รายการที่ชื่นชอบ
สาระน่ารู้ก่อนจะเป็นอลูมิเนียม
ภาพวาดบนแจกันสมัยกรีกโบราณแสดงการเผาเหล็ก
อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่น่าสนใจมากชนิดหนึ่ง หลายท่านคงไม่ทราบว่านี่เป็นโลหะที่มีมากที่สุดในชั้นเปลือกโลก และเป็นธาตุที่พบมากที่สุดในเปลือกโลกเป็นลำดับที่สามรองจากธาตุออกซิเจน และธาตุซิลิกอน โดยเปลือกโลกประกอบด้วยอะลูมิเนียมประมาณร้อยละ 8.13 ของน้ำหนัก
เมื่อพูดถึงอะลูมิเนียม สิ่งแรกที่คนทั่วไปมักนึกถึงคือ โลหะที่มีน้ำหนักเบา (เพราะมีความหนาแน่นน้อย) ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่โลหะชนิดนี้ถูกนำมาประยุกต์ใช้งานหลายอย่างตั้งแต่สิ่งของที่ใช้ในชีวิตประจำวันจนถึงอากาศยานสุดไฮเทคชนิดต่างๆ แต่จากบันทึกเอกสารทางวิทยาศาสตร์พบว่า นักวิทยาศาสตร์เพิ่งสามารถหาวิธีแยกอะลูมิเนียมออกมาจากสินแร่ได้สำเร็จเมื่อร้อยกว่าปีก่อนหน้านี้เอง...!
ประวัติศาสตร์ของโลหะบางชนิด
ระยะเวลาร้อยกว่าปีอาจเป็นเวลานานโขสำหรับประวัติการเกิด และการพัฒนาของสิ่งประดิษฐ์ชนิดหนึ่ง แต่หากนำมาเทียบกับประวัติศาสตร์การใช้โลหะอันยาวนานของมนุษย์แล้ว ช่วงเวลา 100 ปีนับว่าสั้นมาก
มนุษย์รู้จักใช้โลหะหลายชนิดตั้งแต่เมื่อหลายพันปีก่อนแล้ว โลหะกลุ่มแรกๆ ที่มนุษย์รู้จักใช้ในอดีตเป็นกลุ่มโลหะที่พบเห็นได้ง่ายในชีวิตยุคปัจจุบัน เช่น
ทองคำ พบหลักฐานที่มีอายุถึง 6,000 ปีก่อนคริสตกาล |
ทองแดง พบหลักฐานที่มีอายุถึง 4,200 ปีก่อนคริสตกาล |
เงิน พบหลักฐานที่มีอายุถึง 4,000 ปีก่อนคริสตกาล |
ตะกั่ว พบหลักฐานที่มีอายุถึง 3,500 ปีก่อนคริสตกาล |
ดีบุก พบหลักฐานที่มีอายุถึง 1,750 ปีก่อนคริสตกาล |
เหล็ก พบหลักฐานที่มีอายุถึง 1,500 ปีก่อนคริสตกาล |
ปรอท พบหลักฐานที่มีอายุถึง 750 ปีก่อนคริสตกาล |
จากซ้ายไปขวาเซอร์ฮัมฟรีย์ เดวีย์, ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด, ฟรีดริช โวเลอร์, อองรี แซงต์ แคลร์ เดอวีล
ขณะที่อะลูมิเนียม ซึ่งมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์เพิ่งหาทางแยกออกมาเป็นโลหะสำเร็จเมื่อปี ค.ศ. 1825
ความพยายามแยกอะลูมิเนียม
มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์จากสารประกอบอะลูมิเนียมตั้งแต่สมัยโบราณแล้ว โดยชาวกรีก-โรมันโบราณนำสารส้ม (alum) มาใช้เป็นสารช่วยย้อมเพื่อให้สีติดเนื้อผ้า และใช้เป็นสารช่วยสมานบาดแผล ส่วนชาวอียิปต์โบราณจะนำสารอะลูมินาซึ่งเป็นสารประกอบอีกชนิดของอะลูมิเนียมมาเป็นส่วนประกอบยา แต่หากจะกล่าวถึงการทดลองแยกอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ออกมานั้น พบว่าเริ่มมีการทดลองกันในปี ค.ศ. 1807 โดยเซอร์ฮัมฟรีย์ เดวีย์ (Sir Humphry Davy) นักเคมีชาวอังกฤษเป็นคนแรกที่พยายามทดลองแยกอะลูมิเนียมออกจากสารอะลูมินาด้วยวิธีการต่างๆ รวมถึงการแยกโดยใช้กระแสไฟฟ้า แต่การทดลองทั้งหมดของเขาไม่ประสบผลแต่อย่างใด แม้กระนั้นก็ตามเซอร์ฮัมฟรีย์ก็ยังมั่นใจมากว่า สารอะลูมินาจะต้องมีโลหะเป็นองค์ประกอบแน่นอน เขาจึงตั้งชื่อโลหะปริศนาตัวนี้ล่วงหน้าว่า อะลูมินัม (aluminum) ซึ่งในเวลาต่อมาเขาได้เปลี่ยนชื่อโลหะนี้เป็นอะลูมิเนียม (aluminium)
