採掘と精製: 赤土からアルミニウムまで

何音節使って言うかに関係なく、アルミニウムは私たちが所有する最も有用な工業用金属の 1 つです。軽量で、強度があり、合金化が容易で、導電性が高く、機械加工、鋳造、押し出しが容易なアルミニウムは、想像できるほぼすべての工業プロセスや商業製品に使われています。

現代の生活はアルミニウムなしでは不可能ですが、銀色の金属が広く使用されるようになったのはここ 100 年ほどです。それほど昔のことではありませんが、アルミニウム製の食器がステータスシンボルであり、文字通りその重さの金以上の価値があった時代がありました。その一度限りの希少性の背後にある理由は、それを含む岩石から豊富な元素を抽出するために必要な労力と、そうするためのエネルギーにあります。最近までアルミニウムを人間の使用から遠ざけていた力は克服されました。そのために必要な化学と工学については、次回の「採掘と精製」で検討する価値があります。

アルミニウムは、地球の地殻に最も豊富に存在する単一の金属元素です。しかし、足元の地面の平均 8% を占めるものを、元素の形で入手するのは非常に困難です。採掘できる金属アルミニウムの露頭や鉱脈はありません。アルミニウムはほとんどの場合、さまざまな酸化物の形で存在しており、工業用金属として使用するには化学的に遊離する必要があります。

アルミニウムを含む岩石は広く分布していますが、アルミニウムの主要な鉱石であるボーキサイトの経済的に重要な鉱床はわずかです。ボーキサイトの正確な含有量はさまざまですが、一般に、水酸化アルミニウム、粘土、石英、鉄含有鉱物と結合した酸化アルミニウム鉱物で構成されています。ボーキサイトの最大かつ最も豊富な鉱床の一部は熱帯地方に位置しており、高温と豊富な降雨が交互に続き、その後に長い乾燥期間が続きます。

これらの条件が有利な化学的風化は、実際にはアルミニウム加工の最初のステップです。これは、すでに非常に柔らかい岩であるボーキサイトを、簡単にすくえる一口サイズの破片に砕きます。ほとんどのボーキサイトは露天掘り採掘技術を使用して採掘されます。現在、ボーキサイト生産における世界のリーダーはオーストラリアであり、世界生産量の約 4 分の 1 を生産しています。 2位は中国、3位は西アフリカの国ギニアとなった。ブラジルとカリブ海、主にジャマイカにもボーキサイトの大規模な鉱床があります。

ボーキサイトが採掘される場所は世界中で数か所しかないため、ボーキサイトはさらに加工するために頻繁に長距離輸送されます。これは、鉱石が海を越えて輸送される場合、液状化と動的分離により危険な提案になる可能性があります。ボーキサイトには通常、多くの粘土が含まれており、雨水にさらされると、液体のように動作する流砂のような懸濁液を形成することがあります。ばら積み貨物船の船倉に積み込まれると、過度に濡れたボーキサイトが飛び散り、スラリー中の水が上方に移動する傾向と相まって、船の重心が変化して悲惨な結果を招く可能性があります。

生のボーキサイト鉱石は化学処理して不純物を除去し、含まれるアルミニウムを製錬できる状態にする必要があります。これを達成するためにほとんどの場合バイエル法が使用され、大量の砕いたボーキサイトを圧力容器内で苛性ソーダまたは水酸化ナトリウムの溶液を用いて調理することから成ります。 150 ～ 200 °C で、通常は水に溶けない酸化アルミニウムと水酸化アルミニウムが水酸化ナトリウム中のナトリウムと反応して、アルミン酸ナトリウムが生成されます。

これにより、ボーキサイト内のアルミニウムは溶解しますが、主に酸化鉄である不純物は溶解しません。不溶性物質は過剰な水酸化ナトリウムとともに濾別され、「赤泥」と呼ばれる廃棄物になります。ボーキサイト処理工場では膨大な量の赤泥が生成され、鉱石が採掘された場所の近くで処理される際に、ボーキサイトの穴が氾濫して形成されるラグーンに保管されます。赤泥中の酸化物には経済的価値があり、尾鉱中に存在する可能性のある微量の希土類元素の回収を含む工業プロセスで使用するために回収することができます。赤泥は適切に処理しないと災害を引き起こす可能性もあります。

