی است زیرا سطح آن همیشه در یک
لایه بسیار ضخیم و در عین حال بسیار قوی از اکسید پوشیده شده است. 
این کار مغناطیسی نیست، این یک هادی الکتریکی بزرگ است و آلیاژهای آن
را عملا با تمام فلزات دیگر تشکیل می دهد.

تولید آلومینیوم:

تولید آلومینیوم از سنگ، وابسته به اکسید آلومینیوم (Al2O3) است که از سنگ

معدن بوکسیت استخراج می شود. بوکسیت به طور معمول حاوی ۳۰-۶۰٪ اکسید

آلومینیوم (معمولا به عنوان آلومینا نامیده می شود) است و به طور منظم در

نزدیکی سطح زمین یافت می شود. این فرآیند را می توان به دو بخش تقسیم

کرد: (۱) استخراج آلومینا از بوکسیت و (۲) ذوب کردن فلز آلومینیوم از آلومینا.

جداسازی آلومینا به طور معمول با استفاده از آنچه که به فرایند بایر شناخته

می شود انجام می شود. این فرآیند شامل خرد کردن بوکسیت به یک پودر،

مخلوط کردن آن با آب برای تولید دوغاب، گرم کردن و اضافه کردن سدیم (NaOH).

 سود سوزآور آلومینا را از بین می برد، که اجازه می دهد تا آن را از طریق فیلتر

منتقل کند و ناخالصی ها را پشت سر می گذارد.

سپس محلول آلومینات به مخازن رسوب دهنده، جایی که ذرات هیدروکسید

آلومینیوم به عنوان «دانه» اضافه می شوند تخلیه می شود. انجماد و خنک شدن

باعث می شود که هیدروکسید آلومینیوم بر روی ماده بذر پیش رونده شود و

سپس برای تولید آلومینا گرم و خشک می شود.

سلول های الکترولیتی برای فرآوری آلومینا از فرآیند کشف شده توسط چارلز

مارتین حال، استفاده می شود. آلومینا به سلول ها در یک حمام فلورینده از

کریولیت مذاب ریخته شده در دمای ۱۷۴۲F ° (۹۵۰ درجه سانتیگراد) حل می شود.

جريان مستقيم در هر نقطه از ۱۰۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰۰ آمپر از انژکتورهاي کربني در سلول

از طريق مخلوط به يک پوسته کاتد ارسال مي شود. این جریان الکتریکی آلومینا

را آلومینیوم و اکسیژن می کند. اکسیژن با کربن برای تولید دی اکسید کربن

واکنش می دهد، در حالیکه آلومینیوم برای پوشش سلول های کاتدی کربن جذب

می شود.

سپس آلومینیوم جمع آوری شده و به کوره هایی منتقل شود که مواد آلومینیوم

قابل بازیافت را می توان اضافه کرد. حدود یک سوم تمام آلومینیوم تولید شده

امروز از مواد بازیافتی تامین می شود. بر اساس نظرسنجی زمین شناسی

ایالات متحده، بزرگترین کشورهای تولید کننده آلومینیوم در سال ۲۰۱۰ چین،

روسیه و کانادا بودند.

برنامه های کاربردی:

برنامه های کاربردی آلومینیوم برای فهرست بسیار زیاد است و به علت ویژگی های

خاص این فلز، محققان به طور مرتب برنامه های کاربردی جدیدی پیدا می کنند.

 به طور کلی، آلومینیوم و بسیاری از آلیاژهای آن در سه صنعت اصلی استفاده

می شود؛حمل و نقل، بسته بندی و ساخت و ساز.

آلومینیوم، در قالب های مختلف و آلیاژها، برای اجزای ساختاری (قاب ها و اجسام) هواپیماها، اتومبیل ها، قطارها و قایق ها بسیار مهم است. تا ۷۰٪ از برخی از

هواپیماهای تجاری شامل آلیاژهای آلومینیومی (اندازه گیری شده توسط وزن) هستند. 

حدود ۲۰ درصد از کل آلومینیوم تولید شده در مواد بسته بندی استفاده می شود.

 فویل آلومینیوم یک ماده بسته بندی مناسب برای غذا است زیرا آن

غیر سمی است، در حالی که آن را نیز به دلیل واکنش پایین، مناسب برای

محصولات شیمیایی می دانند. و برای نور، آب و اکسیژن نفوذ ناپذیر است. 

