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 1,000^๐C 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 (660^๐ C )ต่ำกว่าโลหะอื่นอย่าง โลหะในกลุ่มเหล็กชนิดต่างๆ (จุดหลอมเหลว ~1500-1600^๐C) ไทเทเนียมบริสุทธิ์ (1660^๐C ) ทองแดงบริสุทธิ์ (1063^๐C ) ดังนั้นการนำขยะผลิตภัณฑ์อะลูมิเนียมกลับมาหลอมใหม่จึงใช้พลังงานน้อยกว่า

เกร็ดความรู้ : อะลูมิเนียมเกิดออกไซด์ได้เช่นเดียวกับเหล็ก?

เมื่อพูดถึงออกไซด์ของเหล็ก หลายคนคงนึกถึงสนิมเหล็ก ตัวการที่ทำให้เหล็กเกิดการกัดกร่อนเป็นอันดับแรก สนิมเหล็กเป็นออกไซด์รูปหนึ่งของเหล็กที่เกิดจากการรวมตัวของเหล็กกับออกซิเจนในอากาศ ขณะที่อะลูมิเนียมก็เป็นโลหะชนิดหนึ่งที่มีความไวต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีมาก (จึงพบอะลูมิเนียมในรูปสารประกอบ ไม่พบในรูปธาตุบริสุทธิ์ในธรรมชาติ) ดังนั้นเมื่อผิวอะลูมิเนียมสัมผัสกับออกซิเจนในอากาศจึงเกิดผิวออกไซด์ของอะลูมิเนียมได้เช่นเดียวกับเหล็ก

แต่ออกไซด์ของอะลูมิเนียมมีลักษณะต่างจากสนิมเหล็ก ออกไซด์ของอะลูมิเนียมจะเกิดบนผิวอย่างสม่ำเสมอและเกาะแน่นบนผิวจึงกลายเป็นชั้นเคลือบที่ปกป้องเนื้อโลหะจากการทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น ส่วนสนิมเหล็กมีลักษณะเป็นเนื้อพรุนทำให้ไอน้ำ ออกซิเจน และสารเคมีอื่นจากอากาศสามารถสอดแทรกเข้าไปทำปฏิกิริยากับเนื้อเหล็กที่อยู่ใต้ชั้นออกไซด์ต่อได้ ส่งผลให้เนื้อเหล็กที่อยู่ใต้ชั้นออกไซด์สามารถถูกกัดกร่อนต่อได้

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=420&Itemid=36