La produzione dell’alluminio: il processo Hall-Heroult

L’alluminio metallico non esiste in natura: si nasconde nell’ossido, l’allumina, da cui solo l’elettrolisi riesce a strapparlo. Il processo che lo rende possibile — il Hall-Héroult — scioglie l’allumina in un bagno di criolite fusa e la riduce a metallo a circa 960 °C, in celle che sono tra i maggiori divoratori di energia elettrica dell’industria.

Vediamo perché serve la criolite, come avviene la riduzione, perché gli anodi di carbone si consumano e quanto pesa il consumo energetico per chilogrammo di alluminio.

Perché l’allumina da sola non basta

La materia prima dell’alluminio è la bauxite, da cui si estrae l’allumina (Al₂O₃). Fonderla per elettrolizzarla allo stato liquido sarebbe però impraticabile: l’allumina pura fonde a una temperatura altissima, intorno ai 2050 °C, che pone problemi enormi di materiali e di dispersione termica. La soluzione, trovata alla fine dell’Ottocento, è stata sciogliere l’allumina in un altro sale fuso che abbassa drasticamente la temperatura di lavoro.

Il ruolo della criolite

Il sale che rende possibile il processo è la criolite, Na₃AlF₆. Sciogliendo dal 12 al 22,5% di allumina nella criolite si forma una miscela eutettica che fonde intorno ai 935 °C: nella pratica industriale la cella lavora a circa 960 °C, una temperatura ben gestibile rispetto ai 2050 °C dell’allumina pura. Nel bagno fuso l’alluminio è presente come ioni complessi ossifluorurati, e le reazioni di elettrodo si scrivono solo in forma approssimata.

Le reazioni agli elettrodi

Al catodo — di fatto il rivestimento sul fondo della cella — gli ioni alluminio si riducono a metallo liquido, che essendo più denso si raccoglie sul fondo e viene periodicamente prelevato. All’anodo l’ossigeno liberato non si sviluppa come gas inerte, ma reagisce immediatamente con il carbonio dell’anodo formando ossido e anidride carbonica.

Catodo: Al³⁺ + 3 e⁻ → Al  ·  Anodo: 3 C + 3 O₂ → 3 CO₂

La conseguenza pratica è importante: gli anodi di carbone (una miscela di pece e coke) si consumano durante l’elettrolisi e vanno periodicamente sostituiti. È una delle voci di costo del processo, insieme all’energia. La reazione complessiva combina due moli di allumina e tre di carbonio per dare quattro di alluminio e tre di anidride carbonica.

Tensioni, correnti e consumo energetico

La cella Hall-Héroult lavora a una tensione di circa 4,2 V, ben più alta del valore teorico di riduzione, che è intorno a 1,7 V: tutta la differenza è dissipata in sovratensioni e cadute ohmiche, e si traduce in calore ed energia consumata. Le correnti totali sono enormi, dell’ordine di 100.000 A nelle celle dei grandi impianti, con densità di corrente di alcuni kA/m² agli elettrodi.

Sottoprodotti e purezza

Il processo non è privo di criticità ambientali. Alla reazione anodica si accompagna lo sviluppo di composti del fluoro, che vanno captati e abbattuti con sistemi di depurazione costosi. Inoltre l’alluminio ottenuto dal bagno di criolite contiene piccole quantità di impurezze, tipicamente intorno allo 0,1% di ferro e 0,1% di silicio; per usi che richiedono purezze più elevate occorre un’ulteriore raffinazione elettrochimica, distinta dal processo principale.

Perché conta nella pratica

L’alluminio è uno dei metalli più usati al mondo, dai trasporti agli imballaggi, e il suo costo è dominato dall’energia elettrica del processo Hall-Héroult. Capire perché la cella lavora a 4,2 V e non a 1,7, perché gli anodi si consumano, quanto fluoro va abbattuto e perché il riciclo è così conveniente è fondamentale per chi opera nella filiera dei metalli leggeri e per chi ne valuta l’impronta energetica e ambientale.

Domande frequenti

Perché si usa la criolite nel processo Hall-Héroult?

Perché l’allumina pura fonde a circa 2050 °C, una temperatura impraticabile per l’elettrolisi. Sciogliendo l’allumina nella criolite fusa (Na₃AlF₆) si forma una miscela eutettica che fonde intorno ai 935 °C; la cella opera a circa 960 °C, una temperatura gestibile che rende il processo possibile su scala industriale.

Perché gli anodi di carbone si consumano?

Perché l’ossigeno che si libera all’anodo non si sviluppa come gas inerte, ma reagisce subito con il carbonio dell’anodo formando ossido e anidride carbonica. Il carbonio dell’anodo viene così consumato dalla reazione, e gli anodi (una miscela di pece e coke) vanno periodicamente sostituiti. È una voce di costo del processo accanto all’energia.

Perché la cella lavora a 4,2 V se la tensione teorica è 1,7 V?

Perché alla tensione termodinamica di riduzione si sommano le sovratensioni agli elettrodi e le cadute ohmiche nel bagno e nei conduttori. Questa differenza di circa 2,5 V è dissipata in calore ed è energia consumata in più. Ridurre tale eccesso è uno degli obiettivi principali per migliorare l’efficienza energetica del processo.

Perché gli impianti di alluminio si costruiscono vicino alle centrali?

Perché l’estrazione dell’alluminio è la maggiore consumatrice singola di energia elettrica industriale, fino a circa il 5% dell’elettricità prodotta in Nord America. Collocare gli impianti accanto a grandi centrali, spesso idroelettriche, garantisce energia a basso costo e minimizza le perdite di trasmissione, riducendo il costo del metallo.

L’alluminio del processo è puro?

Quasi: contiene piccole quantità di impurezze, tipicamente intorno allo 0,1% di ferro e 0,1% di silicio derivanti dalle materie prime. Per la maggior parte degli usi questa purezza è sufficiente, ma per applicazioni che richiedono alluminio più puro occorre una raffinazione elettrochimica aggiuntiva, distinta dal processo Hall-Héroult principale.