ボーキサイト処理の最終ステップには、濾液中のアルミニウムを沈殿させて精製することが含まれます。これは、アルミン酸ナトリウムを含む溶液に高度に精製された水酸化アルミニウムの結晶を種晶として添加することによって達成されます。これにより、水酸化アルミニウムの結晶が形成され、過飽和溶液から脱落します。

水酸化アルミニウムの結晶は収集され、高温のロータリーキルンで処理されます。焼成と呼ばれるプロセスでは、水酸化アルミニウムが熱分解されて、真っ白な酸化アルミニウムの結晶になります。

加工の次のステップは、実際にアルミナから元素アルミニウムを精錬することです。これを達成するために使用されるプロセスは、1886年に独立してほぼ同時にこのプロセスを発明したアメリカの化学者チャールズ・マーティン・ホールとフランスの科学者で発明家のポール・エローにちなんで名付けられたホール・エロープロセスです。このプロセスは基本的に自然界の酸化プロセスを元に戻すことを目的としています。元々はアルミニウム元素を酸化物に閉じ込めてボーキサイトを形成していました。これは電気分解によって行われるため、経済的に実行するには大量の安価な電力を利用する必要があります。アルミニウム精錬所が水力発電ダムの近くに位置することが多いのはこのためです。

アルミナ粉末を電解するには、まずアルミナ粉末を液化する必要があります。融点（2,072℃）が法外に高いため、単純に溶かすことは不可能です。ハルエロー法プロセスの鍵は、ナトリウム、アルミニウム、フッ素の塩である氷晶石の発見でした。氷晶石はアルミナの融点を約900℃まで下げ、電気分解を可能にします。氷晶石は自然に産出されますが、非常にまれで、地球上のわずかな場所でしか見つかりません。現在、アルミニウムの精錬に使用される氷晶石のほとんどは合成で製造されています。

工業規模では、ホール・エロー法は宇宙からも見えるほど巨大な製錬工場で、ほぼ滑稽なレベルで行われている。ポットと呼ばれる各鋼製反応セルはセラミックで裏打ちされており、底部にはグラファイト陰極があります。ポットにはアルミナ粉末と氷晶石が充填され、巨大な複合陽極が混合物の中に降ろされます。アノードは、溶液の電気分解に必要な電流（数十万アンペア）を流すための銅または鉄のフレームを備えた溶融コークスで主に作られています。

電気分解反応により、各セルのアノードに金属アルミニウムが形成されます。溶融金属は電解質よりも密度が高いため、液滴はポットの底に沈み、そこでカソードに蓄積します。ポットは継続的に運転され、十分な溶融アルミニウムが蓄積されるまでに 1 ～ 3 日かかります。液体金属はサイフォンによって取り出され、必要に応じて消耗品の陽極が交換され、ポットに別のチャージが追加されます。

ポットから取り出されるアルミニウムは約 99% 純度のアルミニウムで、通常はさらに加工するためにインゴットまたはバーに鋳造されます。この純度レベルのアルミニウムは、主に食品容器や架空送電線などの電気導体として使用されます。より高い純度の金属が必要な場合は、Hoopes プロセスとして知られる別の電解プロセスを使用して、純度を「フォーナイン」レベル (99.99%) まで高めることができます。純度 99% 以上のすべての金属は「1000 シリーズ」アルミニウムとして知られています。

ただし、純粋なアルミニウムは一般に工業的にあまり有用ではないため、ほとんどのアルミニウムは他の特性を実現するために他の金属と合金化されます。たとえば、2000 シリーズのアルミニウムは強度と靱性を高めるために主に銅と合金化されており、航空機の製造に使用されています。ダクトや調理器具に使用される 3003 合金と同様、3000 シリーズの金属は、加工性を高めるためにマンガンと合金化されています。シリコンはアルミニウムと合金化されて 4000 シリーズの金属を形成します。マグネシウムを添加すると、人気のある 6061 や 6063 などの 6000 シリーズの金属が生成され、アルミニウム押出材からエンジンブロックに至るまであらゆるものに使用されます。