L’alluminio è il metallo più utilizzato dopo il ferro. Ha una bassa densità, è malleabile e facilmente lavorabile. È anche resistente alla corrosione e un buon conduttore di calore ed elettricità. Ad eccezione della resistenza alla corrosione, tutte queste proprietà possono essere migliorate o aumentate legando l’alluminio con piccole quantità di altri metalli. Non sorprende quindi che l’alluminio abbia un’ampia gamma di applicazioni.
Impieghi dell’allluminio
L’alluminio puro è utilizzato principalmente dall’industria elettronica per fogli di condensatori, dischi rigidi e tracce conduttrici su chip di silicio. Tuttavia, quando è legato con piccole quantità di altri metalli come rame, zinco, magnesio e con silicio, l’alluminio diventa più forte (e può essere reso ancora più forte dell’acciaio). Ad esempio, il duralluminio (durale) è una lega di alluminio, rame, manganese e magnesio; l’alluminio ne costituisce circa il 94%.
L’alluminio e le sue leghe sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di trasporto (treni, aerei, navi e automobili) dove la loro bassa densità aiuta a ridurre il consumo di carburante e le emissioni di carbonio. Le biciclette possono anche beneficiare di un peso ridotto e di una maggiore resistenza.
Un altro uso importante delle leghe è negli imballaggi, in particolare nelle lattine per bevande e nella pellicola per proteggere gli alimenti. Gli usi domestici includono pentole e altri utensili da cucina, e negli edifici le leghe sono ampiamente utilizzate in finestre, porte e rivestimenti.
Produzione annuale di alluminio (produzione primaria)
Queste cifre si riferiscono alla produzione primaria dalla bauxite minerale e non includono la produzione secondaria da materiali riciclati.
| Mondo | 58.3 milioni di tonnellate |
| Cina | 32.0 milioni di tonnellate |
| Russia | 3.5 milioni di tonnellate |
| Canada | 2.9 milioni di tonnellate |
| India | 2.4 milioni di tonnellate |
| UAE | 2.3 milioni di tonnellate |
Produzione di alluminio
La produzione primaria prevede quattro processi:
- estrazione del minerale, bauxite;
- purificazione della bauxite in ossido di alluminio puro (allumina);
- sintesi di criolite, Na3AIF6 e fluoruro di alluminio, da utilizzare nel processo di riduzione elettrolitica;
- riduzione elettrolitica dell’ossido di alluminio in alluminio.
(a) Estrazione del minerale, bauxite
La bauxite è uno dei minerali più abbondanti al mondo. Si trova in quantità particolarmente elevate in Giamaica, Brasile, Guinea, Cina e India. L’alluminio si trova nei minerali di bauxite come idrossido Al(OH)3 (gibbsite) e AlO(OH) (boehmite e diaspore).
(b) Purificazione della bauxite in ossido di alluminio puro
Le principali impurità nella bauxite sono ossido di ferro (lll) (3 – 25%), silice (1 – 7%) e biossido di titanio (2 – 3%). La bauxite in polvere viene miscelata con circa il 10% di soluzione di idrossido di sodio e la miscela risultante viene riscaldata sotto pressione (4 atm) a circa 420 K. In queste condizioni l’idrossido di alluminio si dissolve come alluminato di sodio, ma gli ossidi di ferro e titanio rimangono insolubili. Un po’ di silice può anche dissolversi e quindi le condizioni di processo vengono scelte per minimizzarlo. La digestione dura circa 1-2 ore.
Il residuo insolubile (noto come fango rosso, dal colore dell’ossido di ferro) viene lasciato sedimentare, lavato per recuperare l’idrossido di sodio, filtrato e quindi utilizzato nel ripristino del terreno, dove il residuo depositato viene coperto con terriccio e riseminato.
La soluzione di alluminato di sodio viene pompata in grandi serbatoi di precipitazione che possono essere alti oltre 24 metri e avere capacità di 1000 m3 o più. La soluzione viene raffreddata, ‘seminata’ con cristalli di idrossido di alluminio e agitata per un massimo di tre giorni, consentendo la cristallizzazione in modo controllato. Si ottiene così una distribuzione granulometrica ottimale per la lavorazione nelle fasi successive:
L’idrossido di alluminio viene separato dalla soluzione di idrossido di sodio mediante filtrazione. Una parte dell’idrossido di alluminio viene conservata per essere utilizzata come seme e la soluzione di idrossido di sodio viene riciclata. Il restante idrossido di alluminio solido viene riscaldato in forni rotanti a circa 1300 K per produrre ossido di alluminio (allumina):
(c) Sintesi di criolite dal fluoruro di alluminio
La chiave per la riduzione elettrolitica dell’alluminio è l’uso della criolite che dissolve l’allumina e quindi ne consente l’elettrolizzazione.
La criolite viene sintetizzata in diversi modi. Uno di questi prevede innanzitutto la preparazione di una soluzione di alluminato di sodio dall’allumina:
A questo viene aggiunto acido fluoridrico e la criolite viene quindi precipitata per aggiunta di carbonato di sodio a circa 330 K:
Il fluoruro di alluminio viene anche aggiunto per regolare la composizione elettrolitica e per compensare le perdite di fluoruro durante l’elettrolisi. Il fluoruro di alluminio è prodotto dalla reazione tra idrossido di alluminio e acido fluorosilicico:
L’acido fluorosilicico è prodotto come sottoprodotto nella produzione di acido fluoridrico e acido fosforico.
