دانلود تحقیق آلمینیوم

تاریخچه کشف آلومینیوم "فردریک وهلر" به‌طور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت.

اما این فلز دو سال پیشتر به‌وسیله "هانس کریستین ارستد" شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد.

در روم و یونان باستان این فلز را به‌ عنوان ثابت‌کننده رنگ در رنگرزی و نیز به‌عنوان بند‌آورنده خون زخم‌ها بکار می‌بردند و هنوز هم به‌عنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده ‌است.

در سال ۱۷۶۱، "ویتون دموروو" پیشنهاد کرد تا alum را آلومین (alumin) بنامند.

پیدایش و منابع اگر چه آلومینیوم، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است (۱۸٪)، این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گران‌بها و ارزشمندتر از طلا به حساب می‌آمد.

بنابر این، به‌ عنوان فلزی صنعتی اخیرا مورد توجه قرار گرفته و در مقیاس‌های تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده‌ است.

در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن از سنگ‌ ها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین به‌صورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز از نظر تهیه به شمار می‌آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد.

تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد.

بازیافت آلومینیوم موضوع تازه‌ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت.

با این همه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعت بود تا زمانی که بازیافت قوطی‌های آلومینیومی آشامیدنی‌ها بالاخره بازیافت این فلز را مورد توجه قرار داد.

منابع بازیافت آلومینیوم عبارتند از: اتومبیل‌ها، پنجره‌ها، درها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات.

معرفی آلومینیوم، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای علامت Al و عدد اتمی ۱۳ می‌باشد.

آلومینیوم که عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتا به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می‌شود و از نظر مقاومتی که در برابر اکسیداسیون دارد، همچنین وزن و قدرت آن، قابل توجه‌ است.

آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیون‌ها محصول مختلف به‌کار می‌رود و در جهان اقتصاد، عنصر بسیار مهمی است.

اجزای سازه‌هایی که از آلومینیوم ساخته می‌شوند، در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل‌ونقل بسیار مهم هستند.

همچنین در سازه‌هایی که در آن‌ها وزن پایداری و مقاومت لازم هستند، وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگی‌های قابل توجه آلومینیوم، فلزی نرم و سبک، اما قوی است، با ظاهری نقره‌ای - خاکستری مات و لایه نازک اکسایش که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند.

وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است.ِ چکش خوار، انعطاف‌پذیر و به راحتی خم می‌شود.

همچنین بسیار بادوام و مقاوم در برابر زنگ‌زدگی است.

به‌علاوه، این عنصر غیر مغناطیسی، بدون جرقه، دومین فلز چکش‌خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

کاربردها چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است و تقریبا در تمامی بخش‌های صنعت دارای اهمیت است.

آلومینیوم خالص، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیوم، منگنز، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند.

این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکت‌ها را می‌سازند.

وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند.

این پوشش‌ها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند.

یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است.

برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از: حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و...) بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و...) ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و...) کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه، ...) خطوط انتقال الکتریکی (به‌علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها ۶۰٪ هدایت الکتریکی مس می‌باشد) ماشین‌آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) به طور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد.

یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان به کار می‌روند.

آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشک‌های با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از: حمل و نقل (اتومبیل‌ها، هواپیماها، کامیون‌ها، کشتی‌ها، ناوگانهای دریایی، راه آهن و...) بسته‌بندی (قوطی‌ها، فویل و...) ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوشها و...) کالاهای با دوام مصرف کننده (وسایل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه، ...) خطوط انتقال الکتریکی (به‌علت وزن سبک اگرچه هدایت الکتریکی آن تنها ۶۰٪ هدایت الکتریکی مس می‌باشد) ماشین‌آلات اکسید آلومینیوم (آلومینا) به طور طبیعی و بصورت کوراندوم، سنگ سنباده، یاقوت و یاقوت کبود یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد.

آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشک‌های با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود .

در طی جنگ جهانی اول و دوم، آلومینیوم به مقدار قابل توجهی تولید و به عنوان ماده سبک و مناسب در ساخت هواپیماهی جنگی به کار گرفته شد.

صنایع آلومینیوم سازی در این زمان پیشرفت چشمگیری یافتند.

بعد از جنگ جهانی کشورهایی همچون کانادا و آمریکا که اکنون صاحب صنایع عظیمی در زمینه آلومینیوم هستند و گستره عظیمی از این صنعت را در اختیار دارند متوجه اهمیت کاربرد آلومینیوم در سایر صنایع و از جمله در ساختمان‌سازی شدند.

