Jules Verne zbudował z niego rakietę, a teraz jest wszędzie. Co wiemy o aluminium?

Z kolei gdy mowa o technice, używamy słowa „aluminium”. Dlatego mamy np. tlenek czy chlorek glinu, ale puszkę z aluminium. W aluminium poza glinem występują jeszcze niewielkie ilości innych składników. W języku angielskim ten problem nie istnieje – mamy jedną nazwę „aluminium” (Amerykanie upraszczają to jeszcze bardziej, pisząc „aluminum”).

Glin to najbardziej rozpowszechniony w skorupie ziemskiej pierwiastek metaliczny – stanowi w niej ok. 8,2% (wagowo). Nie występuje w formie wolnej, tworzy tysiące związków, z których najszerzej występujące to glinokrzemiany. Glin jest też składnikiem wielu kamieni szlachetnych, takich jak popularne topazy czy turmaliny, ale też rubiny, szafiry czy szmaragdy. Z punktu widzenia technologii najcenniejsza jest niepozorna ilasta skała osadowa o nazwie boksyt – dość złożona mieszanina wodorotlenków glinu z domieszkami tlenków i wodorotlenków żelaza. To podstawowy surowiec, z którego w procesie elektrolizy pozyskuje się metaliczny glin.

Elektroliza!

Dziś aluminium otrzymuje się powszechnie w elektrolizerniach. Ze względu na dużą energochłonność (produkcja tony aluminium zużywa średnio 13,5 MWh) lokuje się je zazwyczaj blisko elektrowni. Do zasilania wanien elektrolitycznych służy prąd o bardzo niskim napięciu, poniżej 5 V (obecnie 4,1–4,2), ale o gigantycznym natężeniu – nawet 250–300 kA. W trakcie elektrolizy wydziela się cały szereg silnie toksycznych związków, głównie fluorowodór (z rozkładu kriolitu), ale też siarkowodór i inne związki lotne. Dodatkowo podczas oczyszczania rudy – boksytu – powstaje tzw. czerwony szlam, zawierający związki żelaza, tytanu i krzemu (metoda Bayera). Jest to odpad silnie toksyczny oraz żrący (pH 10–13). W 2010 r. w mieście Ajka na Węgrzech doszło do rozszczelnienia tamy zbiornika z czerwonym szlamem, co spowodowało uwolnienie 700 tys. m³ tych odpadów. Zginęło 10 osób, ponad 400 było poszkodowanych.

W Polsce istniały dwie huty aluminium. Ta w Skawinie działała w latach 1954–1981, a w Koninie- Malińcu od 1966 do 2009 r. W żadnej z nich nie prowadzono procesu Bayera, ale związki fluoru uwalniane przez wydziały elektrolizy dramatycznie niszczyły środowisko i zdrowie okolicznych mieszkańców. Oba zakłady ostatecznie przekształcono w walcownie i dziś wytwarzają rozmaite wyroby z aluminium, korzystając z półproduktów z zagranicy.

Jeśli chodzi o boksyt, to najwięcej wydobywa się go w Australii (39% światowych dostaw) oraz Gwinei. Kapitanowie masowców, którzy transportowali tę rudę, opowiadają, że woleliby wozić nawet niebezpieczne ładunki chemiczne. Ten pylisty materiał bardzo łatwo chłonie wilgoć, przekształcając się w papkę, która na kołyszącym się statku niekiedy przemieszcza się w ładowniach. W efekcie może dojść nawet do szybkiego wywrócenia się statku do góry dnem – ostatnie takie zdarzenie nastąpiło w pobliżu Wietnamu w 2015 r., z 19-osobowej załogi ocalał jeden marynarz.

Glin w domu

Współczesne lustra – kiedyś pracowicie pokrywane warstwą drogiego srebra – wykonuje się metodą napylania aluminium w komorach z bardzo niskim ciśnieniem. Są one znacznie trwalsze. Z aluminium wykonywano też garnki. Dziś raczej nie ma na rynku aluminiowych naczyń czy sztućców, popularnych (i tanich) kilkadziesiąt lat temu. Sam posiadam w domu dwa takie garnki. Czy można ich używać? Oczywiście, że tak. Są już pokryte całkiem solidną barierą – warstwą tlenku glinu – więc tak naprawdę nie muszę się obawiać, że metal ten przeniknie do jedzenia. Uwaga: nie każda potrawa nadaje się do gotowania i przechowywania w garnkach aluminiowych. Trzeba unikać potraw o odczynie kwaśnym – kapusty, bigosu, zupy pomidorowej, kompotów owocowych – ponieważ kwasy, nawet słabe, mogą trawić tlenek glinu. Tych samych produktów nie należy też owijać w folię aluminiową. Wszystko inne jak najbardziej można przechowywać w aluminium.

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu związki glinu, konkretnie ałun, były szeroko stosowane w produkcji papieru, a konkretnie tzw. kwaśnego papieru (w Polsce od połowy XIX w. do roku 1996). Niestety z czasem ulega on degradacji – zaczyna żółknąć i kruszeć. Paradoksalnie znacznie trwalszy jest papier sprzed stuleci. Zapewne niewiele osób wie, że aluminium w postaci proszku jest dopuszczonym do użycia dodatkiem do żywności, oznaczanym jako E173. Wykorzystuje się je głównie w cukiernictwie, przede wszystkim do barwienia powierzchni tortów i ciast. W domu spotkamy też dość często żaluzje z listewkami wykonanymi z aluminium. Także niektóre oprawy lamp czy półki są zrobione z tego materiału. Jeśli ktoś potrzebuje wyczyścić domowym sposobem jakieś aluminiowe elementy, np. listwy, może sięgnąć po kwasek cytrynowy/ ocet albo roztwór z wodą utlenioną. Płyny do mycia naczyń nadadzą blasku, ale nie usuną przebarwień.

