Redigerer Hall-Héroult-prosessen

'''Hall – Héroult-prosessen''' er den viktigste [[Prosessindustri|industrielle prosessen]] for [[smelting]] av [[aluminium]]. Det innebærer å oppløse [[Aluminiumoksid|aluminiumoksid (alumina)]] (oppnådd oftest fra [[Bauksitt|bauxitt]], aluminiums hovedmalm, gjennom [[Bayerprosessen]]) i smeltet [[kryolitt]], og [[elektrolyse]] av det smeltede saltbadet, vanligvis i en spesialbygd celle. Hall – Héroult-prosessen som brukes i industriell målestokk skjer ved 940–980&nbsp;°C og produserer 99,5–99,8% ren aluminium. Resirkulert aluminium krever ingen elektrolyse, og det havner derfor ikke i denne prosessen.<ref name=":0">{{Kilde bok|url=https://www.worldcat.org/oclc/54753809|tittel=Handbook of aluminum|dato=2003|utgiver=M. Dekker|isbn=0-8247-0494-0|utgivelsessted=New York|oclc=54753809}}</ref> Denne prosessen bidrar til klimaendringer gjennom utslipp av CO<sub>2</sub> fra anoden i den elektrolytiske reaksjonen.<ref name="mdpi.com">{{Kilde artikkel|tittel=The Role of Anode Manufacturing Processes in Net Carbon Consumption|publikasjon=Metals|doi=10.3390/met6060128|url=https://www.mdpi.com/2075-4701/6/6/128|dato=Juni 2016|fornavn=Khalil|etternavn=Khaji|etternavn2=Al Qassemi|fornavn2=Mohammed|serie=6|språk=en|bind=6|sider=128|besøksdato=2021-02-19}}</ref>

== Prosessen ==

=== Utfordringer ===
Elementært aluminium kan ikke produseres ved elektrolyse av et [[Vandig løsning|vandig]] aluminiumsalt, fordi hydroniumioner lett oksiderer elementært aluminium. Selv om et smeltet aluminiumsalt kan brukes i stedet, har aluminiumoksid et smeltepunkt på 2072&nbsp;°C<ref>{{Kilde bok|url=https://www.worldcat.org/oclc/910908643|tittel=CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data.|dato=2015|isbn=978-1-4822-6096-0|utgave=2015-2016, 96th Edition|utgivelsessted=Boca Raton, Florida|oclc=910908643}}</ref>, så elektrolysering er upraktisk. I Hall–Héroult-prosessen oppløses aluminiumoksid, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, i smeltet syntetisk [[kryolitt]], Na<sub>3</sub>AlF<sub>6</sub>, for å senke smeltepunktet for lettere elektrolyse.<ref name=":0" /> Karbonkilden er vanligvis en [[Koks|koks (fossilt drivstoff)]].<ref name="mdpi.com"/>

=== Teori ===
[[Fil:Hall-heroult-kk-2008-12-31.png|alt=|miniatyr|En Hall–Héroult industricelle]]
I Hall–Héroult-prosessen skjer følgende forenklede reaksjoner ved karbonelektrodene:

[[Katode]]:

<chem>2Al^{3+} {+}  6e- -> 2Al</chem>

[[Anode]]:

<chem>3O^{2-} {+} 3/2 C -> 3/2 CO2 + 6e-</chem>

Totalt:

<chem>Al2O3 + 3/2C -> 2Al + 3/2CO2</chem>

Ren kryolitt har et smeltepunkt på 1009±1&nbsp;°C. Med en liten prosentandel av aluminiumoksid oppløst i den, faller smeltepunktet til ca. 1000&nbsp;°C. Foruten å ha et relativt lavt smeltepunkt, brukes kryolitt som en [[elektrolytt]] fordi den blant annet også løser aluminiumoksid godt, leder elektrisitet, dissosieres elektrolytisk ved høyere spenning enn aluminiumoksid, og har også en lavere tetthet enn aluminium ved temperaturene som kreves av elektrolysen.<ref name=":0" />

