1886年的两处实验室
1886年,美国俄亥俄州奥伯林的查尔斯·马丁·霍尔和法国巴黎近郊让蒂伊的保罗·埃鲁,分别推进了用电流从熔盐中制取铝的实验。后世把这条工业路线称为霍尔—埃鲁法,名称纪念的是独立工作的汇合,并非两人在同一实验室完成的共同发明。
霍尔此前在奥伯林学院教授弗兰克·范宁·朱厄特的帮助下研究铝,毕业后继续在自家附属棚屋中试验。他的姐姐朱莉娅参与化学品准备,并保存实验相关信件。埃鲁则利用家族皮革工场的一角及发电设备工作,得到友人协助。两地面对同一个商业问题:铝并不缺少矿物来源,却难以低成本地从化合物中释放出来。
熔盐之外,还须选对容器
霍尔先前尝试过含铝盐的水溶液,却在阴极得到氢气及氢氧化铝。转向无水熔盐后,他仍须找到能在炉中熔化、又能溶解氧化铝的介质。冰晶石满足了这两个条件,使电流能够作用于溶在其中的氧化铝。
容器材料随即成为障碍。黏土坩埚受熔体侵蚀,带入的硅酸盐干扰了结果。霍尔改用石墨内衬,并调整盐浴组成。美国化学会纪念报告把获得银白色铝珠的成功实验记为1886年2月23日;朱厄特随后帮助确认产物。这次成功证明了制取路径,却还只是小规模实验,供电依靠自行组装的电池,远不能直接照搬为廉价工厂。
参考:[2]
铝在阴极生成,炭阳极逐渐消耗
霍尔的美国专利400,766写明了基本安排:把氧化铝溶在熔融氟化物浴中,再通入电流。铝在阴极析出,容器的炭内衬也可以兼作阴极。采用炭阳极时,来自氧化铝的氧与炭发生反应,阳极因而需要补换。盐浴提供适宜的工作介质,实际生产还须不断补充被消耗的氧化铝。
这使冶炼问题由使用金属还原剂转为组织电力、盐浴和电极的协作,但没有消除物料条件。铁壳需要合适的内衬保护;浴料纯度、温度以及电极状态会影响产物。专利还讨论了不同氟化物配比和较低熔点的方案,显示发明者仍在寻找稳定、易操作的工艺窗口。
参考:[1]
申请、授权与路线分化
霍尔的专利于1886年7月9日申请、1889年4月2日授权。埃鲁法国专利175,711则于1886年4月23日申请;拉帕拉的研究把授权日期明确列为同年9月1日。部分纪念叙述把4月23日简称为获专利日,容易将申请与授权混在一起。
两人的后续技术选择也不完全相同。霍尔继续反复调整盐浴配方;埃鲁更集中于电解槽、电极和供热安排。拉帕拉所引的埃鲁1887年追加专利,明确说明可利用电流产生的热维持熔融状态。这些变化关系到工厂能否持续运行,不能全部提前放进1886年的最初成功。
从铝珠走向连续供货
1888年,阿尔弗雷德·亨特等匹兹堡投资者为霍尔提供资金,成立匹兹堡还原公司。霍尔与阿瑟·维宁·戴维斯在斯莫尔曼街试验工厂展开商业生产。电源由实验室电池转向发电机;此后采用电阻产生的内部热量维持盐浴,又借助水电降低成本。矿石提炼成氧化铝、电解制铝及铸造成形是不同环节,稳定的原料供应同样属于量产条件。
美国化学会2001年报告记载,铝锭价格由1888年每磅4.86美元降至1893年的78美分。便宜的金属仍需买家学会使用,公司还用铸铝茶壶等样品展示用途。1907年企业改名为美国铝业公司。铝进入更广泛的工业应用,是实验方法、能源供应、设备改良和市场开发共同展开的后续过程。