Electrolisis Alumina

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FABRICACION INDUSTRIAL DE LA CERAMICA

ELECTROQUIMICA: OBTENCION DE ALUMINIO

1. RECURSOS NATURALES INORGNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIN

Alterados: Este tipo lo constituyen principalmente las bauxitas de frmula general Al2O3nH2O. Su composicin vara entre 40-50% de Al2O3, con menos de 20% de Fe2O3 y 3-10% de SiO2 y representan los minerales ms importantes para la produccin de aluminio, pudiendo estar constituidos por mezclas de hidrxidos de aluminio, (gibbsita, boehmita y disporo) y otros minerales acompaantes como arcillas, slice, cuarzo libre, hidrxidos y xidos de hierro. La gibbsita (trihidrato de aluminio Al(OH)3) es a veces el mineral predominante. El contenido medio de aluminio en la gibbsita es de 34.6%. La boehmita (monohidrato AlO(OH)) tiene un contenido de aluminio de 45% y el disporo forma alotrfica ( del monohidrato AlO(OH)) un contenido tambin de 45%.

Hidrotermales: Fundamentalmente lo representan las alunitas (Al3(SO4)3 (OH)6) con hasta 37% de Al2O3.

Magmticos: Lo constituyen las rocas aluminosas como las sienitas, nefelinas y anortositas, que contienen ms de 20% de Al2O3.

Metamrficos: Son los silicatos de aluminio, como la andalucita, sillimanita y cianita, con contenidos variables de aluminio.

Dedrticos: Son depsitos de caoln y diversas arcillas. Pueden llegar a tener leyes de hasta 32% de Al2O3.

LA BAUXITA

Labauxitaes una roca sedimentaria de origen qumico compuesta mayoritariamente poralmina(Al2O3) y, en menor medida, xido de hierro y slice. Es la principal fuente de aluminio utilizada por la industria.

Es un residuo producido por lameteorizacinde las rocas gneas en condiciones geomorfolgicas y climticas favorables.

Su composicion es: FeO (OH) y Al2O3.2H2O

Se presenta generalmente en forma de mezcla degibsitaAl(OH)3ycaolinitaAl2Si2O5(OH)4, y que se conoce tambin comoboehmita

2. DEFINICION OPERACIONAL DEL PROCESO INDUSTRIAL INORGANICO EN ESTUDIO

El aluminio es un metal muy abundante en la corteza terrestre, con un contenido medio de 8% lo que representa el tercer elemento despus del oxgeno y silicio y en la actualidad es el metal de mayor produccin y consumo entre los metales no ferrosos y segundo en produccin total entre los metales despus del hierro.

Sus propiedades de baja densidad, alta conductividad trmica y elctrica, bajo punto de fusin y buenas propiedades mecnicas cuando se usa aleado; su aspecto y capacidad de ser coloreado y pulido; su maleabilidad y autopasivacin y su no toxicidad han hecho posible su creciente aplicacin en la industria del transporte areo y terrestre; la conduccin de corriente elctrica; la fabricacin de perfiles y estructuras para construccin y la elaboracin de envases, principalmente. Antes que se desarrollara el proceso Hall- Heroult de electrolisis en medio fundido para producir aluminio en 1886, este metal era una rareza y su precio equivala aproximadamente al de la plata.

El aluminio actualmente se produce exclusivamente mediante electrlisis de sales fundidas, y los mayores productores son Estados Unidos, Rusia, Canad, Brasil y Australia. El total de la produccin mundial es de 22.1 millones de toneladas (2007). El precio del metal, alcanza actualmente en torno a los $3.500 (aprox. US$2.0/lb.). La produccin de aluminio mediante el proceso Hall-Heroult requiere como materia prima almina de alta pureza, lo cual a su vez coincidi con el desarrollo del proceso Bayer de produccin de almina en 1888.

3. PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS, TERMODINAMICAS Y AMBIENTALES DEL PROCESO

Propiedades fsicas

Estado ordinario

Slido

Densidad

2698,4kg/m3

Punto de fusin

933,47K (660C)

Punto de ebullicin

2792K (2519C)

Entalpa de vaporizacin

293,4kJ/mol

Entalpa de fusin

10,79kJ/mol

Presin de vapor

2,42 10-6Paa 577K

Volumen molar

10,0010-6m3/mol

Propiedades qumicas

Numero atmico

13

Valencia

6

Estado de oxidacin.

+3

Electronegatividad.

1.5

Radio covalente.

1.18

Radio inico.

0.50

Radio atmico.

1.43

Potencial de ionizacin.

6.0 ( e V )

Masa atmica.

26.9815 g/mol.

4. DESCRIPCION DE LOS DIFERENTES METODOS Y TECNOLOGIAS DE INDUSTRIALIZACION DEL PROCESO.

La produccin de aluminio metal mediante electrlisis de sales fundidas el (proceso Hall Heraoult) requiere de xido de aluminio (almina) de alta calidad y pureza. Antes de la invencin del proceso Bayer (1886-1892), la almina se produca por el proceso de Le Chatelier (1869), el cual ha sido reemplazado completamente por el proceso Bayer.

