Aluminium

Geschiedenis van aluminium Vanaf dat aluminium voor het eerst ontdekt is, heeft het een aardige tijd geduurd tot het aluminium uit het erts gehaald kon worden. Het was nog moeilijker om een goed productieproces ervoor te ontwikkeling. Aluminium wordt pas 146 jaar geproduceerd, hoewel er veel van aanwezig is in de aardkorst. Dit is de tijdlijn van aluminium: Jaartal Gebeurtenis
1808 Sir Humphry Davy (zie portret onder) bevestigde het bestaan van aluminium. 1821 P. Berthier ontdekte een materiaal met een gehalte van 52% aan aluminium, dat hij bauxiet noemde. Dat is het meest voorkomende erts. 1825 Hans Christian Oersted haalde kleine hoeveelheden aluminium uit erts. 1827 Freidrich Wöhler bedenkt een manier om aluminium te produceren
1845 Wöhler bewijs de kleine dichtheid, wat dus zorgt voor het lage gewicht. 1854 Henri Sainte-Claire Deville verbetert de productiemethode van Wohler en maakt er een commercieel gebeuren van. Op dat moment is aluminium nog duurder dan goud en platinum. In 10 jaar zakt die met 90%. 1855 Een balk aluminium wordt vertoond op een tentoonstelling in Parijs. 1885 Hamilton Y. Cassner verbetert de productiemethode van Deville en produceert 15 ton per jaar. 1886 Twee wetenschapers, Paul Louis Toussaint Héroult en Charles Martin Hall (zie portretten onder) vinden een nieuw proces met gebruik van elektrolyse uit, wat nu nog steeds de basis voor de aluminiumproductie vormt. 1888 De eerste bedrijven worden opgericht in Frankrijk, Zwitserland en de USA

1889 Freidrich Bayer vond het Bayer-proces uit voor productie op grote schaal. Productieproces Aluminium kan geproduceerd worden met bauxiet als grondstof, maar het kan ook gerecycled worden. Dan wordt het eerste deel van het productieproces overgeslagen. Het eerste deel van het productieproces is bauxietwinning, daarna vindt de verwerking tot alumina plaats en ten slotte wordt er elektrolyse gebruikt om puur aluminium te verkrijgen. Bauxiet winning Bauxiet is de meest gebruikte grondstof voor aluminium. Hieronder zie je in welke gebieden op aarde bauxiet gewonnen wordt. Australië staat aan kop wat betreft bauxiet winning met 44.5 miljoen ton per jaar (zie kaartje onder) Er is 4 tot 5 ton bauxiet nodig om één ton aluminium te verkrijgen. Bauxiet zit meestal zo’n 4 tot 6 meter onder de grond. Daarom wordt dagbouw gebruikt voor bauxietwinning. De bovenste laag wordt dan verwijderd tot de laag bauxiet is bereikt. Dan kan de bauxiet gedolven worden. Er kleven wel wat nadelen aan deze manier; onder andere verdwijnen van flora en fauna en bodemerosie. De meeste bedrijven doen er alles aan om de natuur te behouden, vaak wordt drainage aangelegd zodat de natuur zo snel mogelijk hersteld is. Het bedrijf Alcoa heeft in 1990 een prijs van de VN gewonnen voor de ontwikkeling van een systeem om de natuur te herstellen na winning van bauxiet. Ongeveer 6% van de mijnplaatsen is in gebied met tropisch regenwoud. Meestal wordt de natuur hersteld in de oorspronkelijke vorm na de winning. Vorming tot ‘alumina’ Voordat het uiteindelijke aluminium gevormd kan worden door middel van elektrolyse, moet van bauxiet alumina, ook wel aluminiumoxide genaamd, gemaakt worden. Dit gebeurt door middel van het ‘Bayer proces’, ontwikkeld door Freidrich Bayer. Dat gebeurt in een raffinaderij. Het bauxiet wordt eerst fijngemalen en daarna wordt het in een bijtende natriumoplossing (natrium hydroxide) gedaan, waardoor aluminium hydroxide ontstaat: Al2O3.xH2O + 2NaOH ---> 2NaAlO2 + (x+1)H2O
Dat wordt gefilterd en gedroogd en de natriumoplossing wordt opnieuw gebruikt. Na deze reactie houd je aluminium oxide over als een fijn poeder: 2NaAlO2 + 4H2O ---> Al2O3.3H2O + 2NaOH
In 1998 werd 45 miljoen ton alumina geproduceerd in de wereld. Er is twee ton alumina nodig om één ton aluminium te verkrijgen. Het valt op dat dit zo’n beetje overeenkomt met de winning van bauxiet. De raffinaderijen zijn vaak dicht bij de bauxietmijnen gevestigd. Dat scheelt in kosten van transport. Elektrolyse van ‘Alumina’ (smelten) Puur aluminium wordt verkregen uit alumina door middel van het Hall-Héroult process. Het alumina wordt in een stalen vat gebracht (ook wel ‘pot’ genoemd). Daar wordt het pure aluminium gescheiden onder een temperatuur van 950 ° C. Er wordt dan stroom doorheen gevoerd met een laag voltage maar met een vaak wel 150 000 ampère. De elektriciteit gaat van de negatieve elektrode, de basis van het vat, naar de positieve. De zuurstof reageert met de positieve elektrode, het pure aluminium met de negatieve. Het aluminium wordt dan afgetapt en opgeslagen. Het smeltproces gaat steeds door en kan niet onderbroken worden. Het aluminium wordt tot grote blokken gevormd die later bewerkt worden. Een gemiddelde aluminium smelter heeft 300 van deze vaten en produceert 125 000 ton aluminium per jaar. Nieuwe aluminium smelters produceren zo’n 350 000 tot 400 000 ton aluminium per jaar. Dit proces kost heel veel elektriciteit, namelijk 15,7 kWh om één kilo aluminium uit alumina te halen. Zo’n nieuwe aluminium smelter gebruikt dan: 15,7 x 400 000 000 = 62 800 000 000 kWh = 62,8 TWh per jaar. Dat is dus enorm veel. Daarom hebben de meeste smelters hun eigen elektriciteitscentrale. 55% daarvan is op waterkracht, dus niet milieubelastend. Het kost ook steeds minder energie om aluminium te produceren door nieuwe vindingen en verbeteringen in het proces.
