铝：生产、性能与环境影响

铝是地壳第三丰富元素，占土壤岩石约8%。氧、硅居前二，分别47%和28%。自然界铝仅以硫、硅、氧等化合物形式存在。纯金属铝只能从氧化铝矿石提取。

金属铝因轻质、高强、无磁、无毒备受青睐。导热导电、反光、极端温度下保持强度不脆化。表面快速形成薄隐形氧化层提供天然耐蚀性。此外铝是全球最可回收材料之一，再生原料经济回报高。

背景

铝化合物利用历史悠久。约公元前5000年波斯陶工加氧化铝制最坚韧陶器。古埃及巴比伦用铝盐染料化妆药品。直至19世纪初元素才以纯形式分离。因提取困难，铝数十年稀贵如银。

1886年两青年科学家——美国霍尔和法国埃鲁独立开发霍尔-埃鲁电解冶炼法，实现大规模生产。拜耳法1888年奥地利化学家卡尔·拜耳专利，精炼矿石成行业增长关键。1884年美国产铝125磅（60公斤），价近似银。1995年美厂产铝78亿磅（360万吨），银单位价仍高75倍。

原材料

生产纯铝最有价值矿石是铝土矿，含45-60%氧化铝及砂铁微量金属杂质。部分矿床为硬岩，多为软质易露天开采。澳供应超全球三分之一铝土矿。产1磅（0.5公斤）铝需约4磅（2公斤）铝土矿。

烧碱（氢氧化钠）溶解铝土矿中铝化合物分离杂质。视矿石成分可能加少量淀粉、石灰、硫化钠。

铝生产分两主阶段：拜耳法精炼铝土矿得氧化铝（Al₂O₃），霍尔-埃鲁法电解冶炼氧化铝得纯金属。

冰晶石（Na₃AlF₆）作冶炼电解质。历史产格陵兰，现合成。氟化铝降低电解质熔点。

碳电极导电流经电解质。冶炼中碳与氧反应生成CO₂。产2.2公斤铝消耗约0.2公斤碳。部分需油精炼副产品，其余源自煤炭。

霍尔-埃鲁法需大电流，耗电显著。产1公斤铝典型需15千瓦时电，约占冶炼成本三分之一。

制造工艺

铝生产分拜耳法和霍尔-埃鲁法。

拜耳法

• 1. 铝土矿机械破碎混合烧碱，研磨成细浆料。
• 2. 浆料泵入消化器——实为高压锅——加热至110-270°C、340kPa，30分钟至数小时。补加烧碱确保铝化合物完全溶解。
• 3. 热浆料现为偏铝酸钠溶液，经闪蒸罐降压回收热能再利用。
• 4. 沉降池中未溶杂质沉底成“红泥”。可溶铝留液相。
• 5. 澄清液经布滤捕获残留细粒。滤洗得可回收氧化铝和烧碱。
• 6. 种晶氧化铝水合物导入六层沉淀罐系列。溶液冷却晶体生长沉底。
• 7. 晶体洗涤后1100°C窑煅烧除结合水，产无水氧化铝。窑后冷却器降至常温。

霍尔-埃鲁法

冶炼在碳衬钢电解槽进行。顶部电极为碳棒悬浮熔融铝上方。电解槽排列成线（槽列）每列50-200槽，每列年产6-10万吨铝。典型厂含两三槽列。

• 8. 每槽内氧化铝溶于960-970°C熔融冰晶石成电解质。4-6伏、100000-230000安直流电通过，断Al-O键。氧与碳极反应生成CO₂；熔融铝沉底。
• 9. 过程连续：氧化铝随分解添加，恒定电流热保持熔融。周期性破顶壳允许更多氧化铝。虹吸铝收集于坩埚顺槽列移动，累积4000公斤99.8%纯金属。熔体浇铸长水平模，水冷切锭。

副产品与废弃物

氧化铝，拜耳法中间产品，本身有价值。白色粉末用于洗涤剂、牙膏、荧光灯、陶瓷（假牙、火花塞、军用挡风玻璃）、抛光剂、催化转化器、炸药、甚至火箭燃料——每次航天飞机发射消耗18万吨氧化铝。年产氧化铝约10%售作这些替代用途。

铝土矿精炼主废物为“红泥”。每吨氧化铝产约一吨红泥。虽含铁钛碱残铝，无成本效益回收法。通常存沉淀池干后铺地。

冶炼也产生温室气体。美厂年排约550万吨CO₂和3300吨全氟碳化物。此外约12万吨废槽衬（SPL）——EPA列危废——年移除。首个SPL回收厂1996年开业，转化为玻璃熔剂用于陶瓷砖、玻纤、沥青瓦。

未来展望

多数美铝生产商属自愿铝工业合作伙伴计划（VAIP），与EPA合作应对环保挑战。当前研究聚焦开发惰性电极材料替代碳。钛硼化物石墨复合材料极具前景，商业化后可消除温室排放并降冶炼能耗25%。