Werkstuk ANW Aluminium

Transcriptie

1 Werkstuk ANW Aluminium Werkstuk door een scholier 2386 woorden 9 september ,2 45 keer beoordeeld Vak ANW INHOUDSOPGAVE Inleiding De ontdekking van aluminium Waarom heeft het zolang geduurd voor aluminium in grote hoeveelheden gemaakt kon worden? Enkele eigenschappen van aluminium De productie van aluminium uit erts en de hoeveelheid energie die daarvoor nodig is Toepassingen van aluminium, ook in legeringen Recycling Conclusie Bronvermelding Logboek INLEIDING Toen we een werkstuk moesten gaan maken zijn wij ons gaan afvragen welk onderwerp ons het leukst leek. Toen hebben we besloten om het werkstuk over aluminium te maken. Het leek ons leuk om dit te doen omdat we nog niet veel wisten van aluminium. We wisten wel waarvoor het werd gebruikt wordt, maar niets over de productie van aluminium enz. De ontdekking van aluminium 1754: Marggraf had aluminiumhydroxide weten te bereiden. 1805: Aluminium wordt voor het eerst benoemd door scheikundigen (toen nog Aluminium) 1809/ 1810: Berzelius en Davy deden een poging om het element in zuivere toestand af te scheiden. Zij hadden geen succes. 1822: De Franse scheikundige Paul Perthier ontdekte bauxiet in de omgeving van Les Baux-de-Provence. 1825: Voor het eerst wordt het metaal aluminium gevormd uit Alumina (AlOx). 1827: Fr. Wöhler bereidde uit het oxide enige korrels aluminium, maar het product was chemisch onzuiver. Pagina 1 van 7

2 1845: Bepaling belangrijkste eigenschappen van aluminium. 1855: Presentatie van het nieuwe metaal op de wereldtentoonstelling in Parijs. 1886: Productie van aluminium uit alumina door elektrolyse (wordt nog steeds toegepast). 1888: Introductie van compleet 4-stappenproces om aluminium te verkrijgen uit bauxiet 1938: Opzet grootschalige winning van bauxiet 1965: Start afgraving diverse locaties over de hele wereld 1998: Aluminium is wereldwijd het tweede algemeen meest toegepast metaal na staal Waarom heeft het zo lang geduurd voordat aluminium in grote hoeveelheden gemaakt kon worden? Het heeft zolang geduurd voordat aluminium in grote hoeveelheden gemaakt kon worden, omdat aluminium alleen voor komt in de natuur in verbinding met andere materialen. Bijvoorbeeld met silicaten en oxides. Omdat deze verbindingen erg stevig waren, heeft het vele jaren gekost voordat men aluminium er los van kreeg. Omdat zuiver aluminium maken in die tijd zó moeilijk was, werd dit metaal erg duur en er konden dus geen grote hoeveelheden van gemaakt worden. Het heeft dan ook lang geduurd voordat aluminium op de markt gebracht kon worden. In 1886 ontdekten de Amerikaan Hall en de Fransman Hérault, zonder dat ze het van elkaar te wisten, een nieuwe methode om zuiver aluminium te maken. Omdat deze methode nu nog steeds wordt toegepast, werd het metaal veel goedkoper en kon er veel meer geproduceerd worden. Aluminium kost nu nog maar ongeveer 0,15% van de prijs van 150 jaar geleden. Enkele eigenschappen van aluminium - Aluminium is het derde element naar voorkomen in de aardkorst. - Na zuurstof en silicium komt het het meest voor: 7,5%. - De belangrijkste delfstof is bauxiet. - De naam aluminium is afgeleid van het Latijnse alumen, wat bitter betekent. - Aluminium is een zilver/witkleurig zacht metaal - Het is licht van gewicht. - Het is een zeer onedel metaal. Hoewel het een zeer onedel metaal is, blijft het aan de lucht vrijwel onveranderd, doordat een oppervlakkig oxidelaagje het onderliggende metaal beschermt. Wordt de vorming hiervan belet, bijvoorbeeld door het metaal even te amalgameren met een sublimaat oplossing of met metallische kwik, dan reageert het aluminium zeer snel. Wrijft men een stukje aluminium met sublimaatpoeder, dan ontstaat aluminiumamalgaam. De eerste glanzende plek wordt spoedig dof en er ontstaan vezelachtige draden van aluminiumhydroxide. Ook bij verhitting aan de lucht, in vaste of gesmolten toestand, wordt aluminium ten gevolge van het oxidelaagje weinig aangetast. Wordt het in poedervorm in vochtige lucht opgewaaid, dan kan het leiden tot hevige stofexplosies. Er kunnen tal van oxiden van metalen, zoals chroom, mangaan, titaan, borium, silicium en vanadium met Pagina 2 van 7