La silice viene filtrata e dal filtrato si ottengono cristalli di fluoruro di alluminio. La silice viene quindi trattata con acido fluoridrico per consentire il riciclaggio dell’acido fluorosilicico:
(d) Riduzione elettrolitica dell’ossido di alluminio in alluminio
L’operazione commerciale per la riduzione dell’allumina in alluminio è un processo elettrolitico inventato, indipendentemente ma contemporaneamente, da Paul Heroult in Francia e Charles Hall negli Stati Uniti nel 1886. Sono necessarie enormi quantità di elettricità (10-13 kWh di elettricità per 1 kg di alluminio) quindi le fonderie di alluminio devono essere situate vicino a fonti di energia elettrica a basso costo.
Il processo utilizza una cella di riduzione, un contenitore di acciaio a sommità aperta poco profonda di circa 8 m per 4 m e di profondità 1 m, il cui pavimento è rivestito di grafite (carbonio) che funge da collegamento catodico. Durante il funzionamento, il contenitore viene riempito con criolite fusa (a 1200 K) e una piccola quantità (2-5%) di allumina. Anche le pareti laterali del contenitore sono rivestite in carbonio. Questi contenitori sono progettati in modo che la criolite si solidifichi in uno strato sottile sulla superficie dell’elettrolita. Sospesi nell’elettrolita ci sono diversi blocchi di grafite che formano l’anodo.
1 Alloggiamento per celle di elettrolisi
2 Sistema di ventilazione (condotti)
3 Stoccaggio per materie prime
Per gentile concessione di Alcoa.
Una tipica fabbrica contiene circa 400 celle J e produce 300.000 tonnellate di metallo all’anno. Ad essa è associata una fabbrica per produrre anodi (saranno necessarie circa 100.000 tonnellate di anodi) e una fonderia per produrre metallo legato in una forma che può essere utilizzata da altre fabbriche per produrre fogli, lamine, estrusioni, ecc.
La natura esatta dell’elettrolita non è completamente nota, ma le reazioni complessive agli elettrodi possono essere rappresentate come:
L’alluminio fuso è più denso della criolite e si raccoglie sul fondo della cella dove forma il catodo operativo. È tipico utilizzare una cella con una vasca di alluminio profonda 10 cm, il metallo viene aspirato giornalmente per mantenere questo livello. Il metallo è generalmente colato come lingotti, che sono puri almeno al 99%, con piccole quantità di ferro e silicio che sono le principali impurità.
In alternativa, il metallo viene mantenuto fuso in un forno a cui vengono aggiunti altri elementi per formare leghe, prima del raffreddamento.
Il metallo con una purezza fino al 99,999% viene prodotto mediante ulteriore raffinazione.
Il processo opera continuamente con allumina fresca, aggiunta regolarmente per mantenere la sua concentrazione nell’elettrolita al 2-5 (% p/p). Viene anche aggiunto fluoruro di alluminio per garantire che la composizione del fluoruro sia mantenuta costante. Il fluoruro abbassa il punto di fusione della miscela criolite-allumina, risparmiando così energia. Parte del fluoruro viene persa durante l’elettrolisi, in parte per idrolisi dall’umidità nell’aria che produce acido fluoridrico:
Viene consumato carbonio nel processo anodico, gran parte del quale reagisce con l’ossigeno liberato:
I blocchi anodici devono quindi essere rinnovati regolarmente. Tipicamente una cella ha venti blocchi anodici, i quali viene sostituiti uno al giorno in un ciclo di venti giorni (sostituire tutti i blocchi contemporaneamente comporterebbe un raffreddamento eccessivo della cella). La dimensione del blocco è progettata per garantire una vita operativa di 20-21 giorni.
Le celle moderne funzionano a 150.000 – 350.000 ampere e 4,0 – 4,5 volt, ciascuna producendo 1-2 tonnellate di alluminio al giorno.
Il consumo di anodi di carbonio si traduce in elevate emissioni di anidride carbonica dal processo. L’ideale sarebbe utilizzare anodi inerti che non si consumano. Alcune aree di ricerca promettenti riguardano l’utilizzo di materiali ceramici a base di ossidi di stagno, antimonio e rame. Questi sono conduttivi, resistenti al calore e inerti e possono essere utilizzati al posto degli anodi di carbonio, riducendo significativamente le emissioni di anidride carbonica.
Produzione secondaria
Oltre il 50% dell’alluminio utilizzato per realizzare nuovi prodotti proviene da rottami, di cui due terzi sono “rottami nuovi” . L’alluminio può essere facilmente riciclato a basso costo (utilizzando circa il 5% dell’energia necessaria per la produzione primaria) e circa il 60% del consumo europeo è metallo riciclato. È stato persino stimato che due terzi di tutto l’alluminio prodotto dall’inizio della produzione commerciale nel 1886 sia ancora in uso oggi.
Il rottame di alluminio, in un forno di acciaio rivestito da mattoni di allumina, viene riscaldato dall’esterno del forno con bruciatori a gas o olio. L’alluminio fuso viene quindi colato e solidificato come lingotti.
L’alluminio può essere ripetutamente fuso e riutilizzato. Riciclando 1 kg di alluminio si risparmiano fino a 8 kg di minerale di bauxite e 4 kg di altri prodotti chimici.
I “vecchi rottami”, i prodotti usati, sono leghe di diversa composizione, quindi, è meglio utilizzare i vecchi rottami per rifare lo stesso prodotto. Un esempio sono le nuove lattine fatte da vecchie lattine. I diversi prodotti utilizzati vengono quindi raccolti e selezionati prima di essere rifusi. Per rendere il riciclaggio ancora più efficiente, i gas prodotti durante la combustione dei rivestimenti utilizzati per l’etichettatura possono essere utilizzati come combustibile per la fusione dei rottami metallici.
Ultimo aggiornamento 24 settembre 2016
Edizione italiana a cura di Patrik Pedrotti e Valter Ballantini 7 dicembre 2020
Foto in alto di Jonny Caspari su Unsplash