Alüminyum elementi nasıl elde edilir? Alüminyumun saflaştırılması, elde edilmesi, elde edilme yöntemleri ile ilgili bilgi.
Kaynak: pixabay.com
Alüminyumun bir metal olarak varlığı, yaklaşık 200 yıl önce ünlü Fransız kimyacısı Antoine Laurent Lavoisier tarafından ortaya konulmuş olmakla birlikte, gerek kendisi ve gerekse birçok metali elektroliz yoluyla elde etmiş olan Humphry Davy, metali saf olarak elde edememişlerdir. 1825’te Hans Christian Oersted, alüminyum klorürü önce potasyum amalgamıyla ısıtıp ardından civayı damıtarak metalsi parlaklık gösteren bir toz biçimindeki alüminyumu elde etmeyi başarmıştır. Bununla birlikte 1850’lere kadar önemli sayılabilecek miktarda alüminyum elde edilmemiştir. 1827’de Friedrich Wöhler, indirgen olarak metalik potasyum kullanarak alüminyumu küçük tanecikler biçiminde elde etti.
Özelliklerinin incelenmesine olanak verecek miktarda alüminyum metalinin elde edilmesi, 1854’te Henri Sainte-Claire Deville tarafından sodyum alüminyum klorürün metalik sodyumla indirgenmesiyle elde edildi. 1886’da ABD’de Ohio Oberlin Koleji öğrencilerinden Charles Martin Hail (1863-1914) ve onunla hemen hemen aynı zamanda Fransa’da elektrokimyacı Paul L. V. Heroult (1863-1914) birbirinden bağımsız olarak alüminyum oksitin erimiş kriyolitteki çözeltisini elektroliz ederek metalik alüminyumu elde ettiler. Alüminyum elde edilmesinde günümüzde kullanılan yöntem, bu yöntemin geliştirilmiş biçimidir ve Hall-Heroult yöntemi olarak adlandırılır. Alüminyumun elde edilmesi iki aşama üzerinden yürür. İlk işlem, elektrolizde kullanılacak olan saf alüminyum oksitin (alümin) hazırlanması ve ikinci işlem de bunun elektrolizidir.
Saf alüminin hazırlanması
Alüminyum doğada çeşitli bileşikleri biçiminde bulunmakla birlikte bunların arasında alüminyum elde edilmesi bakımından önem taşıyan boksit mineralidir. Boksit adı, alüminin hidratları için kullanılan genel bir addır ve gibsit ile böhmet mineralleri de boksit olarak adlandırılır. Buna göre, boksit denildiğinde yabancı maddeler içeren alümin hidrat anlaşılır. Boksit ortalama olarak % 58 AI2O3, % 30 su ve yabancı madde olarak % 5 Fe2O3, % 5 SiO2 ve % 2 TiO2 içerir. Boksitten saf alüminin elde edilmesinde kullanılan başlıca yöntem Bayer Yöntemi‘dir. Eskiden 1859-1895 arasında kullanılmış olan ve boksitin soda ile eritilmesi üzerine temellenen Sainte-Claire Deville Yöntemi ekonomik olmaması nedeniyle bırakılmıştır.
Bayer yönteminde boksit minerali önce yıkanarak kil ve benzeri kaba kirlerden kurtarılır, sonra ince öğütülerek büyük tanklara doydurulur ve üzerine sodyum hidroksit çözeltisi katılır. Daha sonra 3,6 atmosferlik basınçta (138-140°C) buhar altında tutularak alüminin, alüminat biçiminde çözünmesi sağlanır. Karışımın durulmasından sonra çözelti süzülerek, çökeltiden ayrılır. Çökelti çok miktarda demiroksit içerir ve bu nedenle kırmızı çamur olarak adlandırılır. Süzülen alüminat çözeltisi tanklara alınır ve daha önceki çalışmalarda ele geçen AI2O33H2O üzerinde bırakılıp aşılanarak soğutulur. Bu sırada hidrolizlenen alüminat AI2O33H2O biçiminde çöker ve sodyum hidroksit yeniden kazanılır. Ayrılan alümin trihidrat (AI2O33H2O) genellikle 1000°C’ nin üzerinde döner fırınlarda kızdırılarak saf alümin elde edilir.