[[Aluminiumfluorid]] (AlF<sub>3</sub>) tilsettes vanligvis til elektrolytten. Forholdet NaF/AlF<sub>3</sub> kalles kryolittforholdet og det er 3 i ren kryolitt. I industriell produksjon tilsettes AlF<sub>3</sub> slik at kryolittforholdet er 2–3 for ytterligere å redusere smeltepunktet, slik at elektrolysen kan skje ved temperaturer mellom 940 og 980&nbsp;°C. Tettheten av flytende aluminium er 2,3 g/ml ved temperaturer mellom 950 og 1000&nbsp;°C. Tettheten til elektrolytten skal være mindre enn 2,1 g/ml, slik at det smeltede aluminiumet skiller seg fra elektrolytten og legger seg ordentlig til bunnen av elektrolysecellen. I tillegg til AlF<sub>3</sub> kan andre tilsetningsstoffer som [[litiumfluorid]] tilsettes for å endre forskjellige egenskaper ([[smeltepunkt]], [[tetthet]], ledningsevne osv.) av elektrolytten.<ref name=":0" />

Blandingen elektrolyseres ved å føre en lavspenning (under 5V) [[likestrøm]] ved 100–300 kA gjennom den. Dette fører til at flytende aluminiummetall avsettes ved katoden, mens oksygenet fra aluminiumoksidet kombineres med [[karbon]] fra anoden for å produsere mest karbondioksid.<ref name=":0" />

Det teoretiske minimale energibehovet for denne prosessen er 6,23 kWh/(kg Al), men prosessen krever vanligvis 15,37 kWh.<ref>{{Kilde artikkel|tittel=Energy and Exergy Analyses of Different Aluminum Reduction Technologies|publikasjon=Hashemite University|url=https://www.mdpi.com/2071-1050/10/4/1216/pdf|dato=17.04.2018|forfattere=Mazin Obaidat 1, Ahmed Al-Ghandoor, Patrick Phelan, Rene Villalobos and Ammar Alkhalidi}}</ref>

=== Celledrift ===
Cellene i fabrikkene drives 24 timer i døgnet slik at det smeltede materialet i dem ikke stivner. Temperaturen i cellen opprettholdes via elektrisk motstand. Oksidasjon av karbonanoden øker den elektriske effektiviteten til en kostnad for å forbruke karbonelektrodene og produsere karbondioksid.<ref name=":0" />

Mens fast kryolitt er tettere enn fast aluminium ved [[romtemperatur]], er flytende aluminium tettere enn smeltet kryolitt ved temperaturer rundt 1000&nbsp;°C. Aluminiumet synker til bunnen av den elektrolytiske cellen, hvor det jevnlig samles opp. Det flytende aluminiumet fjernes fra cellen via en [[Hevert|sifon]] hver 1. til 3. dag for å unngå å måtte bruke ekstremt høye temperaturventiler og pumper. Alumina blir tilsatt cellene når aluminium fjernes. Oppsamlet aluminium fra forskjellige celler i en fabrikk smelter til slutt sammen for å sikre ensartet produkt og blir f.eks. metallplater. Den elektrolytiske blandingen drysses med koks for å forhindre anodens [[oksidasjon]] av oksygenet som utvikles.<ref name=":0" />

Cellen produserer gasser ved anoden. Eksosen er hovedsakelig CO<sub>2</sub> produsert fra anodeforbruket og [[hydrogenfluorid]] (HF) fra kryolitt og [[Flussmiddel|fluss]] (AlF<sub>3</sub>). I moderne anlegg resirkuleres fluorider nesten fullstendig til cellene og brukes derfor igjen i elektrolysen. Rømt HF kan nøytraliseres til natriumsalt, natriumfluorid. Partikler fanges opp med elektrostatiske filtre eller posefiltre. CO<sub>2</sub> blir vanligvis luftet ut i atmosfæren.<ref name=":0" />

Omrøring av det smeltede materialet i cellen øker produksjonshastigheten på bekostning av en økning i kryolitturenheter i produktet. Riktig utformede celler kan utnytte magnetohydrodynamiske krefter indusert av elektrolysestrømmen for å agitere elektrolytten. I ikke-agiterende statiske bassengceller stiger urenhetene til toppen av metallisk aluminium eller synker til bunnen og etterlater aluminium med høy renhet i midtområdet.<ref name=":0" />

== Referanser ==
<references />

{{Elektrolyse}}

{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Kjemiske prosesser]]
[[Kategori:Aluminiumsverk]]
[[Kategori:Elektrolyse]]