霍尔－埃鲁法
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简介
霍尔－埃鲁法是冶炼铝的主要工业过程。 它涉及将氧化铝（氧化铝）（通常通过拜耳法从铝土矿（铝的主要矿石）中获得）溶解在熔融的冰晶石中，然后电解熔盐浴，通常在专用电池中进行。 工业规模应用的霍尔－埃鲁法发生在 940–980°C 并生产 99.5–99.8% 的纯铝。 再生铝不需要电解，因此不会在这个过程中结束。 该过程通过电解反应中二氧化碳和碳氟化合物的排放以及大量电能的消耗而导致气候变化。
过程
面临的困难
单质铝不能通过电解铝盐水溶液来生产，因为水合氢离子很容易氧化单质铝。 虽然可以使用熔融铝盐代替，但氧化铝的熔点为 2072°C，因此电解它是不切实际的。 在霍尔－埃鲁法中，氧化铝 Al2O3 溶解在熔融的合成冰晶石 Na3AlF6 中，以降低其熔点以便于电解。 碳源通常是焦炭（化石燃料）。
理论
在霍尔－埃鲁法中，以下简化的反应发生在碳电极上：
阴极：
Al3+ + 3 e− → 铝
阳极：
O2- + C → CO + 2 e−
全面的：
Al2O3 + 3 C → 2 Al + 3 CO
实际上，阳极形成的 CO2 比 CO 多得多：
2 O2- + C → CO2 + 4 e−2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2
纯冰晶石的熔点为 1009±1 °C。 由于其中溶解了少量氧化铝，其熔点降至约 1000 °C。 除了具有相对较低的熔点外，冰晶石还被用作电解质，因为除其他外，它还可以很好地溶解氧化铝、导电、在比氧化铝更高的电压下电解解离，并且在所需温度下比铝具有更低的密度 电解。
通常将氟化铝 (AlF3) 添加到电解液中。 NaF/AlF3 之比称为冰晶石比，在纯冰晶石中为 3。 工业生产中加入AlF3，使冰晶石比为2-3，进一步降低熔点，使电解可在940-980℃之间进行。 在 950 至 1000 °C 的温度下，液态铝的密度为 2.3 g/ml。 电解液的密度应小于 2.1 g/ml，以便熔融铝与电解液分离并适当沉降到电解槽底部。 除了 AlF3 之外，还可以添加其他添加剂，如氟化锂，以改变电解质的不同特性（熔点、密度、电导率等）。
通过使 100–300 kA 的低压（低于 5 V）直流电通过混合物来电解混合物。 这导致液态铝金属沉积在阴极，而来自氧化铝的氧气与来自阳极的碳结合，主要产生二氧化碳。
该过程的理论最低能量需求为 6.23 千瓦时/（千克铝），但该过程通常需要 15.37 千瓦时。
细胞操作
工厂中的电池每天 24 小时运行，因此其中的熔融材料不会凝固。 电池内的温度通过电阻来维持。 碳阳极的氧化以消耗碳电极和产生二氧化碳为代价提高了电效率。
虽然固态冰晶石在室温下比固态铝密度大，但液态铝在 1,000 °C（1,830 °F）左右的温度下比熔融冰晶石密度大。 铝沉入电解槽底部，并定期收集。 每 1 至 3 天通过虹吸管将液态铝从电池中移除，以避免必须使用温度极高的阀门和泵。 随着铝的去除，氧化铝被添加到电池中。 从工厂的不同电池中收集的铝最终熔化在一起以确保产品均匀并制成例如。 金属板。 电解混合物撒上焦炭以防止阳极被放出的氧气氧化。
电池在阳极产生气体。 废气主要是阳极消耗产生的 CO2 和冰晶石和熔剂 (AlF3) 产生的氟化氢 (HF)。 在现代设施中，氟化物几乎完全回收到电池中，因此再次用于电解。 逸出的氢氟酸可以被中和成它的钠盐，即氟化钠。 使用静电或袋式过滤器捕获颗粒。 CO2 通常被排放到大气中。
池中熔融材料的搅动以产品中冰晶石杂质的增加为代价提高了其生产率。 正确设计的电池可以利用电解电流引起的磁流体动力来搅动电解质。