اثر مستقیم تکنولوژی به کار رفته در تولید آلومینیوم بر محیط زیست، تولید گازهای گلخانه ای و گرمایش زمین

صنعت آلومینیوم (خصوصا تولید آلومینیوم اولیه از منابع معدنی) یکی از مهم‌ترین صنایعی با پتانسیل بالای انتشار گازهای مضر و گلخانه‌ای به‌شمار می‌آید. این صنعت در جهان، به‌طور کلی سالانه بیش از ۸۰۰ میلیون تن گاز دی‌اکسید کربن وارد اتمسفر زمین می‌کند که از این میان بالغ بر ۵۰۰ میلیون در اثر سوختن سوخت‌های نیروگاه‌های تأمین‌کننده برق برای فرآیند الکترولیز آلومینیوم و حدود ۱۲۵ میلیون تن در اثر فرآیند الکترولیز آلومینیوم تولید می‌شود. بسیاری از شرکت‌های بزرگ دنیا برای کاهش انتشار گازهای مضر گلخانه‌ای با استفاده از نیروگاه‌هایی بر پایه انرژی‌های تجدیدپذیر، همچون نیروگاه‌های برقابی، قدم بزرگی در این راستا نهاده‌اند. البته بازدهی بسیار بالای نیروگاه‌های برقابی در قیاس با سایر روش‌های تولید برق نیز علت دیگر سوق تولیدکنندگان آلومینیوم به استفاده از نیروگاه‌های برقابی است.

با ترویج استفاده از نیروگاه‌هایی همچون نیروگاه‌های برقابی که از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید برق بهره می‌برند، انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت آلومینیوم به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد ولی همچنان گازهایی که در حین پروسه الکترولیز آلومینیوم تشکیل می‌شوند، معضلی پیش‌روی صنعت‌گران آلومینیوم محسوب می‌شوند. عمده گازهای تولیدی در این مرحله از تولید آلومینیوم، اکسیدهای کربن (دی‌اکسید کربن و یا مونواکسید کربن) هستند که در اثر اکسیداسیون آندهای کربنی در فرآیند الکترولیز شکل می‌گیرند. ولی علاوه بر این، گازهای بسیار خطرناکی، همچون پرفلوئوروکربن‌ها (PFC)، نیز تولید می‌شوند. این ترکیبات علاوه بر سمی بودن که اثرات بسیار مضری در حیات اطراف می‌توانند داشته باشند، به‌خاطر تاثیر زیادی که بر گرمایش جهانی دارند (تقریبا هر تن از گازهای PFC تولیدی، معادل ۶ هزار و ۵۰۰ تن گاز کربن دی‌اکسید در گرمایش زمین نقش دارد)، بسیار مورد توجه قرار می‌گیرند.

گرچه گازهای پرفلئوروکربن‌ها سهم بسیار کمی از کل گازهای مضر گلخانه‌ای را دارا هستند ولی به‌علت سمی بودن‌شان و نیز عدم دسترسی به تکنولوژی مناسب برای حذف و از بین بردن این گازها، حساسیت زیادی بر آن‌ها وجود دارد. این گازها که در نتیجه اثر آندی شکل می‌گیرند، عمدتا متأثر از تکنولوژی مورد استفاده در فرآیند الکترولیز واحدهای ذوب آلومینیوم است و به صورت ترکیبات CF۴ و C۲F۶ تشکیل می‌شوند. اثر آندی به آن پدیده‌ای اطلاق می‌شود که به‌دلیل افزایش مقاومت الکترولیت در اثر زیاد شدن فاصله گپ بین الکترودها رخ می‌دهد و سبب کاهش ناگهانی ولتاژ کاری سلول می‌شود. گرچه زمان این پدیده در حد یک یا دو دقیقه است، ولی در همین حین به خاطر افزایش مقاومت الکترولیت، دمای سلول افزایش یافته و سبب تشکیل گازهای PFC می‌شود.

                         
 
طی دهه‌های اخیر اصلاحاتی در فرآیند تولید آلومینیوم صورت گرفته تا از پدیده اثر آندی و متعاقبا تولید گازهای پرفلئوروکربن بکاهد. نمودار ۱، مقدار گازهای پرفلئوروکربن تولید شده به ازای واحد آلومینیوم را در ۱۰ سال گذشته نشان می‌دهد. با توجه به این نمودار، طی ۱۰ سال گذشته انتشار گازهای پرفلئوروکربن با نرخ متوسط سالانه ۵.۹ درصد کاهش داشته است. همان‌طور که در نمودار ۱ مشخص است، میزان کاهش انتشار گازهای PFC در سال‌های نخست نشان داده شده با شدت بیشتری نسبت به سال‌های اخیر کاهش داشته است.

با توجه به نوع چینش و آرایش آندهای کربنی، ولتاژ کاری علاوه بر عواملی همچون خوراک‌دهی نامناسب سلول‌ها با آلومینا وکاهش فشار هوا در سلول، که عمدتا سبب تغییر ناگهانی ترکیب الکترولیت و  پتانسیل شیمیایی اجزا می‌شود، می‌تواند به مقدار قابل توجهی کاهش یابد (اثر آندی).

نمودار ۲، شدت انتشار گازهای PFC تکنولوژی‌های مختلف را در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۰۵ با هم مقایسه می‌کند. بنا به این نمودار، بیشترین میزان کاهش نشر گازهای PFC را سلول‌هایی که از آندهای پیش‌پخت شده استفاده می‌کنند، داشته‌اند. بدین ترتیب، نوع تکنولوژی مورد استفاده در میزان اثرات آندی سلول و متعاقبا تولید گازهای PFC بسیار مؤثر است. در بین تکنولوژی های مختلف چیدمان و آرایش الکترودها و نوع هودهای مورد استفاده در سلول‌های الکترولیز واحدهای ذوب آلومینیوم، CWPB و PFPB بهترین عملکرد را دارا هستند.