در ایالات متحده تنها ۱۰۰ میلیارد سالن آلومینیومی هر ساله حمل می شود.

 بیش از نیمی از این ها در نهایت بازیافت می شوند.

به دلیل دوام و مقاومت در برابر خوردگی، حدود ۱۵ درصد از آلومینیوم تولید شده

در هر سال در برنامه های ساختمانی استفاده می شود. این شامل پنجره ها

و فریم های درب، سقف، سایدینگ، و فریم ساختاری، و همچنین زه کشی ها،

کرکره ها و درب های گاراژ.

هدایت الکتریکی آلومینیوم همچنین اجازه می دهد تا از آن در خطوط راه آهن

از راه دور استفاده شود. با فولاد تقویت شده، آلیاژهای آلومینیومی از لحاظ وزن کم

هزینه تر از مس هستند و باعث کاهش وزن می شوند.

دیگر برنامه های کاربردی برای آلومینیوم شامل پوسته و غرق گرما برای لوازم

الکترونیکی مصرفی، قطب های نورپردازی خیابانی، سازه های نفتی، پنجره های

پوشاننده آلومینیومی، ظروف پخت و پز، خفاش های بیس بال و دستگاه های

ایمنی بازتابنده است.

 

مقاوم در برابر خوردگی:

 آلومینیوم آتش نمی گیرد، رنگ خاصی ندارد و بر خلاف پلاستیک، آلومینیوم

سمی نیست.  فویل فوق العاده نازک که از آلومینیوم ساخته شده است سه برابر

نازک تر از موی انسان است. علاوه بر این، آلومینیوم هزینه بیشتری نسبت به

سایر فلزات و مواد دارد.از آنجا که آلومینیوم به راحتی ترکیبات با سایر عناصر

شیمیایی را تشکیل می دهد، انواع مختلفی از آلیاژهای آلومینیوم توسعه

یافته است. حتی مقدار بسیار کمی از افزودنی ها می تواند به شدت خواص

فلز را تغییر دهد و امکان استفاده از آن را در مناطق جدید ایجاد کند. به عنوان

مثال، در زندگی عادی آلومینیوم مخلوط با سیلیکون و منیزیم به معنای واقعی

کلمه در جاده، یعنی در چرخ های آلیاژی آلومینیوم، در موتورها، شاسی و

سایر قسمت های ماشین های مدرن می تواند پیدا کند. در مورد آلیاژ آلومینیوم،

احتمالا شما در حال حاضر آن را در دست خود نگه داشته اید، زیرا این آلیاژ است

که به طور گسترده ای در تولید تلفن های همراه و رایانه های لوحی استفاده

می شود. در عین حال، دانشمندان در حال توسعه آلومینیوم های جدید هستند.

ساخت و ساز مدرن، خودرو، هواپیما، انرژی، غذا و صنایع دیگر بدون آلومینیوم

غیر ممکن خواهد بود. علاوه بر این، آلومینیوم به نمادی از پیشرفت تبدیل شده

است: تمام دستگاه های برش و وسایل نقلیه از آلومینیوم ساخته شده اند. (پیوند به بخش استفاده)

آلومینیوم و مس

اگر تمام سیم مسی با سیم آلومینیوم-زیرکونیم در ماشین جایگزین شود،
وزن وسیله نقلیه ۱۲ کیلوگرم خواهد بود

آلومینیوم پیشروی
موسسه بین المللی آلومینیوم (IAI) برآورد می کند که در حال حاضر ۴۰۰
میلیون تن آلومینیوم در زیرساخت ها، حمل و نقل و داخلی استفاده می شود

به نظر می رسد که ترکیبی از ویژگی هایی که در بالا ذکر شده است، به اندازه

کافی برای ساختن آلومینیوم انتخابی برتر در صنعت است، اما ویژگی دیگری

است که به همان اندازه قابل توجه است: آلومینیوم می تواند دوباره و دوباره

استفاده شود. آلومینیوم و آلیاژهای آن می توانند ذوب شوند و بدون آسیب

رساندن به خواص مکانیکی آن دوباره استفاده شوند. دانشمندان برآورد کرده اند

که ۱ کیلوگرم کانوایر آلومینیوم بازیافت می توانند تا ۸ کیلوگرم بوکسیت، ۴ کیلو فلوراید مختلف و تا ۱۵ کیلوولت ساعت برق را ذخیره کنند.