Alumiinin hiilivapaa primäärivalmistus käyttäen inerttiä anodia

Abstract

Alumiini on monipuolinen metalli, jonka käyttö kasvaa vuosi vuodelta. Alumiini on yksi energiaintensiivisimmistä metalleista ja sen valmistuksen aiheuttamat hiilidioksidipäästöt johtuvat pääosin käytetystä energiasta. Merkittävimmät prosessin hiilidioksidipäästöt, jotka eivät ole peräisin energiasta, tulevat elektrolyysissä anodilla tapahtuvasta reaktiosta. Reaktion tuotteena syntyy hiilidioksidia. Työssä tutkitaan alumiinin primäärivalmistuksen suorien hiilidioksidipäästöjen eliminoimista käyttäen inerttiä anodia. Työssä selitetään perusteellisesti alumiinin primäärituotannon eri vaiheet louhitusta alumiinimalmista valmiiseen alumiinisulaan asti. Tämän jälkeen lukijan on mahdollista ymmärtää, kuinka perinteisellä hiilianodilla syntyy reaktion tuotteena hiilidioksidia ja kuinka inertillä anodilla se korvataan hapella. Työn tarkoituksena on vertailla mahdollisia alumiinin elektrolyysin inerttejä anodimateriaaleja ja löytää niistä paras vaihtoehto inertiksi anodiksi. Työssä materiaaleja vertaillaan tutkimusten, artikkeleiden ja muiden tieteellisten julkaisujen pohjalta. Vertailtavia materiaaleja ovat metallit, keraamit ja kerametallit. Kerametallit ovat keraamien ja metallien muodostava komposiittirakenne. Näitä eri materiaaleja käsitteleviä tutkimuksia löytyy lähes 40 vuoden takaa, joten valituissa tutkimuksissa on pyritty keskittymään mahdollisimman uusiin ja tieteellisesti päteviin julkaisuihin, mutta silti tutustumaan alan suunnannäyttäjiin. Tutkimuksista saadut tiedot osoittavat, että kerametallit ovat lupaavin ratkaisu inerttien anodien materiaalihaasteisiin. Muiden materiaaliryhmien materiaaleilla on sellaisia heikkouksia, joiden takia on erittäin epätodennäköistä, että ne voisivat toimia alumiinin elektrolyysissä anodina. Erityisesti nikkeliferriittisestä keraamifaasista ja metallista koostuvat kerametallit ovat saavuttaneet hyviä tuloksia tutkimuksissa, joissa sitä verrataan muihin materiaaleihin. Inertit anodit ja niiden käyttö ei välttämättä ole niin kaukaista. Ensimmäinen inerttejä anodeja käyttävä kaupallinen alumiinin elektrolyysi, on määrä esitellä yleisölle vuosina 2025–2026. Tämän prosessin menetelmistä ja materiaaleista ei ole julkaistu vielä mitään tietoja, mutta patentit viittaavat kerametallipohjaisiin anodeihin. Tässä työssä esitellään, kuinka inerttien anodien avulla on mahdollista saavuttaa hiilineutraali alumiinin primäärituotanto. Työn tutkimukset ovat lupaavia, mutta inerteiksi anodeiksi soveltuvien materiaalien jatkotutkimukset ovat tärkeitä, jotta prosessi saadaan optimoitua.

Aluminum is a versatile metal with constantly increasing demand. Aluminum is one of the most energy-intensive metals, and the carbon dioxide emissions resulting from its production are mainly from the energy used. The most significant process-related carbon dioxide emissions that are not linked to the energy source come from the reaction occurring at the anode. The reaction at the anode releases carbon dioxide. This work examines the potential for eliminating these direct carbon dioxide emissions in primary aluminum production by using inert anodes. This work provides an in-depth overview of the different stages involved in primary aluminum production, starting from the mining of the aluminum ore to producing the finished aluminum. It then enables the reader to understand how a carbon anode generates carbon dioxide as a by-product during the reaction, while an inert anode produces only oxygen. The aim of this work is to compare potential inert anode materials for aluminum electrolysis and to determine the best option for it. The comparison is based on studies, articles and other scientific publications. The materials under examination include metal, ceramics and cermets, with cermets being composite structures formed from ceramics and metals. Although research on these materials dates back nearly 40 years, the selected studies focus on the most recent and scientifically strong publications while still considering the pioneering work in the field of inert anodes. The studies show that cermets are the most promising solution to the material challenges associated with inert anodes. Materials from the other groups show weaknesses that make them highly unlikely to perform properly in aluminum electrolysis. Notably, cermets composed of nickel ferrite-based ceramic phase combined with metal have produced excellent results compared to alternative materials. Inert anodes and their applications may be closer than expected. The first commercial aluminum electrolysis process that utilizes inert anodes is set to be introduced to the public in 2025-2026. No details regarding the process methods or materials have been published yet, but patents indicate cermet-based anodes. This work shows how carbon-neutral primary aluminum production can be achieved using inert anodes. The research findings are promising but further studies on suitable materials are essential for optimizing the process.