จนถึงปี ค.ศ. 1825 นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) ก็สามารถแยกโลหะอะลูมิเนียมออกมาได้ โดยใช้วิธีให้ความร้อนแก่สารอะลูมิเนียมคลอไรด์ (aluminium chloride) รวมกับโพแทสเซียมอะมัลกัม (potassium amalgum) วิธีนี้แม้จะแยกอะลูมิเนียมออกมาได้ แต่ก็ยังไม่สามารถใช้แยกอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ได้
ต่อมา ฟรีดริช โวเลอร์ (Friedrich Wohler) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันนำวิธีการของฮันส์มาพัฒนาต่อในช่วงปี ค.ศ.1827-1845 และทำให้ฟรีดริชเป็นบุคคลแรกที่สามารถแยกโลหะอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ออกมาได้สำเร็จ แต่วิธีแยกอะลูมิเนียมของฟรีดริชก็ไม่สามารถนำมาใช้ผลิตอะลูมิเนียมจริงในเชิงอุตสาหกรรมได้
อองรี แซงต์ แคลร์ เดอวีล (Henri Sainte-Claire Deville) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสนำวิธีแยกอะลูมิเนียมของฟรีดริชมาพัฒนาต่อและประสบผลสำเร็จในปี ค.ศ. 1854 ทั้งนี้เขาเปลี่ยนจากการใช้โพแทสเซียมอะมัลกัมที่มีราคาแพงมาใช้เป็นสารโซเดียม (sodium) แทนและเปลี่ยนจากการใช้สารอะลูมิเนียมคลอไรด์เป็นสารโซเดียมอะลูมิเนียมคลอไรด์ (sodium aluminium chloride) ซึ่งวิธีการของอองรีถูกนำมาใช้ผลิตอะลูมิเนียมในเชิงพาณิชย์ แต่เนื่องจากต้นทุนของกระบวนการที่ใช้แยกมีราคาสูงมาก ทำให้ในยุคนั้นอะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีราคาแพงกว่าทองคำอีก
ชาร์ลส มาร์ติน ฮอลล์ และ ปอล ลุยส์ ตูส์แซนต์ แอรูลต์
ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการพัฒนากระบวนการผลิตโลหะอะลูมิเนียมเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1866 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ 2 คนจาก 2 ทวีปคือ ชาร์ลส มาร์ติน ฮอลล์ (Charles Martin Hall) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันกับ ปอล ลุยส์ ตูส์แซนต์ แอรูลต์ (Paul Louis Toussaint Hèroult) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ทั้งคู่มีอายุ 22 ปีเท่ากัน ต่างทำงานโดยไม่ได้ข้องเกี่ยวกัน แต่ได้พัฒนาวิธีแยกอะลูมิเนียมที่เหมือนกันออกมาอย่างน่าประหลาด ซึ่งวิธีการแยกอะลูมิเนียมที่ทั้งคู่พัฒนาขึ้นมาคือ การนำสารอะลูมินามาละลายในสารไครโอไลต์ (cryolite, สารประกอบของโซเดียมอะลูมิเนียมฟลูออไรด์ (Na3AlF6)) หลอมเหลว และใช้กระแสไฟฟ้าในการแยกอะลูมิเนียมออกมา ดังนั้นกระบวนการแยกอะลูมิเนียมของทั้งคู่จึงถูกเรียกว่า "กระบวนการของฮอลล์-แอรูลต์" (Hall-Héroult process) การค้นพบกระบวนการแยกอะลูมิเนียมวิธีนี้เอง ทำให้ต้นทุนการผลิตอะลูมิเนียมถูกลงอย่างมโหฬาร อะลูมิเนียมจึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่างๆ มากขึ้น และกระบวนการของฮอลล์-เฮรูลต์ก็ยังคงถูกใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตอะลูมิเนียมอยู่จนถึงทุกวันนี้