آلومینیوم به دلیل خواص ویژه ای که دارد توانسته است طی 50 سال اخیر پیشرفت چشمگیری را در صنایع ساختمانی پیدا کند.

چنانچه میزان مصرف آن از سال 1960 تا سال 1998 روند صعودی داشته است.

امروزه حدود 35 در صد از آلومینیوم تولیدی دنیا در صنایع ساختمانی مصرف می‌شود.

آلومینیوم به اشکال مختلف در ساختمان به کار می‌رود.

آلومینیوم اکسترود شده، نورد شده و ریختگی برای ساخت قالب‌های در و پنجره، سقف، کف کاذب، نما، یراق‌آلات، پرده دیواری، سیستم‌های حرارتی و تهویه‌ای، پرده و حفاظ، سایبان و پارتیشن‌ها و پانل‌ها، ساختمان‌های پیش‌ساخته، خانه‌های سبز و داربست‌ها استفاده می‌شود.

مهم‌ترین دلیلی که باعث شده تا آلومینیوم با این وسعت و به این اندازه در صنایع ساختمانی به کار رود عبارتند از: سبکی و وزن کم تجهیزات آلومینیومی فاکتور بسیار مهمی در کاربردهای مهندسی ساختمان محسوب می‌شود.

آلومینیوم فلزی است با وزنی حدود یک سوم وزن فولاد، ین سبک وزنی و همچنین قابلیت شکل‌پذیری بالا ، آلومینیوم را فلزی مناسب جهت ساخت در و پنجره تبدیل نموده است.

موارد آلومینیومی مصرفی در ساختمان طول عمر بالایی داشته و به تعمیر و نگهداری نیازی ندارند.

آلومینیوم موجب می‌شود خطرات احتمالی ناشی از زلزله به حداقل برسد.

همچنین بار استاتیکی وارد بر ساختمان کم گردد و در نتیجه مصالح مورد نیاز نیز کاهش یابد و فشار کمتری به پی ساختمان وارد شود و فونداسیون ساختمان را بتوان با مواد کمتری طراحی کرد.

نسبت استحکام به وزن بالای آلومینیوم از خواصی است که در صنعت ساختمان‌سازی اهمیت ویژه‌ای را به آن می‌دهد.

آلومینیوم دارای چگالی حدود 2/7 گرم بر سانتی‌متر مکعب است، یعنی حدود یک سوم چگالی فولاد، استحکام آلیاژهای آلومینیوم را نیز می‌توان با انتخاب آلیاژ مناسب و گاه با اعمال عملیات حرارتی خاص به حد استحکام فولاد رساند، در نتیجه می‌توان آلومینیوم با استحکام و سختی بالا به دست آورد و در ساخت حمایل‌ها و فرم‌های پنجره‌ها و درها استفاده کرد.

سختی و استحکام مواد آلومینیومی باعث می‌شود که یک نوار باریک برای قاب آلومینیومی بتواند در مقابل بارها و تنش‌های اعمالی پایدار بماند و این مورد در ساختمان‌های بلند از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا پایداری و ثبات استاتیکی از خواص ضروری برای پنجره‌ها، سردرها و سایبان‌ها محسوب می‌شوند.

سردرهای آلومینیومی به عنوان پوششی در مقابل نور و حرارت به کار می‌روند و کاربرد آن‌ها در ساختمان‌های غیر مسکونی بیشتر می‌باشد.

این پوشش‌ها باعث افزایش عمر ساختمان می‌شوند، خواص عایق‌بندی مناسب را فراهم می‌کنند و بازده بهره‌برداری از انرژی را تقویت می‌کنند.

نسبت استحکام به وزن بالای آلومینیوم، باعث شده که این فلز به عنوان ماده مناسب برای کاربرد در نماسازی مطرح باشد.

علاوه بر آن موجب کاهش هزینه‌های حمل و انتقال تجهیزات می‌شود.

وزن کم محصولات آلومینیومی جابه‌جایی آن را از مکانی به مکان دیگر تسهیل می‌نماید.

پانل‌های رول شده با وزن مخصوص کم، قابل جابجایی با دست می‌باشند و نیاز به تجهیزات عظیم و سنگین ندارند.

سازه‌های سبک و پارتیشن‌های آلومینیومی به راحتی قابل اتصال و جابجایی می‌باشند و نصب آن‌ها با سرعت و سهولت امکان‌پذیر است.

یکی دیگر از خواص آلومینیوم در صنایع ساختمانی قرار گرفتن آلومینیوم در زمره مواد غیر مشتعل می‌باشد زیرا که آلومینیوم نمی‌سوزد و قابل اشتعال نیست و در آتش‌سوزی در زمره مواد غیر مشتعل شونده دسته‌بندی می‌شود.

