ホール・エルー法

元素アルミニウムは、水溶液中のアルミニウム塩の電気分解では製造できません。なぜなら、ヒドロニウムイオンが元素アルミニウムを容易に酸化してしまうからです。溶融アルミニウム塩を使用することも可能ですが、酸化アルミニウムの融点は2072  ℃（3762  °F）^{[ 4 ]}であるため、電気分解は現実的ではありません。ホール・エルー法では、アルミナ（Al2O3 _）を溶融合成氷晶石（Na3AlF6 _）に_溶解して融点を下げ、電気分解を容易にします。^{[ 1 ]}炭素源は一般的にコークス（化石燃料）です。^{[ 2 ]}

ホール・エルー法では、炭素電極において以下の簡略化された反応が起こる。

陰極：

陽極：

全体：

実際には、陽極ではCOよりもはるかに多くのCO₂_{が生成されます。}

純粋な氷晶石の融点は氷晶石の融点は1009 ± 1  °C (1848  °F)です。少量のアルミナが溶解すると、融点は約1000  °C (1832  °F)まで下がります。氷晶石は比較的低い融点を持つことに加えて、アルミナをよく溶解し、電気伝導性があり、アルミナよりも高い電圧で電解分解し、電解に必要な温度でアルミニウムよりも密度が低いなどの理由から、電解質として使用されます。^{[ 1 ]}

電解液には通常、フッ化アルミニウム（AlF₃ _{）が添加されます。NaF/ AlF₃}の比率は氷晶石比と呼ばれ、純粋な氷晶石では3です。工業生産では、融点をさらに下げるために氷晶石比が2～3になるようにAlF₃が添加され、940～980℃（1700～1800°F）の温度で電気分解が行えるようになります_。 液体 アルミニウムの密度は、 950～1000 ℃（1750～1830 °F） の温度で2.3 g/mlです。溶融アルミニウムが電解液から分離して電解槽の底に適切に沈殿するように、電解液の密度は2.1 g/ml未満である必要があります_。AlF₃に加えて、フッ化リチウムなどの他の添加剤が添加され、電解液のさまざまな特性（融点、密度、導電率など）を変化させる場合があります。^{[ 1 ]}   

混合物は、低電圧（5V未満 ）の直流電流を流すことによって電気分解される。100～300  kAの電流が流れる。これにより、陰極に液体アルミニウムが析出し、アルミナからの酸素が陽極からの炭素と結合して主に二酸化炭素が生成される。^{[ 1 ]}

このプロセスに必要な理論上の最小エネルギー量は 6.23 kWh/(kg の Al) ですが、実際には 15.37  kWh が必要です。^{[ 5 ]}

工場内のセルは、溶融した材料が固化しないように24時間稼働しています。セル内の温度は電気抵抗によって維持されます。炭素陽極の酸化は、炭素電極の消費と二酸化炭素の発生という代償を伴うものの、電気効率を高めます。^{[ 1 ]}

室温では固体氷晶石は固体アルミニウムよりも密度が高いが、約1,000 °C (1,830 °F)の温度では液体アルミニウムは溶融氷晶石よりも密度が高い。アルミニウムは電解槽の底に沈み、定期的に回収される。液体アルミニウムは、極めて高温のバルブやポンプを使用する必要がないように、1 ～ 3 日ごとにサイフォンで吸い出される。アルミニウムが取り出されると、アルミナが電解槽に添加される。工場内の異なる電解槽から回収されたアルミニウムは、最終的に溶融して均一な製品を確保し、金属板に加工される。電解混合物には、酸素による陽極の酸化を防ぐためにコークスが振りかけられる。^{[ 1 ]}  

セルでは、陽極でガスが発生します。主に陽極の消費によって発生するCO ₂と、氷晶石とフラックス(AlF _{3 ) から発生する}フッ化水素(HF) です。最新の設備では、フッ化物はほぼ完全にセルにリサイクルされ、再利用されます。漏れた HF は中和されてナトリウム塩であるフッ化ナトリウムになります。微粒子は静電フィルターまたはバッグフィルターを使用して捕集されます。CO ₂は通常、大気中に放出されます。^{[ 1 ]}