Verwerken van aluminium Het pure aluminium wordt niet zomaar verder verwerkt, daar wordt eerst een legering van gevormd met een andere stof. Voorbeelden van stoffen die daarvoor gebruikt worden zijn ijzer, silicium, zink, koper en magnesium. Er zijn verschillende manieren waarop de aluminiumlegeringen verwerkt worden. Eerst wordt het verhit tot 500° C, zodat het vloeibaar wordt. Daarna kan het gewalst tot platen. Die worden in gedeeld in drie verschillende diktes: • Folie is minder dan 0,2 mm dik, dat wordt veel gebruikt in de verpakkingsindustrie. • Een sheet is tussen 0,2 en 6 mm dik en wordt veel gebruikt in de bouw, bijvoorbeeld als dak. Ook wordt het gebruikt in de transportsector voor carrosserie. • Als laatste heb je nog een plaat die dikker dan 6 mm is. Dat wordt gebruikt voor vliegtuigen militaire voertuigen en in gebouwen. De tweede manier is het persen door een matrijs, zodat je profielen krijgt. Het aluminium wordt verhit tot 450-500 ° C en dan met grote kracht door de matrijs geperst. De snelheid waarmee het aluminium door de matrijs geperst kan worden, hangt af van vorm van de matrijs en de dikte die het moet krijgen. Je krijgt dan lange aluminium delen die in de goede lengte verdeeld kunnen worden. In Europa wordt de helft van het aluminium op deze manier verwerkt. Het grootste deel van deze producten worden gebruikt in de bouw, ook wordt het gebruikt voor de transportsector. De derde manier is het gieten van aluminium. Dat wordt weer op twee manieren gedaan. De eerste manier is ‘ zand gieten’. Er wordt een mal van zand gemaakt waar het aluminium in gegoten wordt. Er worden twee soorten zand gebruikt, namelijk ‘ groenzand’, bestaande uit zand, klei en vocht en ‘droog zand’, dat is zand met een synthetische emulgator. Bij deze manier wordt weinig druk gebruikt om het aluminium naar de mal te laten lopen. De tweede manier is hogedruk gieten (die casting). Daarbij wordt vloeibaar aluminium onder een bepaalde druk in een mal gespoten, met hoge snelheid. De verschillende manieren zie je in de figuur hieronder. Deze manier van gieten is heel nauwkeurig zodat er weinig tot geen nabewerking gedaan hoeft te worden. Gegoten producten worden voor het grootste deel gebruikt in de auto-industrie en in de carrosseriebouw. Men is constant bezig de techniek te verbeteren om nieuwe markten te bereiken en om aan de wensen van de klant te voldoen. Met de hand kan het ook verder bewerkt worden. Het aluminium kan daarna nog een laag krijgen, zodat het betere eigenschappen krijgt. Er kan ook aluminiumpoeder gemaakt worden door gas onder het gesmolten aluminium te brengen. Dat wordt onder andere als explosief gebruikt. Recyclen Van het begin af aan is aluminium gerecycled en opnieuw gebruikt. Alle aluminium producten kunnen worden gerecycled. Het recyclen kost niet veel energie in vergelijking met het recyclen van andere metalen. Gebruikt aluminium houdt z’n waarde zodat het interessant is om zo veel mogelijk te recyclen. Er kan een hele stap in de productie overgeslagen worden wat goed voor het milieu is (kost veel energie) en de natuur hoeft minder aangetast te worden om bauxiet te delven. Het aluminiumafval kan verdeeld worden in twee soorten. Het ene zijn de resten van de productie zoals de splinters van zagen en mislukte delen. De andere soort is het gebruikte aluminium. Het gebruikte aluminium komt van een groot netwerk van bedrijven die afval scheiden en oude producten uit elkaar halen, waar grote machines voor nodig zijn. Allebei de soorten worden omgesmolten nadat eventueel andere stoffen ervan gescheiden zijn. Dan wordt het aluminium in verschillende vormen weer in omloop gebracht. In Europa wordt een hoog percentage aluminium gerecycled, variërend van 41% blikjes tot 95% in de transport sector. In Europa wordt voor 30% van de aluminium vraag gerecycled aluminium gebruikt.