หมายเหตุ : นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่นิยมใช้คำว่าอะลูมิเนียม ยกเว้นนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่นิยมใช้คำว่าอะลูมินั่ม
แร่บอกไซต์ (ซ้าย) กระบวนการผลิตสารอะลูมินาจากแร่บอกไซต์ (กลาง) ผงอะลูมินา (ขวา)
การผลิตอะลูมิเนียมสมัยใหม่
การผลิตอะลูมิเนียมจากสินแร่ในปัจจุบันประกอบด้วย 2 ขั้นตอน โดย
ขั้นตอนที่ 1 เป็นการแยกสารอะลูมิเนียมออกไซด์หรือสารอะลูมินาที่อยู่ในแร่บอกไซต์ ( bauxite ) ออกมาโดยใช้กระบวนการของเบเออร์ (Bayer Process ) ประกอบด้วยขั้นตอนย่อย 4 ขั้น คือ
- การย่อย (Digestion) นำแร่บอกไซต์บดให้มีขนาดเล็กลง และนำไปผสมกับสารโซเดียมไฮดรอกไซด์ (sodium hydroxide ) ของผสมจะถูกเทลงไปในถังย่อย (digester ) การใช้สารเคมีที่มีฤทธิ์เป็นด่าง และความร้อน ทำให้สารอะลูมินาในแร่บอกไซต์ละลายออกมาในรูปของสารประกอบอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (Al(OH)3) ส่วนสารมลทินจะไม่ละลายออกมา และตกตะกอนอยู่ใต้ถัง
- การทำให้ใส ( Clarification ) สารมลทินต่างๆ นอกเหนือจากสารอะลูมินาจะถูกแยกออกด้วยการกรอง ส่วนสารละลายที่ประกอบด้วยสารอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์จะถูกส่งไปถังตกตะกอน
- การตกตะกอน ( Precipitation )สารละลายอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ถูกทำให้เย็น และปล่อยให้ตกตะกอนออกมา ซึ่งตะกอนที่ได้มีลักษณะเป็นของแข็งสีขาว
- การเผาไล่น้ำ ( Calcination )ตะกอนของสารอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์จะถูกส่งเข้าเตาเผา และเผาที่อุณหภูมิ 1,050 ๐C เพื่อทำให้สารอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์สลายตัวเป็นสารอะลูมินาและให้ไอน้ำออกมา
ขั้นตอนที่ 2 เป็นการแยกอะลูมิเนียมออกจากสารอะลูมินาด้วยกระบวนการของฮอลล์-เอรูลต์ ( Hall-H?roult process ) ซึ่งเป็นวิธีแยกด้วยการใช้ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี เริ่มจากการเปลี่ยนสารอะลูมินาให้มีสภาพเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ก่อน แต่เนื่องจากอะลูมินาบริสุทธิ์มีจุดหลอมเหลวสูงถึง 2,000 ๐C ดังนั้นจึงต้องนำอะลูมินามาละลายในสารไครโอไลต์ (cryolite, Na 3AlF6) หลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1,000 ๐C เพื่อลดอุณหภูมิของกระบวนการ โดยสารไครโอไลต์จะทำหน้าที่เป็นฟลักซ์หรือสารที่ช่วยให้เกิดการหลอมตัวและไหลตัวเมื่อได้รับความร้อน
ถังที่ใช้ในกระบวนการแยกอะลูมิเนียมออกมานี้ จะใช้ถังเหล็กที่ผนังด้านในเคลือบด้วยแกร์ไฟต์ โดยถังเหล็กจะเป็นขั้วแคโทด และใช้แท่งคาร์บอนเป็นขั้วแอโนด (ดังรูปข้างล่าง) เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าลงไปจะเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีขึ้น อะลูมิเนียมเหลวจะเกิดขึ้นที่ขั้วแคโทด เนื่องจากอุณหภูมิของกระบวนการแยกสูงประมาณ 1,000๐C ขณะที่อะลูมิเนียมมีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 660 ๐C ดังนั้นโลหะอะลูมิเนียมที่ถูกแยกออกมาจะจมตัวอยู่ก้นถังในสภาพโลหะเหลว ส่วนที่ขั้วแอโนดจะเกิดก๊าซออกซิเจนขึ้น ซึ่งก๊าซออกซิเจนนี้จะทำปฏิกิริยากับแท่งคาร์บอนกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้แท่งคาร์บอนค่อยๆ สึกหรอไป