セル内の溶融材料を攪拌すると、製品中の氷晶石不純物が増加するという代償を伴うものの、生産速度は向上する。適切に設計されたセルは、電解電流によって誘起される磁気流体力学的な力を利用して電解液を攪拌することができる。攪拌しない静止プールセルでは、不純物は金属アルミニウムの上部に上昇するか、底部に沈み、高純度アルミニウムが中間領域に残る。^{[ 1 ]}

電池の電極は主に高温で精製されたコークスです。ピッチ樹脂またはタールが結合剤として使用されます。陽極に最もよく使用される材料であるコークスとピッチ樹脂は、主に石油産業の残渣であり、溶融アルミニウムや電解液に不純物が混入しないように、十分な純度が必要です。^{[ 1 ]}

ホール・エルー法を用いた陽極技術には、主にセーデルバーグ技術とプレベーク技術の2種類がある。

セーデルベルグ陽極または自己焼成陽極を使用するセルでは、電解セルごとに陽極が1つあります。陽極はフレーム内に収められており、電解中に陽極の底部が主に_CO2に変化すると、陽極は質量を失い、非晶質であるため、フレーム内でゆっくりと沈みます。陽極の上部には、コークスとピッチから作られたブリケットの形で材料が継続的に追加されます。製錬作業で失われた熱は、ブリケットをアルミナとの反応に必要な炭素形態に焼成するために使用されます。電解中のセーデルベルグ陽極での焼成プロセスは、プレベーク陽極を使用した電解よりも多くの発がん性PAHやその他の汚染物質を放出するため、部分的にはこの理由から、プレベーク陽極を使用するセルがアルミニウム産業でより一般的になっています。電解液混合物の上部の皮膜が破壊された後、セーデルベルグ陽極の側面からさらにアルミナが電解液に追加されます。^{[ 1 ]}

プレベーク陽極は、非常に大きなガス炉で高温で焼成された後、さまざまな重工業用昇降システムによって電解液中に降ろされます。通常、1セルあたり2列に24個のプレベーク陽極が配置されます。陽極の底面は電解中に腐食されるため、各陽極はコンピュータによって個別に垂直に降ろされます。Söderberg陽極と比較して、コンピュータ制御のプレベーク陽極は、セル底部の溶融アルミニウム層に接触して電解を妨げることなく、より近づけることができます。この距離の短縮により、電解液混合物による抵抗が減少し、プレベーク陽極の効率はSöderberg陽極よりも向上します。プレベーク技術は陽極効果のリスクも大幅に低減しますが（下記参照）、この技術を使用するセルは、セル内の各プレベーク陽極が使用後に取り外して交換する必要があるため、製造コストが高く、使用にも手間がかかります。アルミナは、プレベークセル内の陽極の間から電解液に添加される。^{[ 1 ]}

プレベーク陽極は、Söderberg陽極よりも固体である必要があるため、ピッチの割合が少なくなっています。プレベーク陽極の残骸は、新しいプレベーク陽極の製造に使用されます。プレベーク陽極は、電気分解が行われる工場と同じ工場で製造されるか、他の場所から運ばれてきます。^{[ 1 ]}

電解槽の内側は、コークスとピッチで作られた陰極で覆われています。陰極も電気分解中に劣化しますが、陽極よりもはるかにゆっくりと劣化するため、その純度とメンテナンス要件は陽極よりも低くなります。陰極は通常2～6年ごとに交換されます。これには、電解槽全体を停止する必要があります。^{[ 1 ]}

アノード効果とは、アノード底部に気泡が過剰に発生し、それらが結合して層を形成する現象です。これにより、電解質とアノードの接触面積が小さくなるため、セルの抵抗が増加します。セル内の電流密度がこれらの領域に集中すると、電解質とアノードのこれらの領域が加熱されます。この加熱により気泡層が膨張し、電解質とアノードの接触面積がさらに減少します。アノード効果は、セルのエネルギー効率とアルミニウム生産量を低下させます。また、テトラフルオロメタン（CF₄ _{）の生成を}著しく増加させ、COの生成量を増加させ、さらに程度は低いもののヘキサフルオロ_エタン（_C₂F₆）の生成も引き起こします。CF₄_とC₂F₆はCFCではなく、オゾン層に有害ではありませんが、強力な温室効果ガスです。アノード効果_は主にSöderbergテクノロジーのセルで問題となり、プレベークセルでは問題になりません。^{[ 1 ]}

