Allumina: elettrolisi, processo Bayer
L’ allumina è il nome comune dell’ossido di alluminio da cui il metallo è ottenuto per elettrolisi. Il processo attraverso il quale può essere ottenuto il metallo è noto come processo Hall- Heroult e costituisce la base dell’industria dell’alluminio.
L’ossido di alluminio che, unitamente alla criolite, viene sfruttato per effettuare l’elettrolisi viene estratto dalla bauxite è un minerale rosso-bruno e costituisce la principale fonte di ossido di alluminio in quanto ne contiene dal 30-54% oltre a impurità quali silicati, ossidi di ferro e ossido di titanio.
Processo Bayer
La bauxite viene trattata con idrossido di sodio a una temperatura di 150-200 °C; a queste temperature l’ossido di alluminio, in presenza di alti valori di pH si dissolve in alluminato Na[Al(OH)4] secondo la reazione:
Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 Na[Al(OH)4]
mentre gli altri componenti della bauxite non si solubilizzano. La soluzione viene chiarificata per eliminare le impurità solide e successivamente raffreddata. L’idrossido di alluminio precipita secondo la reazione:
Na[Al(OH)4] → Al(OH)3 + NaOH
Successivamente si porta a una temperatura di 980 °C alla quale l’idrossido di alluminio si decompone in ossido di alluminio secondo la reazione:
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
Tale processo è noto come processo Bayer; l’ossido di alluminio così ottenuto viene utilizzato nel processo Hall- Heroult. Il processo viene condotto su un elettrolita costituita essenzialmente da criolite Na3AlF6 in cui è disciolta allumina anidra. Affinché il bagno sia fuso, la cella opera a 960-980 °C: l’alluminio, il cui punto di fusione è 660 °C viene ottenuto allo stato liquido e, a causa del suo peso specifico maggiore di quello del bagno si stratifica sul fondo della cella. La figura
che riproduce il diagramma di fase binario criolite-allumina mostra un eutettico a 962 °C in corrispondenza del 10% di allumina. Nella pratica, il tenore di allumina presente nel bagno viene mantenuto tra circa il 2 e circa il 7% mediante aggiunte periodiche di allumina, per reintegrare quella consumata durante i processi elettrodici.
Reazioni
Nella cella di elettrolisi agli elettrodi avvengono le semireazioni:
Semireazione catodica: 4 Al3+ + 12 e– → 4 Al (semireazione di riduzione)
Semireazione anodica: 6 O2- → 3 O2 + 12 e– (semireazione di ossidazione)
La reazione complessiva è pertanto:
4 Al3+ + 6 O2- → 4 Al + 3 O2
La purezza dell’allumino, ottenuta con tale processo, varia dal 99.5 al 99.9 %. Nel caso si voglia ottenere un grado di purezza maggiore si procede a raffinazione.
