Со щелочью вступает в реакцию не только окись алюминия, но и другие вещества, входящие в состав боксита — кремнезем, окислы титана, ванадия и т. д. Однако большая часть получающихся в конечном результате веществ остается в твердом осадке. В раствор же переходят соединения алюминия, загрязненные некоторым количеством соединений кремния, фосфора, хрома. Выщелачивание идет непрерывно в ряде автоклавов.
Из варочного автоклава пульпа давлением пара выгружается, давление резко падает, и начинается бурное кипение жидкости. Затем пульпа разбавляется водой, которой промывали твердый остаток — так называемый красный шлам. После разбавления алюминатный раствор отделяется от твердого шлама. Для того чтобы мелкие твердые частицы быстрее отделялись от жидкости, в пульпу добавляют коагулянты — вещества, способствующие слипанию отдельных твердых частиц в крупные хлопья. В качестве такого коагулянта нередко используют обыкновенную ржаную муку. Затем алюминатный раствор фильтруют и направляют на разложение.
Разложение алюминатных растворов осуществляется в гигантских цилиндрических резервуарах, снабженных мешалками, — так называемых декомпозерах. Раствор, имеющий вначале температуру около 60 °C, постепенно перетекает по системе сифонов из одного резервуара в другой; засыпаемые в раствор кристаллы гидроокиси алюминия становятся центрами кристаллизации. Процесс кристаллизации, называемый технологами выкручиванием, длится трое — четверо суток.
Конечно, далеко не весь алюминий уходит из раствора. Почти половина его остается в жидкости. Но он не пропадает. Жидкость после отделения от нее выделившейся гидроокиси алюминия возвращается в автоклавы для выщелачивания. Она циркулирует непрерывно, растворяя в автоклавах глинозем и выделяя его в твердом виде в декомпозере.
Последней операцией получения чистого глинозема является кальцинация — обезвоживание полученного вещества. Осуществляется она в гигантских — метров в 50–75 длиной и метра 1,5–2 диаметром — барабанных вращающихся печах. В поднятый конец этой печи-трубы вводят гидроокись алюминия. Опа медленно передвигается по наклону печи вниз, навстречу пламени мазутных или газовых горелок. В процессе нагревания и прокаливания до температуры в 1250 °C большая часть гидроокиси превращается в безводную окись алюминия — глинозем.
Последний этап всего процесса — получение металлического алюминия из окиси с помощью электролиза.
Окись алюминия растворяют в расплавленном криолите (криолит плавится при температуре ниже 1000 °C).
Процесс электролиза проводят в больших ваннах, выложенных изнутри углем, а снаружи защищенных толстым слоем теплоизоляции. Угольный слой, которым выложена ванна, подключается к отрицательному полюсу и образует большой катод. Электроды, присоединенные к положительному источнику тока, — аноды — изготавливаются из толстых угольных пластин.
Окись алюминия разлагается на положительно заряженный ион алюминия и отрицательно заряженный ион кислорода.
Ионы алюминия движутся к катоду, разряжаются там и превращаются в металлический алюминий. Отрицательные ионы кислорода подходят к аноду, отдают ему свои электроны и становятся свободным газом.
На дне ванны собирается расплавленный алюминий, который периодически выпускают. Режим работы электролизной печи: напряжение 5–8 В, сила тока до 60 000 А.
Залежи богатых бокситов быстро исчерпываются. В годы второй мировой войны, когда многим воюющим странам не хватало алюминия, полученного из боксита, использовали по необходимости и другие виды сырья: Италия получала алюминий из лавы Везувия, США и Германия — из каолиновых глин, Япония из глинистых сланцев и алунита. Но обходился этот алюминий в среднем впятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда были обнаружены колоссальные запасы этой породы в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, алюминиевая промышленность всего мира вернулась к традиционному бокситовому сырью.
Немного на земле элементов, содержание которых в рудах превышает 5 %. В нефелине, сопровождающем апатиты, — KNa3[AlSiO4]4 — около 20 % алюминия. Конечно, по сравнению с бокситами это немного. Но при комплексной переработке из нефелина можно извлекать множество полезных продуктов.
Комплексным сырьем является и минерал алунит KAl3(OH)6(SO4)2. Кроме глинозема, из алунита получают калийные удобрения, серную кислоту и другие химические продукты.
Перспективным алюминиевым сырьем является зола углей теплоэлектростанций — ее образуется в мире около 700 млн т в год. Содержание Аl2О3 в золе колеблется от 10 до 44 %. Минералы алюминия в углях — каолинит Аl2О3 * 2SiO2 * 2Н2О, давсонит — NaAl (ОН)2СО3, полевые шпаты и др. Наиболее перспективно получение из золы кремнеалюминиевых сплавов, абразивов из корунда и карбида кремния SiC, а также различных стройматериалов, содержащих алюмосиликаты.
Каолины часто залегают в месторождениях совместно с углем. Они попадают в золу, увеличивая содержание в ней глинозема.
Золу смешивают с известью и содой, спекают при 1500 °C, в результате чего получают силикат кальция и алюминат натрия. Последний выщелачивают и из него добывают алюминий, а оставшийся шлам идет на производство цемента.
Построено на песке
Он никогда не испытывал ни голода, ни жажды.
Ему довольно солнечного луча.
Мир кремния
Кремний — самый распространенный на земле элемент после кислорода: он составляет 26 % массы земной коры. Более того, минералы кремния — силикаты, а их сотни наименований, составляют 80 % массы земной коры.
Разнообразие соединений кремния определяется способностью его молекул образовывать цепи и каркасы. Как его аналог углерод является основой органического мира, так кремний — основа неорганического мира.
«Показывают мне, — писал академик А. Е. Ферсман, — самые разнообразные предметы: прозрачный шар, сверкающий, как солнце, чистотой холодной ключевой воды, красивый, пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкую, как шелковинка, нитку из плавленого кварца или жароупорную посуду из него, красиво ограненные груды горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в камень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека… все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода».
Одним из первых предположение о полимерном строении двуокиси кремния высказал Д. И. Менделеев. Именно этим обстоятельством объяснял он летучесть и тугоплавкость веществ состава (SiO2)n. Рентгеноструктурные исследования подтвердили правильность этой догадки. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер. Цепочка кремнекислородных тетраэдров очень прочна, связь кремния с кислородом намного прочнее, чем, например, связь между атомами углерода в цепях органических полимеров. Кремнекислородные цепи образуют жесткие сплетения в виде пространственных решеток и сеток, которые хрупки, неподатливы при механической обработке.
Несмотря на распространенность в природе, этот элемент открыли сравнительно поздно. В 1825 г. выдающийся шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус восстановил металлическим калием газообразное вещество, известное ныне как тетрафторид кремния SiF4. Новый элемент был назван силицием.
Обыкновенный песок
Песок состоит из кремнезема — двуокиси кремния — SiO2, на долю которого приходится 12,6 % массы земной коры. Кремнезем в виде огромных масс песка находится в пустынях, по берегам рек, морей и океанов. Желтоватым и коричневатым цветом песок обязан примесям окис-лов железа.