กระบวนการแยกอะลูมิเนียมของฮอลล์-เอรูลต์
ระหว่างกระบวนการผลิต เมื่อปล่อยให้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าดำเนินไประยะหนึ่งจึงทำการระบายอะลูมิเนียมเหลวออกนอกถังทำปฏิกิริยา ทั้งนี้แหล่งพลังงานความร้อนที่ใช้ทำให้ของผสมอิเล็กโทรไลต์อยู่ในสภาพหลอมเหลวได้ตลอดเวลานั้น มาจากความต้านทานไฟฟ้าที่เกิดจากการผ่านกระแสไฟฟ้าขนาด 100,000 แอมแปร์ ความต่างศักย์ประมาณ 4-5 โวลต์ให้กับถังเหล็กและแท่งคาร์บอน
เปลืองพลังงานผลิตมากแต่ใช้พลังงานรีไซเคิลน้อย
จะเห็นได้ว่าในกระบวนการผลิตอะลูมิเนียมจากสินแร่บอกไซต์นั้น กว่าจะได้โลหะอะลูมิเนียมออกมา สินแร่ต้องผ่านขั้นตอน และกระบวนการต่างๆ มากมาย อย่างไรก็ดีการใช้อะลูมิเนียมมีข้อได้เปรียบเหนือกว่าโลหะอื่นหลายชนิดในเรื่องการนำกลับมารีไซเคิลใหม่ เพราะอะลูมิเนียมมีจุดหลอมเหลว (660๐ C )ต่ำกว่าโลหะอื่นอย่าง โลหะในกลุ่มเหล็กชนิดต่างๆ (จุดหลอมเหลว ~1500-1600๐C) ไทเทเนียมบริสุทธิ์ (1660๐C ) ทองแดงบริสุทธิ์ (1063๐C ) ดังนั้นการนำขยะผลิตภัณฑ์อะลูมิเนียมกลับมาหลอมใหม่จึงใช้พลังงานน้อยกว่า
เกร็ดความรู้ : อะลูมิเนียมเกิดออกไซด์ได้เช่นเดียวกับเหล็ก?
เมื่อพูดถึงออกไซด์ของเหล็ก หลายคนคงนึกถึงสนิมเหล็ก ตัวการที่ทำให้เหล็กเกิดการกัดกร่อนเป็นอันดับแรก สนิมเหล็กเป็นออกไซด์รูปหนึ่งของเหล็กที่เกิดจากการรวมตัวของเหล็กกับออกซิเจนในอากาศ ขณะที่อะลูมิเนียมก็เป็นโลหะชนิดหนึ่งที่มีความไวต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีมาก (จึงพบอะลูมิเนียมในรูปสารประกอบ ไม่พบในรูปธาตุบริสุทธิ์ในธรรมชาติ) ดังนั้นเมื่อผิวอะลูมิเนียมสัมผัสกับออกซิเจนในอากาศจึงเกิดผิวออกไซด์ของอะลูมิเนียมได้เช่นเดียวกับเหล็ก
แต่ออกไซด์ของอะลูมิเนียมมีลักษณะต่างจากสนิมเหล็ก ออกไซด์ของอะลูมิเนียมจะเกิดบนผิวอย่างสม่ำเสมอและเกาะแน่นบนผิวจึงกลายเป็นชั้นเคลือบที่ปกป้องเนื้อโลหะจากการทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น ส่วนสนิมเหล็กมีลักษณะเป็นเนื้อพรุนทำให้ไอน้ำ ออกซิเจน และสารเคมีอื่นจากอากาศสามารถสอดแทรกเข้าไปทำปฏิกิริยากับเนื้อเหล็กที่อยู่ใต้ชั้นออกไซด์ต่อได้ ส่งผลให้เนื้อเหล็กที่อยู่ใต้ชั้นออกไซด์สามารถถูกกัดกร่อนต่อได้
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
- http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
- http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/PDF/Aluminum.pdf
- http://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_process
- http://www.madehow.com/Volume-1/Aluminum-Foil.html
- http://nautilus.fis.uc.pt/st2.5/scenes-e/elem/e01310.html
http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=420&Itemid=36