铝生产与环境影响


要点

•铝最早生产于1850年

•铝是世界上仅次于铁的第二大使用金属。

•铝是地壳中第三丰富的元素,仅次于氧和硅。

•在欧洲,仅次于交通(39%),建筑(24%)是第二大应用。1

•2012年,平均每个欧洲公民使用22公斤铝1

•中国是最大的铝生产国

•90%从拆除/报废中回收的铝都是回收的。1

1采矿

铝土矿开采-氧化铝生产-原铝生产-半成品制造-产品制造-产品使用-产品回收

铝土矿开采

铝不是作为单独的矿石出现的(它与其他化合物反应性太强),而是与其他矿物结合的,主要是铝土矿。铝土矿的开采地点主要是在赤道附近的一个宽阔地带。铝土矿是氢氧化铝、氧化铁、二氧化钛和高岭石的混合物。澳大利亚、巴西、几内亚和牙买加都有大量的铝土矿,而铝土矿的主要产区是澳大利亚(最大的生产国)、中国、巴西、印度、几内亚、印度尼西亚、牙买加、俄罗斯和苏里南。

苏里南铝土矿的建立和开发——公司的公关电影。

奥里萨邦的一个印第安部落反对在他们的土地上开采铝土矿的提议。

2铝土矿处理

铝土矿先被加工成氧化铝(氧化铝),然后再通过电解转化为铝。氧化铝精炼厂采用拜耳工艺,将氧化铝从铝土矿中释放到消化池中的苛性钠溶液中。在全球范围内,约2.9吨铝土矿可生产1吨氧化铝2由此产生的铝土矿残渣(“赤泥”)是不溶性颗粒。

铝土矿残渣,澳大利亚西部

拜耳过程中的铝土矿残渣长期以来一直是储存和管理的难题。该行业每年从约100个处理器产生约1.2亿吨残留物。大部分都储存在贮水池里。很少被重复利用。研究还在继续寻找合适的应用。

潜在的有毒金属和自然产生的放射性物质(标准)来自原始的铝土矿,因此,来自不同矿石的铝土矿残留物可能在各自金属种类的类型和浓度上有所不同。

“2010年10月,在匈牙利Kolontar附近的一家氧化铝工厂发生的Ajka氧化铝工厂事故中,约100万立方米的赤泥意外释放到周围的农村,造成10人死亡,并污染了大片地区。据说,马尔卡尔河中的所有生命都被红色的泥浆“消灭”了,几天之内,泥浆就到达了多瑙河。(维基百科)

Kolontar泄漏灾难

3原铝生产

原铝是通过电解生产的,通常是在“罐中”。氧化铝首先与氟化钙溶解在熔融冰晶石中,然后在950℃左右电解还原为铝。

冰晶石是铝氟化钠。它主要存在于格陵兰岛的一个大型矿床中——尽管还有其他来源,包括西班牙和美国。它也用于玻璃和搪瓷工业。

熔化的铝被从罐子中取出,并被转移到“铸房”,在那里它被用于容纳熔炉的合金。根据最终用户的不同,其他金属被添加到铝合金中,然后铸造成称为“铝坯”的铸锭。

一部关于铝是如何制作的短片(如果你需要跳舞,可以配上funky音乐)

•大多数铝是合金,以提高其机械性能。主要的合金化剂有铜、锌、镁、锰和硅。

•铝生产商倾向于将冶炼厂设在电力充足且价格低廉的地方——比如拥有大量天然气供应的阿拉伯联合酋长国,以及拥有可再生能源的冰岛和挪威。世界上最大的氧化铝冶炼厂是中国、俄罗斯和加拿大。

四大能源

•能源消耗是该行业最大的问题。铝的消耗量如此之大,以至于人们戏称它为“凝结的电”。

•生产铝所需的能源为每吨211千日瓦,而钢铁为每吨22.7千日瓦。3.

•能源消耗的程度是由于铝和氧之间的化学键强度明显强于铁和氧之间的化学键强度。因此,需要更多的能量来分裂化学键并形成金属。

5半成品及产品

建筑行业使用的铝有一半多一点是铝型材;大约25%的铝被用于轧制铝产品,大约8%的铝被用于铸造(2008年的数据)。1

挤压

加热的钢坯通过开口挤压形成铝型材的横截面。

铝挤压(和更多的funky音乐…)

滚动

这个过程通常包括钢锭的热轧,然后是冷轧。大多数薄板和板材的厚度范围在3到25毫米之间,尽管更薄的薄板可以冷轧到0.05毫米。

异形板,通常用于屋顶和覆层,通常使用冷轧生产。

铸造

铸造有三种形式:砂铸造,熔化的铝倒进模具-这是有用的小运行;永久模具铸造——至于砂型,但模具是由更耐用的钢和铁制成的;高压压铸,用重力或低压加载模具,直到铝凝固-这种工艺适用于复杂形状和低尺寸公差。

中国砂型铸造(音量警告)

6完成

阳极氧化

当金属暴露在空气中时,会形成一层薄薄的氧化铝表面层,有效地防止进一步氧化,因此具有极好的耐腐蚀性。阳极氧化使这一层变厚并增加耐用性。在这个过程中可以加入染料来产生颜色。随着时间的推移,紫外线会使大多数颜色褪色,但红色、黑色、蓝色和金色的持久性更强。