3 behulp van aluminiumvijlsel tot metaal worden gereduceerd. Aluminium lost onder vorming van aluminaat en waterstofontwikkeling op in alkalische oplossingen, vooral bij verhitting. Door geconcentreerd zwavelzuur of geconcentreerd salpeterzuur wordt het bij gewone temperatuur weinig aangetast. De verdunde zuren werken sterker in. In zoutzuur van alle concentraties lost het echter snel op. Ook in verdunde organische zuren lost aluminium op, vandaar dat aluminium pannen en dergelijke slijten bij de bereiding en bewaring van zure gerechten. Dit kan overigens voorkomen worden door het aanbrengen van een beschermend oxidelaagje. Hoe zuiverder het aluminium, hoe geringer de aantasting. In compacte vorm wordt aluminium niet door water aangetast. In water met een hoog chloridengehalte kan de oxidelaag plaatselijk worden geperforeerd. Is het metaal voldoende dik dan stopt deze aantasting meestal vanzelf door het dikker worden van de oxidelaag. Veel gesteenten en klei-soorten bevatten aluminiumverbindingen. De voornaamste verbindingen zijn aluminiumoxide, -hydroxide, -chloride, - sulfaat, -silicaat en -acetaat. Andere kenmerkende eigenschappen van aluminium: Symbool: Al Atoomnummer: 13 Atoomgewicht: 26,98154 Dichtheid: 2702 kg/m³ Smeltpunt: 660,37 Celsius Kookpunt: 2467 Celsius Kristalstructuur: kubist Soortelijke weerstand voor elektriciteit: 0,0265 Ω mm²/m Aluminium is een goede warmte en elektriciteit geleider. Ook is het niet-magnetisch en makkelijk vervormbaar. Het lichte gewicht en de redelijke sterkte maken aluminium tot een van de belangrijkste technische materialen. Productie van aluminium uit erts en de hoeveelheid energie die daarvoor nodig is. Bij het produceren van aluminiumoxide uit bauxiet wordt in de hele wereld het bayerproces toegepast. Het bauxiet wordt in kleine stukken gebroken, gedroogd, gemalen en met natronloog gemengd. Dan wordt het in een autoclaaf (vat waarvan de inhoud onder drukverhouding kan worden verhit) ontsloten bij een temperatuur van 235 à 250 Celsius, waarbij druk, loogconcentratie en tijdsduur afhankelijk zijn van de soort en vindplaats van het bauxiet. Tijdens dit proces gaat het in het bauxiet aanwezige aluminiumoxide in oplossing als natriumaluminaat. De andere bestanddelen van het bauxiet, waaronder ijzer-, mangaan- en het grootste deel van het siliciumoxide, blijven onopgelost achter en worden door filtreren uit de oplossing verwijderd. Pagina 3 van 7

