Alluminio: estrazione, pretrattamento, processo elettrolitico

L’alluminio è il metallo più abbondante che si trova sulla crosta terrestre costituendo circa l’8% in peso della sua composizione. Nonostante questa abbondanza, l’alluminio non si trova in natura allo stato metallico, a causa della sua elevata reattività chimica: tende infatti a formare composti stabili con ossigeno e altri elementi.

Per questa ragione, l’alluminio è presente in moltissimi minerali, principalmente sotto forma di ossidi e silicati.  Il minerale più importante da cui si estrae l’alluminio è la bauxite, una roccia sedimentaria costituita principalmente da idrossidi e ossidi idrati di alluminio, come il diasporo (AlO(OH)) e la gibbsiti (Al(OH)₃). La bauxite contiene anche impurità come ossidi di ferro (III), silicati e titanati. La sua formula generale può essere semplificata come Al₂O₃·2H₂O, ma la composizione può variare in funzione delle impurità presenti.

Altri minerali contenenti alluminio includono gli alluminosilicati, presenti in minerali come la caolinite (Al₂Si₂O₅(OH)₄), e la criolite (Na₃AlF₆), un fluoruro doppio di sodio e alluminio, impiegato storicamente come fondente nell’estrazione elettrolitica dell’alluminio.

Nonostante i minerali contenenti il metallo siano molto abbondanti il suo prezzo è relativamente alto a causa degli alti costi dovuti alla sua estrazione.

Contrariamente ad altri metalli come il ferro che può essere ottenuto con l’utilizzo del carbonio che agisce da riducente, l’alluminio è così reattivo i suoi composti  non possono essere ridotti dal carbonio.

Estrazione dell’alluminio

Nonostante la sua abbondanza, è relativamente costoso rispetto ad altri metalli come il ferro. Questo è dovuto principalmente al processo di estrazione, che richiede una notevole quantità di energia.

A differenza del ferro, che può essere ottenuto per riduzione degli ossidi con carbonio a temperature elevate, l’alluminio è talmente reattivo che i suoi composti non possono essere ridotti tramite il carbonio: il carbonio non è un riducente abbastanza forte per trasformare l’Al³⁺ in alluminio metallico.

Per ottenere il metallo dai suoi minerali si ricorre pertanto a un processo elettrolitico dopo che dagli stessi sono stati rimossi altri composti ed in particolare l’ossido di ferro (III). Il fisico danese Hans Christian Ørsted nel 1825, descrivendo l’isolamento dell’alluminio presso la Royal Danish Academy of Sciences and Letters

Pretrattamento

L’ossido di alluminio impuro viene trattato con una soluzione concentrata di idrossido di sodio; gli ioni Al³⁺ e gli ioni ossidrile formano il complesso solubile tetraidrossialluminato secondo la reazione:

Al₂O₃ + 2 OH^– + 3 H₂O → 2 Al(OH)₄^–

L’ossido di ferro (III) essendo insolubile viene filtrato dalla soluzione; l’aggiunta di un acido trasforma il tetraidrossialluminato in idrossido di alluminio:

Al(OH)₄^– + H⁺ → Al(OH)₃ + H₂O

L’ idrossido di alluminio precipitato viene portato alla temperatura di ignizione per ottenere l’ ossido di alluminio secondo la reazione:

2 Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O

Poiché la temperatura di fusione dell’ossido di alluminio è di 2000 °C, temperatura troppo elevata per effettuare l’elettrolisi, e che inoltre ne innalzerebbe notevolmente i costi, si aggiunge la criolite fusa per abbassare la temperatura di fusione dell’ossido di alluminio con formazione di ioni Al³⁺ e O^2-

Processo elettrolitico per l’ottenimento dell’alluminio

La cella elettrolitica è costituita da un contenitore di  acciaio e da due elettrodi di grafite in cui avvengono le seguenti semireazioni:

al catodo (-): Al³⁺+ 3e^– → Al

all’anodo (+):  2 O^2– → O₂ + 4 e^–

Affinché il numero di elettroni acquistati da Al³⁺ sia uguale al numero di elettroni persi dall’ossigeno si moltiplica la prima semireazione per 4 e la seconda per 3:

4 Al³⁺+ 12 e^– → 4 Al

6 O^2- → 3 O₂ + 12 e^–

Sommando membro a membro e semplificando gli elettroni si ha:

4 Al³⁺+  6 O^2- → 4 Al + 3 O₂

Il processo complessivo è quindi dato dalla seguente reazione:

2 Al₂O₃ → 4 Al + 3 O₂

L’ossigeno formatosi all’anodo, a causa della temperatura elevata, reagisce con l’elettrodo di grafite danneggiandolo per formare monossido e biossido di carbonio e quindi l’elettrodo deve essere spesso sostituito.

Stante la grande quantità di energia consumata per ottenere il metallo  si preferiscono processi di riciclaggio.

Riciclaggio

Il riciclaggio del metallo rappresenta uno degli esempi più virtuosi di economia circolare, capace di unire efficienza industriale e rispetto per l’ambiente. Una delle caratteristiche più straordinarie di questo metallo è infatti la sua capacità di essere rifuso e riutilizzato infinite volte senza perdere le sue qualità originarie.

A differenza di altri materiali, l’alluminio riciclato mantiene intatte le proprietà meccaniche e chimiche, permettendo di ottenere un metallo con le stesse prestazioni dell’alluminio primario. Inoltre, il processo di riciclo richiede circa il 95% in meno di energia rispetto alla produzione a partire dalla bauxite: questo si traduce in una significativa riduzione delle emissioni di gas serra e in un minor impatto ambientale.

Gran parte del metallo presente oggi in circolazione proviene proprio da cicli di riciclo: dalle lattine per bevande ai componenti automobilistici, dagli imballaggi ai telai per finestre, l’alluminio riciclato trova applicazioni in moltissimi settori. In Italia e in Europa, il sistema di raccolta e recupero del metallo è ben sviluppato e consente di evitare lo spreco di una risorsa preziosa, riducendo al contempo la quantità di rifiuti destinati alle discariche. Grazie a queste caratteristiche, il riciclaggioè considerato un pilastro fondamentale per uno sviluppo industriale più sostenibile e rispettoso dell’ambiente.

Applicazioni

L’alluminio è un metallo dalle proprietà straordinarie che ne hanno reso l’impiego fondamentale in moltissimi settori industriali e tecnologici. Grazie alla sua leggerezza, che è circa un terzo di quella dell’acciaio, e alla sua notevole resistenza alla corrosione, trova largo impiego nell’industria aeronautica e aerospaziale, dove ogni grammo risparmiato fa la differenza in termini di efficienza e prestazioni.

Viene utilizzato anche nel settore dei trasporti: automobili, treni e navi spesso utilizzano parti in alluminio per ridurre il peso complessivo dei veicoli e quindi migliorare il consumo di carburante e ridurre le emissioni inquinanti. In edilizia,  viene ampiamente utilizzato per la realizzazione di infissi, facciate continue, coperture e strutture leggere, grazie alla sua resistenza agli agenti atmosferici e alla facilità di lavorazione.

L’alluminio è anche presente in oggetti di uso quotidiano: dalle lattine per bevande agli imballaggi per alimenti, dagli elettrodomestici agli smartphone, dalle biciclette ai telai delle finestre. Non bisogna dimenticare inoltre il suo impiego  in ambito elettrico: la sua buona conducibilità elettrica, insieme al basso peso specifico, lo rende una valida alternativa al rame per la realizzazione di cavi elettrici ad alta tensione. Infine, il riciclo dell’alluminio rappresenta un capitolo cruciale: essendo un processo che richiede solo una minima frazione dell’energia necessaria per produrre alluminio primario, il riciclo contribuisce in maniera significativa alla sostenibilità ambientale, riducendo l’impatto ecologico e favorendo l’economia circolare.

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