Kaynak: pixabay.com
Saf alüminden alüminyum elde edilmesi
Hazırlanan saf alüminden alüminyumun elde edilmesi için elektroliz ve elektrotermik indirgeme yöntemlerinden yararlanılır. Elektroliz yöntemi Hall-Heroult yöntemidir. Bu yönteme göre, alüminin erimiş kriyolit (Na3AlF6) içindeki çözeltisi elektrolizlenir. Alüminin erime noktası 2000°C dolayındadır. Ortalama kriyolit katılarak 1000°C’nin altında erimesi sağlanır. Elektroliz hücresi, karbon ile astarlanmış çelik bir sandıktır. Astar için, kok, katran ve zift karışımı sandığa sıvanır ve ardından yüksek sıcaklıkta pişirilir. Elektrolizde hücrenin kendisi katot (eksi elektrot) görevini görür. Karbon anotlar da aynı biçimde hazırlanırlar ve genellikle dikdörtgen kesitli olarak yapılır. Anotlar aşağı yukarı hareket edebilirler. Elektroliz işlemi sırasında anotlar oksitlenerek karbondioksit oluştururlar. Elektroliz işleminin başlangıcında anotlar kabın dibine kadar indirilir ve akım verilir. Bu sırada ortama azar azar kriyolit katılır ve katılan kriyolit eridikçe hem anotlar yavaş yavaş yukarı kaldırılır ve hem de kriyolit katılması sürdürülür.
Elektroliz kabı bütünüyle erimiş kriyolit dolduktan sonra, % 5-8 oranında saf alümin katılarak elektrolize başlanır. Alümin elektrolizlendikçe, ortama katılarak, oranının sabit kalması sağlanır. Elektroliz sonucu oluşan ve yoğunluğu kriyolitten büyük olduğu için elektroliz hücresinin dibinde toplanan erimiş alüminyum metali zaman zaman dibte bulunan bir tıpa açılarak alınır. Elektroliz hücrelerinin büyüklüğü uygulanan akıma bağlıdır. Genellikle 5-6 volt gerilimde, 20-50 bin amperlik doğru akım uygulanır. Günümüzde ortalama 20 ton kapasiteli 100-200 elektroliz hücresi seri olarak bağlanarak çalıştırılır. Kuramsal olarak kullanılan elektriğin kilowatt saat başına 42 gram alüminyum elde edilmesi gerekirken gerçekte 32-34 gram ve bazı çok iyi çalışan işletmelerde 40 gram dolayında alüminyum elde edilir.
Elde edilen 1 ton alüminyum için 2 ton alümin (4 ton boksit), 50 kilogram fuorür, 400 kilogram pişirilmiş anot harcanır. Önceden pişirilmiş anot yerine, işlem sırasında anot oluşturan Söderberg anotları kullanılır. Bu durumda 1 ton alüminyum için 500 kilogram Söderberg hamuru harcanır. Elektroliz yönteminin uygulanmasından birkaç yıl sonra yılda 2000 ton olan alüminyum üretimi 1972’de yılda 10 milyon tona ulaşmıştır. Elektroliz sonucu ele geçen alüminyum genellikle % 99,5 saflıktadır ve % 0,1-0,4 demir ile % 0,1-0,35 silisyum içerir.
Alüminyumun elektrotermik indirgenmesi
Alüminin doğrudan karbon ile indirgenmesi, uygulamada olanaksız olmakla birlikte işlem demir, bakır ve silisyum gibi metaller varlığında yapılabilir. Bu durumda alüminyum alaşımları ele geçer. Bazı özel amaçlar için uygulanan bir yöntemdir.
Alüminyumun elektrolitik saflaştırılması
Elde edilen alüminyum, bilinen yöntemlerle saflaştırılamadığından uygulamada istenilen saflıkta bir ürün elde edebilmek için metalin yerine kullanılan boksitin olanak oranında saflaştırılması yoluna gidilir. Buna karşın elde edilen alüminyumun saflığını % 99,9 değerinin üzerine çıkarma olanağı bulunamamıştır. Genellikle % 99,5 saflıktaki alüminyum çeşitli amaçlarla kullanılmakla birlikte, özellikle elektrik iletkenlerinin yapımında çok saf alüminyuma gerek duyulur. Ayrıca, metalin içinde az oranda bulunan safsızlıklar, kimyasal maddelere karşı dayanıklılığını büyük oranda azaltır. 1924’te elektrolitik saflaştırma yönteminin bulunmasıyla % 99,99 saflıkta alüminyum elde edilebilmiştir.
Bu yöntemde elektroliz hücresinde üç sıvı katmanı vardır. En alttaki katman, anot görevini gören ve % 25 ya da daha çok bakır içeren erimiş bir bakır alüminyum alaşımıdır. Bunun üzerinde yoğunluğu biraz daha az olan kriyolit, alüminyum fluorür, baryum fluorür ve alüminden oluşmuş ikinci bir sıvı karışım bulunur. En üstteki katman ise saf alüminyumdan oluşmuş katottur. Elektrik bağlantısı için bu katmana grafit çubuklar sokulur. Çalışma sırasında anotu oluşturan alaşımdaki alüminyum çözünerek ortadaki elektrolit katmanına geçer ve katotta da buna eşdeğer miktarda saf alüminyum toplanır. Saf alüminyum zaman zaman alınır ve alttaki anot alaşımına düşük saflıktaki alüminyum katılır. Elektroliz işlemi 700-750°C arasında yapılır. Elektroliz kabı dibi karbon ve içi magnezya tuğlarıyla döşenmiş bir teknedir.