阳极氧化是最持久的饰面,因此在铝易磨损和磨损的高交通区域很受欢迎;它通常也比其他涂料更便宜。

阳极化铝组件

阳极氧化的缺点是,如果表面处理不当,它可能会受到环境污染。

在环境方面,阳极氧化产生的化学物质可用于自来水公司废水处理厂,其中阳极氧化产生的硫酸铝可提高固体沉降效率。

阳极氧化不释放VOCs

有机涂料:涂料和粉末

液体涂料由颜料、树脂和溶剂组成。粉末涂料是一种封装在粉末树脂中的颜料,因此被简单地认为是“没有溶剂的涂料”。用相同的树脂和颜料制成的粉末涂料和液体涂料将具有实际上相同的性能特性。

有些树脂更容易在液体涂料中制造,有些则更容易在粉末涂料中制造。一种特殊的树脂通常是在粉末或溶剂型涂料中制造的,而不是两者都制造。这方面的例子有环氧树脂,主要是粉末涂料,以及PVDF,历史上一直作为液体涂料生产。与液体涂料相比,粉末的许多被认为的优点,如硬度和光泽,实际上是树脂的特性。

任何有机涂料(油漆或粉末)的性能取决于预处理、树脂和色素沉着。对于铝,预处理是极其重要的。这就是为什么铝的有机涂层应该在工厂使用。树脂通常是有机涂料系统中的薄弱环节。有些树脂,如PVDF,具有出色的耐候性,而环氧涂料只用于室内使用。

有许多树脂可供使用,如聚氨酯,聚氨酯,脂肪族聚氨酯,聚酯,硅聚酯,聚酯TGICs, PVDF等。在外部建筑应用中,只有少数几种涂料系统能够持续使用五年以上。

聚偏氟乙烯(PVDF又名PVF2)

PVDF是含氟聚合物家族中的一种特种塑料材料;它具有高水平的抗大气污染物,以及良好的光泽和颜色保持。它的细粉末形式是金属涂料的主要成分。PVDF在化学上是相对惰性的,在腐蚀环境中会比阳极氧化更持久。

PVDF涂料通常由70%的PVDF和30%的其他树脂配制而成,通常以丙烯酸树脂为主。

粉末涂料

对于一种特定的树脂,决定使用粉末或液体涂层只是一个应用技术的问题。与液体涂料相比,粉末涂料的真正优点是减少空气污染。当粉末在烤箱中固化时,它们不释放挥发性有机化合物。粉末的一个缺点是粉末涂料通常需要的大批量。

粉末涂料主要有两大类:热固性涂料和热塑性涂料。热固性产品在配方中加入了交联剂。当粉末被烘烤时,它与粉末中的其他化学基团发生反应聚合,提高了性能性能。热塑性塑料品种在烘烤过程中不经历任何额外的行动,而只是流入最终的涂层。

最常用的聚合物是聚酯,聚氨酯,聚酯-环氧(被称为混合),直环氧(熔合环氧)和丙烯酸。(维基百科)来源

粉末涂层铝

7回收铝(二次铝)

回收铝被称为二次铝,但保持与原铝相同的物理性能。

通过回收金属已成为铝工业的一项重要用途。在20世纪60年代末之前,回收利用一直是一项低调的活动,直到铝饮料罐的日益使用才让公众意识到这一点。

回收包括熔化废料,这一过程只需要从矿石中生产铝所需的5%的能量,尽管有很大一部分(高达15%的输入材料)作为废渣(灰状氧化物)损失掉了。(维基百科)来源

8产品回收内容

产品的回收含量差异很大,但全球平均水平约为30%。这一比例只取决于废铝的可用性。

一些制造商需要大量的回收铝来生产他们的产品,但这只会减少其他铝产品的混合。

作为一个绿色设计师,要求高回收的内容是很诱人的,但它实际上完全没有环境意义。

9铝v

积极的属性

+高强度重量比

+高延展性

+简单加工

+优异的耐腐蚀性能

+良好的导热性和导电性

负面属性

-弹性模量低

——很容易变形

——很容易扣

-低疲劳强度

-防火性能差(熔点低)

10环境属性

箴丰富的资源
箴使用水力发电可以大大减少化石燃料能源
箴高耐用性
箴维修费用低
箴欧洲生产受到严格的污染管制
箴回收只使用初级生产中使用的一小部分能源
箴建筑和回收的回收水平非常高
反对能源消耗非常高
反对露天开采铝土矿会严重破坏当地的生态系统和社区
反对熔炼需要大量的水
反对加工过程中对空气和水的排放,其中一些是有害物质
反对铝土矿残渣的储存和管理需要土地使用,有时会失败(例如,2010年匈牙利Ajka氧化铝污泥泄漏)
反对在开采、加工和制造之间漫长的运输路线增加了蕴含的能量
反对管理生产的环境法规在世界各地可能差别很大
反对由于经济原因,欧盟目前是铝废料的净出口国,这损害了欧洲的回收工业

那么,铝是一种“可持续”的材料吗?

没有一个直接的答案。铝的广泛用途是毫无疑问的。它具有重量轻、强度高、耐用的优点,在许多情况下都是必不可少的。但是,碳含量飙升的严峻现实,以及目前令人失望的回收率,仍然使它成为一种难以使用的材料,如果没有某种程度的考虑。当然,建筑设计师应该能够证明2022年亚洲世界杯预选赛直播铝的功能/应用在指定的地方。

参考文献

1欧洲铝业协会(EAA), 2014

欧洲议会简报,2013年

3联邦科学和工业研究组织(CSIRO)

4维基百科