アルミニウムは地殻に最も豊富に存在する金属元素ですが、単体として産出されることは稀です。多くの鉱物中に存在しますが、主な商業的供給源はボーキサイトです。ボーキサイトは、水和酸化アルミニウムと鉄などの他の元素の化合物の混合物です。

ホール・エルー法以前は、アルミニウムは鉱石をナトリウムまたはカリウムとともに真空中で加熱することによって作られていました。この方法は複雑で、当時それ自体が高価な材料を消費していました。そのため、19 世紀初頭に製造された少量のアルミニウムの生産コストは非常に高く、金やプラチナよりも高くなりました。^{[ 6 ]}アルミニウムの延べ棒は、 1855 年の万国博覧会でフランスの王冠の宝石とともに展示され、フランス皇帝ナポレオン 3 世は、最も尊敬する客のために、数少ないアルミニウムのディナープレートと食器一式を保管していたと言われています。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

古い方法を用いた製造コストは確かに下がったが、1884年にワシントンD.C.のワシントン記念塔の頂上に設置される避雷針の素材としてアルミニウムが選ばれた時点では、銀よりも高価だった。^{[ 10 ]}

ホール・エルー法は、1886年にアメリカの化学者チャールズ・マーティン・ホール^{[ 11 ]}とフランスのポール・エルー^{[ 12 ]}によってほぼ同時に独立して発見された。両者とも22歳だった。ホールは妹のジュリア・ブレイナード・ホールの助けを受けたと主張する著者もいるが[ 13 ^]、彼女がどの程度関与していたかは議論の的となっている^{[ 14 ] [ 15 ]} 。1888年、ホールはピッツバーグに最初の大規模アルミニウム生産工場を開設した。この工場は後にアルコア社となった。

1997年、ホール・エルー法は、アルミニウムの商業化におけるその重要性が認められ、アメリカ化学会によって国家歴史的化学遺産に指定された。 ^{[ 16 ]}

ホール・エルー法によって生産されるアルミニウムは、より安価な電力と相まって、アルミニウム（そして偶然にもマグネシウムも）を貴金属ではなく安価な商品へと変えるのに貢献した。

これにより、ヒューゴ・ユンカースのような先駆者がアルミニウムやアルミニウムマグネシウム合金を利用して金属製の飛行機を何千機も製造したり、ハワード・ランドがアルミニウム製の漁船を製造したりすることが可能になった。^{[ 17 ]} _{2012年には、アルミニウム1}トンの生産につき12.7トンのCO2排出量が発生すると推定された。^{[ 18 ]}

20世紀と21世紀において、アルミニウム産業は安価な電力に対する大規模な需要のため、そのような電力が利用可能な場所に立地することが多かった。例えば、ボーキサイト埋蔵量がほとんどなく、人口が50万人未満のアイスランドは、安価で豊富な電力、特に水力発電が利用できるため、世界第12位のアルミニウム生産国となっている。同様に、ケベック州セプティルにあるアルミヌリー・アルエットは、チャーチルフォールズ（ラブラドール）コーポレーション・リミテッドが運営する5,428MWのチャーチルフォールズ発電所から電力供給を受けている。ブリティッシュコロンビア州の企業城下町キティマットは、戦後のアルミニウム需要の高まりに対応するため、アルカン社によって建設された。同市は、製錬所の動力源として建設されたケニーダムを利用している。ニュージーランド南島のティワイポイント・アルミニウム製錬所は、約570MWの電力を消費しており、そのほとんどは近隣のマナポウリ発電所から供給されている。これは南島の電力需要の約3分の1、ニュージーランド全体の電力需要の13%に相当する。ボルセレ原子力発電所は、当時フランスのペシネー社が運営していたアルミニウム製錬所に電力を供給することを主な目的として建設された。