4 Door afkoelen, verdunnen en enten van de oplossing met poedervormig aluminiumhydroxide wordt het grootste deel van het opgeloste aluminiumoxide afgescheiden als aluminiumhydroxide. Het nog in de vloeistof opgelost gebleven aluminiumoxide is niet verloren, maar wordt na het op de juiste concentratie brengen van de loog aan het begin van het proces weer gebruikt. Het verkregen aluminiumhydroxide wordt zorgvuldig gewassen en in lange roterende buisovens gegloeid bij 1200 C-1300 C, zodat al het aanhangende en chemisch gebonden water verwijderd wordt. Het verkregen product is aluminiumoxide met, afhankelijk van de soort bauxiet, geringe verontreinigingen. In ongelegeerd aluminium van normale handelskwaliteit worden deze verontreinigingen teruggevonden als silicium, ijzer, mangaan en koper met een totaal gehalte van 0,005% tot 0,35%. Om aluminiummetaal uit het aluminiumoxide te bereiden lost men het aluminiumoxide eerst op in gesmolten kryoliet. Het natuurlijke kryoliet kan de wereldbehoefte niet dekken, daarom bereidt men eerst kunstmatig kryoliet. Bij de elektrolyse gaat circa 30 gram per kg geproduceerd aluminium verloren. Men voegt 1-8% aluminiumoxide aan het gesmolten kryoliet toe en krijgt dan een oplossing met een smelttemperatuur van C. In de loop van de elektrolyse verandert de samenstelling van de oplossing. De reductie vanaluminiumoxide vindt plaats in met gelijkstroom bedreven elektrolyseovens. Dit zijn met koolblokken beklede stalen vaten, waarin tijdens het proces vrijkomende gesmolten aluminium met deze koolbekleding fungeert als kathode. Ook worden koolblokken toegepast bij anode. De koolblokken reageren met de uit het oxide vrijkomende zuurstof onder vorming van kooldioxide en een gering deel koolmonoxide. Het verbruik van elektrodekool tijdens het proces is zeer hoog; per kg aluminium circa 0,43 kg. Tijdens het proces wordt het mengsel van aluminiumoxide en kryoliet steeds armer aan aluminiumoxide. Er moet dus af en toe nieuwe oxide toegevoegd worden. Het afgescheiden aluminium heeft een iets hogere relatieve dichtheid dan het mengsel en verzamelt zich in gesmolten toestand op de bodem, waar het met tussenpozen wordt afgetapt en uitgegoten tot broden, bestemd tot hersmelting, of tot blokken bestemd voor walsen of extrusie. De zuiverheid van het aluminium is maximaal 99,9%. De normale handelskwaliteit is meestal 99,5-99,7%. Aluminium met een zuiverheid van 99,9% is te bereiden met behulp van het zogenaamde drielagenelektrolyseproces. De elektrolyse van aluminiumoxide vereist zeer veel elektrische energie. De moderne elektrolysebedrijven bezitten ovens voor Ampère, en hoger bij een badspanning van 4-6 Volt. Voor de vestiging van een aluminiumindustrie moeten dan ook goedkope energiebronnen ter plaatse zijn zoals waterkracht, aardgas en kernenergie. Voor de massaproductie van aluminium uit erts, is per ton aluminium circa kw elektriciteit nodig, wat bijna 50% van de productiekosten uitmaakt. Het aluminium heeft een zuiverheid van circa 99,6%. Toepassingen van aluminium, ook in legeringen Pagina 4 van 7

5 Na ijzer wordt van alle metalen aluminium het meest toegepast als constructiemateriaal, voornamelijk op grond van zijn geringe relatieve dichtheid. Ongelegeerd aluminium is niet zo sterk, maar door toevoeging van geringe percentages van andere metalen, is een aantal legeringen ontwikkeld met een sterkte die aanzienlijk hoger is dan die van normaal constructiemateriaal. Deze combinatie van laag gewicht en hoge sterkte is aantrekkelijk voor de constructies waarbij transportenergie een belangrijke kostenpost is. Zoals bijvoorbeeld bij vliegtuigen, spoorwagons, auto s en schepen. Ook bij producten waar het in hoofdzaak draait om comfort wordt vaak aluminium gebruikt, zoals bijvoorbeeld bij draagbare apparatuur zoals stofzuigers, schrijfmachines, huishoudelijke apparaten enz. Het normale ongelegeerde handelsaluminium wordt vooral toegepast als er hoge eisen aan de corrosievastheid worden geëist, maar geen of lage eisen aan de sterkte gesteld worden. Zoals bijvoorbeeld in keukengerei, bekleding van pijpleidingen, apparaten voor de voedselindustrie en de chemische industrie, capsules voor flessen en vele soorten verpakkingsmaterialen. Als er geen hoge corrosievastheid vereist is, wordt aluminium met een zuiverheidgraad van 99,8-99,9% toegepast. Bijvoorbeeld in de chemische industrie voor opslag en het transport van agressieve procesvloeistoffen. Zeer zuiver aluminium, met een zuiverheidgraad van 99,99%, dat twee- à driemaal zo duur is als normaal handelsaluminium, wordt gebruikt indien men een hoge glans wenst, onder andere bij het aluminiseren van spiegels, sieraden, sierlijsten en grilles van auto s. Om het nadeel van lage sterkte tegen te gaan, wordt vaak 0,5-1% magnesium toegevoegd. Verder wordt aluminium veel toegepast in de bouwkunde voor bijv. dakbedekking en schuifdeuren; in dunne laagjes op ijzeren voorwerpen om roestvorming tegen te gaan; uitgewalst als verpakkingsmateriaal zoals bijvoorbeeld tubes en folie; tot draad getrokken in de elektrotechniek; als vijlsel of fijn poeder voor de reductie van tal van metaaloxiden tot metaal, voor de bereiding van springstoffen en vuurwerk en gemengd met lijnolie of lak als roestwerende lak. Recycling Van het begin af aan is aluminium gerecycled en opnieuw gebruikt. Alle aluminium producten kunnen worden gerecycled. Het recyclen kost niet veel energie in vergelijking met het recyclen van andere metalen. Gebruikt aluminium houdt z n waarde zodat het interessant is om zo veel mogelijk te recyclen. Er kan een hele stap in de productie overgeslagen worden wat goed voor het milieu is (kost veel energie) en de natuur hoeft minder aangetast te worden om bauxiet te delven. Het aluminiumafval kan verdeeld worden in twee soorten. Het ene zijn de resten van de productie zoals de splinters van zagen en mislukte delen. De andere soort is het gebruikte aluminium. Het gebruikte aluminium komt van een groot netwerk van bedrijven die afval scheiden en oude producten uit elkaar halen, waar grote machines voor nodig zijn. Allebei de soorten worden omgesmolten nadat eventueel andere stoffen ervan gescheiden zijn. Dan wordt het aluminium in verschillende vormen weer in omloop gebracht. In Europa wordt een hoog percentage aluminium gerecycled, variërend van 41% blikjes tot 95% in de transport sector. In Europa wordt voor 30% Pagina 5 van 7