4.1 Proceso Bayer de produccin de almina

El proceso Bayer utiliza como materia prima bauxita (Al2O3nH2O) y consiste en la lixiviacin (digestin) de la bauxita en una solucin acuosa de hidrxido de sodio a alta temperatura y alta presin. Las principales operacin del proceso se esquematizan en las Figuras 1 y 2. Las distintas etapas del proceso Bayer son:

TRITURACION:

Se tritura la bauxita y luego se lava con una solucin caliente dehidrxido sdico(sosa), NaOH. La sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen slidos. Lasreacciones qumicasque ocurren en esta etapa, llamada "digestin" son las siguientes:

Al(OH)3+OH-+ Na+ Al(OH)4-+ Na+

AlO(OH)2+OH-+H2O+ Na+ Al(OH)4-+ Na+

DIGESTIN (LIXIVIACIN) ALCALINA:

La bauxita se lixivia (disuelve) en autoclaves continuas agitadas en una solucin fuertemente alcalina de hidrxido de sodio (soda) concentrada de 130-350 g/l a presin de 5 a 10 atm durante un tiempo de reaccin de 25 a 30 minutos donde se produce la disolucin de la bauxita segn la reaccin general:

Al2O3nH2O(s) + 2NaOH(aq) 2NaAlO2(ag) + (n+1)H2O (1)

Como el hidrxido de sodio es una materia prima de alto valor, este se puede producir a partir de ceniza de soda (carbonato de sodio) y cal (hidrxido de calcio) de menor valor, segn la reaccin:

Na2CO3(aq)+Ca(OH)2(aq) 2NaOH(aq)+CaCO3(s) (2)

La reaccin (2) ocurre simultneamente con la reaccin (1), dentro del autoclave. La descarga de la pulpa lixiviada se espesa y el lquido claro (uflow) se lleva a filtracin. El lquido claro del espesador y el filtrado conteniendo el aluminio en solucin cercana a la saturacin a la forma de aluminato de sodio se lleva a hidrlisis y cristalizacin. En el residuo slido generado despus de la etapa de filtrado, denominado lodos rojos o barros rojos (red mud) quedan la mayora de las impurezas que acompaan la bauxita, principalmente xidos de hierro, xidos de titanio y slice y carbonato de calcio. Estos barros se descartan en tranques de relaves para su compactacin.

CRISTALIZACIN (PRECIPITACIN) DE LA ALMINA HIDRATADA:

El hidrxido de aluminio se hidroliza cristalizndolo como xido hidratado desde la solucin concentrada conteniendo el aluminato de sodio de acuerdo a la reaccin de hidrlisis siguiente:

2NaAlO2(aq) + 4H2O Al2O33H2O(s) + 2NaOH(aq) (3)

Esto se realiza agregando agua a la solucin saturada y enfriando la solucin a 60- 70C y agregando agua y cristales semilla que sirven de grmenes iniciales de crecimiento de cristales de mayor tamao. Este es un proceso complejo y lento. El hidrato que cristaliza es siempre el trihidrato (gibbsita), independientemente de que en la bauxita el aluminio inicialmente se encuentre como monohidrato (boehmita o disporo) o trihidrato (gibbista).

CALCINACIN DE LA ALMINA HIDRATADA:

Los cristales precipitados de Al2O33H2O llamados tambin hidrargirita, bayerita o gibbsita, se secan a 120-130C y luego se calcinan a 1000-1200C para tener as finalmente almina pura anhidra segn la reaccin:

Al2O23H2O(s) + calor Al2O3(s) + 3H2O(g) (4)

La forma en que cristaliza la almina durante la etapa de calcinacin depende de la temperatura. A alta temperatura (1200C) cristaliza la almina , en tanto que si la temperatura es ms baja (1000C) se obtiene almina . Generalmente se prefiere la almina porque tiene mayor capacidad de quimiadsorber gases fluorados generados en la etapa de electrolisis del aluminio. Adems, la almina fluye facilmente, lo cual permite que se alimente sin dificultad a las celdas de electrlisis y se disuelva mejor en el bao de criolita. Como tecnologas de calcinacin se emplean hornos rotativos y de lecho fluido.

ELECTROLISIS DEL ALUMINIO

El xido de aluminio o almina (Al2O3) es uno de los xidos ms estables entre todos los elementos debido a su alta energa de formacin (-377.5 kcal/mol a 20C). Adems de ser la materia prima para la obtencin de aluminio, su forma alotrpica hexagonal (corundum) se emplea como abrasivo debido a su extrema dureza, solo superada por el diamante. Considerando la alta afinidad del aluminio por el oxgeno en trminos termodinmicos (alto valor negativo de la energa libre de formacin del xido de aluminio), con un potencial de reduccin del Al+3 a aluminio de 1.67 volts, la electrlisis acuosa no es posible ya que se descompondra el agua en lugar de la 9 sal de aluminio disuelta, siendo necesario por tanto emplear electrlisis de sales fundidas. La produccin de aluminio mediante electrolisis de sales fundidas fue desarrollada y patentada simultneamente en Francia por Heroult y Estados Unidos por Hall, (de ah su nombre Proceso Hall-Heroult) a fines del siglo 19 y para el ao 1930 ya solo se produca aluminio mediante este proceso. La sal que constituye la mayor parte del electrolito en el proceso H-H es la criolita (Na3AlF6) la cual es un fluoro-aluminato de sodio y que tiene una relativamente alta solubilidad de la almina en ella y posee adems alta conductividad inica. Tambin se