آلومینیوم در 650 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود که تا رسیدن به این دما به زمان نسبتاً زیادی نیاز است.

در یک آتش‌سوزی بزرگ این خاصیت یک مزیت مهم به شمار می‌رود زیرا که انرژی آتش صرف ذوب و گرم کردن آلومینیوم می‌شود.

سقف‌های صنعتی و دیوارهای خارجی ساخته شده از پانل‌های نازک آلومینیوم طوری طراحی می‌شوند که در یک آتش‌سوزی بزرگ ذوب شوند.

در نتیجه ساختمان باز شده، گرما و دود آزاد شده و اجازه خروج پیدا می‌کند و در نتیجه دمای اعمال شده به ساختار کم می شود و خاموش کردن آتش آسان‌تر انجام می‌گیرد.

در نتیجه سازه اصلی ساختمان سالم باقی می‌ماند.

خطرات ریزش نیز کمتر می‌شود و در ضمن نیاز به بازسازی کامل سازه‌ها بعد از آتش سوزی نیز از بین می‌رود.

علاوه بر مسائل فوق نکته مهم این است که آلومینیوم در حین گرم شدن و حتی ذوب شدن هیچ نوع گاز و دود خطرناک و سمی تولید نمی‌کند، در نتیجه در مقایسه با در و پنجره‌های چوبی و یا PVC به دلیل عدم تولید گاز یا دود خطرناک از کیفیت بالاتری برخوردار است.

آلومینیوم سخت، محکم و پایدار است و یکی از مزایای پنجره های آلومینیومی بر پنجره‌هایی از جنس چوبی و یا وینیلی(PVC) سختی آن‌ها است.

آلومینیوم تقریباً 2/23 برابر سخت‌تر از وینیل و 2/7 برابر سخت‌تر از چوب است.

لذا در و پنجره و سازه‌های آلومینیومی در برابر کج شدن و اعوجاج ناشی از تحرک ساختمان مشکلی از خود نشان نمی‌دهند و در برابر بارهای اعمالی تغییر شکل نداده و دفورمه نمی‌شوند.

بر خلاف سایر موارد مصالح ساختمانی، آلومینیوم از عمری طولانی و نامحدود برخوردار است و دوام و پایداری آن از سایر مواردی که در اطرافمان هر روز می‌بینیم بیشتر است.

آلومینیوم نصب شده در گنبد کلیسای San RomesGieacchino در یک قرن پیش، اجزاء ساختمانی نصب شده در ساختمان امپراطوری نیویورک در سال 1953 (اولین ساختمانی که از آلومینیوم آندایز شده در آن استفاده شد) و یا مجسمه واقع در سیرک لندن که قدمت آن به صد سال پیش بر می‌گردد، نمونه‌های جالبیست که نشان از عمر طولانی این فلز دارند.

آلومینیوم رطوبت را جذب نمی کند، متورم نمی‌شود، ترک نمی‌خورد، شکافته و پاره نمی‌شود، منقبض نمی‌شود و قابل فاسد شدن نیست.

آلومینیوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش به هیچ گونه پوششی نیاز ندارد.

محصولات مصرفی آلومینیوم در ساختمان به صورت آلیاژهای آلومینیوم می‌باشند که به صورت ریختگی یا فولادی بوده و حاوی عناصری مثل منگنز، منیزیم و سیلیسیم می‌باشند.

وجود این عناصر به صورت آلیاژی باعث یجاد خواص پایداری و دوام و مقاومت در برابر اتمسفر و هوا و استحکام بالا تاحد فولاد می‌شود.

یکی دیگر از خواص فوق‌العاده آلومینیوم مقاومت خوردگی آن است.

اکسید طبیعی که همواره در سطح آلومینیوم وجود دارد مانع و سد بزرگی در برابر انواع مواد خورنده محسوب می‌شود.

لایه اکسید تشکیل شده، نازک، مستحکم و غیر متخلخل است و نقش پوشش را بازی می‌کند.

لذا در ساخت اجزایی از ساختمان که تنها یک بار قابل چک کردن هستند و بعد از آن امکان بازدید آن‌ها وجود ندارد، مناسب می‌باشد.

آلومینیوم در برابر رطوبت و اتمسفر هوا مقاوم است و خورده نمی‌شود، لذا بهترین ماده برای ساخت در و پنجره و سایر تجهیزات ساختمانی در مناطق مرطوب و شرجی و نواحی ساحلی است.

علاوه بر آن مواد آلوده کننده‌ای مثل آمونیوم NH4، منوکسید کربن و دی‌اکسید کربن تاثیر بسیار کمی بر آلومینیوم دارند.