6 van de aluminium vraag gerecycled aluminium gebruikt. Er zijn 3 verschillende manieren waarop de aluminiumlegeringen verwerkt worden. Bij de eerste manier wordt het aluminium verhit tot 500 C, zodat het vloeibaar wordt. Daarna wordt het gewalst tot platen. Die worden in gedeeld in drie verschillende diktes: Folie is minder dan 0,2 mm dik, dat wordt veel gebruikt in de verpakkingsindustrie. Een sheet is tussen 0,2 en 6 mm dik en wordt veel gebruikt in de bouw, bijvoorbeeld als dak. Ook wordt het gebruikt in de transportsector voor carrosserie. Als laatste heb je nog een plaat die dikker dan 6 mm is. Dat wordt gebruikt voor vliegtuigen, militaire voertuigen en in gebouwen. De tweede manier is het persen door een matrijs, zodat je profielen krijgt. Het aluminium wordt verhit tot C en dan met grote kracht door de matrijs geperst. De snelheid waarmee het aluminium door de matrijs geperst kan worden, hangt af van vorm van de matrijs en de dikte die het moet krijgen. Je krijgt dan lange aluminium delen die in de goede lengte verdeeld kunnen worden. In Europa wordt de helft van het aluminium op deze manier verwerkt. Het grootste deel van deze producten worden gebruikt in de bouw, ook wordt het gebruikt voor de transportsector. De derde manier is het gieten van aluminium. Dat wordt weer op twee manieren gedaan. De eerste manier is zand gieten. Er wordt een mal van zand gemaakt waar het aluminium in gegoten wordt. Er worden twee soorten zand gebruikt, namelijk groenzand, bestaande uit zand, klei en vocht en droog zand, dat is zand met een synthetische emulgator. Bij deze manier wordt weinig druk gebruikt om het aluminium naar de mal te laten lopen. De tweede manier is hoogdruk gieten (die casting). Daarbij wordt vloeibaar aluminium onder een bepaalde druk in een mal gespoten, met hoge snelheid. De verschillende manieren zie je in de figuur hieronder. Deze manier van gieten is heel nauwkeurig zodat er weinig tot geen nabewerking gedaan hoeft te worden. Gegoten producten worden voor het grootste deel gebruikt in de auto-industrie en in de carrosseriebouw. Men is constant bezig de techniek te verbeteren om nieuwe markten te bereiken en om aan de wensen van de klant te voldoen. Met de hand kan het ook verder bewerkt worden. Het aluminium kan daarna nog een laag krijgen, zodat het betere eigenschappen krijgt. Er kan ook aluminiumpoeder gemaakt worden door gas onder het gesmolten aluminium te brengen. Dat wordt onder andere als explosief gebruikt. Conclusie Aluminium is een ideaal materiaal voor diverse toepassingen, zeker ook in de Pagina 6 van 7

7 verpakkingswereld.voornamelijk door het lichte gewicht, de goede barrière-eigenschappen en het feit dat het niet toxisch is kan het ingezet worden als primaire verpakking van levensmiddelen. Het is goed te bedrukken, maar het kan ook onbedrukt als decoratief materiaal worden ingezet. Helaas is virgin -aluminium erg duur en milieubelastend door de hoge winningenergie. Door aluminium te recyclen kan een enorme winst worden gehaald, zowel financieel als milieutechnisch. Kortom: een materiaal dat bij een nieuw verpakkingsprobleem altijd in ogenschouw genomen kan worden, en met gemak kan worden ingezet op een zeer wijd toepassingsgebied. BRONVERMELDING Encarta LOGBOEK We hebben op 23 november 2003 het werkstuk bij Remy thuis gemaakt. De verdeling van de taken hebben we niet gedaan. We hebben elkaar afgewisseld met typen en zoeken van informatie en plaatjes Benjamin en Remy Pagina 7 van 7