Coraz częściej aluminium stosuje się w popularnych produktach konsumenckich takich jak obudowy smartfonów czy laptopów. Po materiał ten od dłuższego czasu sięgają także projektanci wnętrz, ponieważ łatwo go można kształtować. A pierwszym budynkiem, w którym na szeroką skalę zastosowano aluminium, był ukończony w 1931 r. Empire State Building w Nowym Jorku.

Glin w przemyśle

Mieszanka zwana termitem używana jest m.in. do spawania rur i szyn kolejowych. Stosuje się ją także w wojsku do przygotowania mas pirotechnicznych. Łączy się tu aluminium z tlenkiem metalu, głównie żelaza, co skutkuje wydzieleniem olbrzymich ilości ciepła – można osiągnąć temperaturę przekraczającą 3000°C.

Ponieważ glin jest bardzo plastyczny i kowalny, a do tego lekki, interesują się nim inżynierowie wszelkich specjalności. Stawiają oni jednak na stopy z niewielkimi domieszkami innych metali, bo czyste aluminium nie jest doskonałym materiałem. Najczęściej dodaje się miedź (do 5%), magnez (do 6%) i mangan (do 1,5%). Przyjmuje się, że opracowano kilkaset stopów glinu. Najszerzej stosowany jest dural (duraluminium), zawierający miedź, mangan, magnez, krzem i żelazo. Ten stop o doskonałej wytrzymałości przydaje się przede wszystkim w konstrukcjach lotniczych, kosmicznych, do wytwarzania lekkich ram rowerowych oraz samochodów sportowych. Co ważne, w przeciwieństwie do żelaza czyste aluminium nie koroduje (duraluminium tak). Ulega jednak procesowi pasywacji, pokrywając się bardzo cienką (zaledwie kilka nanometrów) warstwą tlenku glinu, tworzącą barierę ochronną. Stopy aluminium służą np. do wykonywania alufelg. Stop pokrywa ośmiometrowe zwierciadło Very Large Telescope, ulokowanego na pustyni Atakama w Chile – materiał ten doskonale odbija promieniowanie podczerwone.

Chociaż przewodność elektryczna aluminium stanowi tylko 63% przewodności miedzi, stosuje się je do wytwarzania przewodów elektrycznych, szczególnie dalekosiężnych. Wynika to z faktu, że aluminium ma trzykrotnie mniejszą gęstość od miedzi, a ponadto materiał ten nie ulega korozji. Specjalny rodzaj spieku, noszący nazwę aluminium utwardzanego dyspersyjnie, jest powstającą na ciepło mieszaniną glinu z dodatkiem ok. 20% Al₂O₃, wykorzystywaną w produkcji koszulek elementów paliwowych oraz rdzeni reaktorów jądrowych.

Szkodliwy dla człowieka?

Pierwiastek ten nie jest niezbędny dla ludzkiego organizmu. W niewielkich ilościach znajduje się tak naprawdę wszędzie. Przyjmujemy go z pożywieniem i napojami. Jest obecny w lekarstwach, np. zobojętniających kwas żołądkowy. Zawierają go też antyperspiranty (glin jest całkiem dobrze absorbowany przez skórę). W zasadzie nie ma formalnych limitów dotyczących dopuszczalnych stężeń glinu w organizmie. Na zlecenie Komisji Europejskiej uczeni oszacowali jednak tzw. TWI, a więc tolerowane tygodniowe pobranie. Uznali, że nie powinniśmy przekraczać 1 mg/ kg masy ciała. Jednocześnie zwracają uwagę na to, że większa część populacji taką dawkę regularnie przekracza. Prawdopodobnie w najbliższym czasie Europejski Urząd ds. Żywności podejmie decyzje dotyczące ustalenia limitów dla tego pierwiastka.

Badania wykazały, że glin w zasadzie niemal w całości zostaje wydalony wraz z moczem, ale niewielkie jego ilości mogą się kumulować przede wszystkim w nerkach, mózgu, płucach, wątrobie i tarczycy. Dlatego warto unikać ekspozycji na niego. Już od dłuższego czasu pojawiają się też mniej lub bardziej istotne doniesienia o tym, że może negatywnie wpływać na układ nerwowy człowieka. Co jakiś czas słyszymy w mediach, iż podwyższony poziom glinu skutkuje rozwojem choroby Alzheimera, ale nie ma na to twardych dowodów. Na pewno powoduje problemy z układem nerwowym u zwierząt.

Bardzo niewielkie ilości glinu dodaje się do niektórych szczepionek, gdzie pełnią funkcję adiuwantów, a więc związków zwiększających efektywność preparatów. Co jakiś czas w mediach społecznościowych wybucha o to wojna. Jaka jest prawda? Owszem, glin trafia do szczepionek, m.in. przeciw WZW A i B, pneumokokom, DTPa, ale jest go tam mniej niż 0,8 mg/ dawkę (średnio 0,2 mg). Wieloletnie badania pokazały jednak, że nie wpływa negatywnie na zdrowie osób szczepionych. Trzeba pamiętać, w produktach spożywczych występuje go często więcej, nawet w takich zdrowych jak rośliny strączkowe, orzechy czy nasiona oleiste. Ba, znajduje się on nawet w kobiecym mleku.

Zanieczyszczenie powietrza aluminium stwierdza się w okolicach odlewni, walcowni oraz miejsc obróbki mechanicznej tego metalu. Występuje tam głównie w postaci pyłu. Zgodnie z rozporządzeniem z 2018 r. maksymalne dopuszczalne stężenie pyłu glinu w powietrzu wynosi 2,5 mg/m³.