همچنین تاثیر کمی که کلرید سدیم بر آلومینیوم دارد باعث استفاده این فلز در سازه‌های دریایی و مناطق ساحلی گشته است.

فویل‌های آلومینیومی معمولاً برای محافظت از سایر مواد ساختمانی به کار می‌روند.

مثلاً فویل به پانل‌های ساختمانی "لامینه" چسبانده می‌شود و همچون یک پوشش از نفوذ رطوبت به آن جلوگیری می‌کند.

آلومینیوم فلزی است که آندایز می‌شود، یعنی آلومینیوم به عنوان آند قرار گرفته با اعمال جریان الکتریکی، یک لایه اکسید بر سطح آن ایجاد می‌کنند که ضخامت این لایه بیشتر از لایه اکسید طبیعی است و در ضمن به آلومینیوم قابلیت رنگ‌پذیری می‌دهد.

طی پروسه آندایزینگ می‌توان آلومینیوم را به رنگ‌های زیبایی در آورد و به آن زیبایی و استحکام بخشید، در نتیجه طرحی زیبا و جذاب تولید می‌شود که سطح آن به آسانی با آب گرم قابل شتشو است و نیاز به هیچ تمیزکاری و نگهداری ندارد و به طور طبیعی مقاوم به خوردگی است.

استخراج آلومینیوم آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی‌تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al۲O۳) به‌وسیله کاهش با کربن جدا شود.

در عوض روش جداسازی این فلز از طریق برق‌کافت است.

(این فلز در محلول اکسیده شده، سپس بصورت فلز خالص جدا می‌شود.) لذا جهت این کار، سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد.

اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) که تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می‌دادند و نقطه ذوب آن تا ۹۰۰درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یافت.

اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم، سدیم و فلوئورید کلسیم، جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده‌است.

این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه‌ها هستند.

الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار می‌روند، هر دو کربن هستند.

وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است، یونهای آن آزادانه حرکت می‌کنند.

واکنش در کاتد منفی اینگونه‌است: در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است (الکترونها اضافه می‌شوند).

سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو می‌رود و خارج می‌شود.

آند مثبت، اکسیژن بوکسیت را اکسیده می‌کند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی‌اکسید کربن نماید.

این کاتد باید عوض شود، چون اغلب تبدیل به دی‌اکسید کربن می‌شود.

بر خلاف هزینه الکترولیز، آلومینیوم فلزی، ارزان با کاربرد وسیع است.

امروزه آلومینیوم را می‌توان از خاکه معدنی استخراج کرد، اما این فرایند، اقتصادی نیست.

ایزوتوپها آلومینیوم، دارای ۹ ایزوتوپ است که عمده‌ترین آنها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شده‌اند.

تنها Al-۲۷ (ایزوتوپ پایدار) و Al-۲۶ (ایزوتوپ رادیواکتیو) بطور طبیعی وجود دارند.

Al-۲۶ از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ می‌دهد، تولید می‌شود.

ایزوتوپهای آلومینیوم، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخهای دوران یخبندان، کوارتز در صخره‌ها و شهاب سنگها دارد.

Al-۲۶ اولین بار در مطالعات ماه و شهاب‌سنگها بکار رفت.

اجزاء شهاب‌سنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار می‌شود.

بعد از سقوط روی زمین، حفاظ اتمسفر مانع از تولید Al-۲۶ بیشتر از قطعات شهاب‌سنگها می‌شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موثر است.

تحقیقات روی شهاب‌سنگها ثابت کرده‌است که Al-۲۶ در زمان شکل‌گیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشته‌است.

احتمالاً انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی Al-۲۶، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را ۲-۴ میلیارد سال پیش در پی داشته‌است.

هشدارها آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است که ظاهراً هیچ فعالیت موثری در سلولهای زنده ندارد.

اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند.

آنها تجربه کرده‌اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می‌شود.

مصرف داروهای بند آورنده خون و مواد ضد عرق باعث ایجاد جوشهای خارش آور و سوء هاضمه می‌گردد.

عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علائم مسمومیت در نتیجه خوردن اینگونه محصولات مانند Maalox، Amphojel، Kaopectate.

در سایر افراد آلومینیوم مانند فلزات سنگین، سمی نیست، اما در صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شده‌است.

اگرچه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آنها بسیار رایج است، در کل، هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آنها دیده نشده‌است.

مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند، احتمال مسمومیت بیشتری دارند.

بعلاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده‌است، گرچه اخیرا این فرضیه رد شده‌است.

مصرف زیاد این عنصر باعث کم خونی نیز می‌گردد