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Aluminium

Darstellung

Die technische Darstellung von Aluminium erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse (Schmelzelektrolyse) von reinem Aluminiumoxid (Tonerde) in einer Kryolith-Schmelze.

Da natürlich vorkommendes Al2O3 nicht in ausreichender Menge und entsprechender Reinheit zur Verfügung steht, muss das Oxid zunächst aus anderen, aluminiumhaltigen Rohstoffen, in der Regel Bauxit mit AlO(OH) neben Al(OH)3 als Hauptkomponenten, mittels Aufschlussverfahren gewonnen werden.

Für die Aluminium-Gewinnung besonders geeignet sind die sogenannten roten Bauxite, die 20-25 % Fe2O3 und 1-5 % SiO2 enthalten. Weiße Bauxite (bis 5 % Fe2O3 und 25 % SiO2) verbrauchen mehr Aufschlussmittel und führen zu größeren Verlusten an Aluminium. Da die Schmelzflusselektrolyse ein Aluminiumoxid sehr hoher Reinheit erfordert, kommt es bei der Aufarbeitung der Bauxite hauptsächlich auf die Entfernung des Eisen- und Siliciumoxids an.

Darstellung von Aluminiumoxid - nasser Aufschluss von Bauxit (Bayer-Verfahren)

Der heute praktisch ausschließlich durchgeführte, nasse Aufschluss von Bauxit erfolgt nach dem Bayer-Verfahren mit Natronlauge. Die Methode wurde von C. J. Bayer entwickelt und 1887 erstmalig angewandt.

Abb.1
Das Bayer-Verfahren

Beim Bayer-Verfahren wird der fein gemahlene Bauxit mit 35-38%iger Natronlauge in einem Druckkessel (Autoklav) unter 5-7 bar Druck 6-8 Stunden auf 140-250 °C erhitzt, wobei das Aluminium als Aluminat in Lösung geht, während Eisen als "Rotschlamm" ausfällt:

AlO(OH)+ NaOH+ H2O Na[Al(OH)4] Fe2O3+ 3H2O 2Fe(OH)3

Mit dem Rotschlamm bleibt zum größten Teil auch das SiO2 als unlösliches Natriumaluminiumsilicat, Na2(Al2SiO6) · 2H2O, zurück.

2AlO(OH)+ SiO2+ 2NaOH Na2(Al2SiO6) · 2H2O

Die Bildung dieses Silicats führt zu beträchtlichen Natronlauge- und Tonerdeverlusten, weshalb beim Bayer-Verfahren SiO2-arme Bauxite bevorzugt werden.

Aus der auf 60 °C abgekühlten, filtrierten Aluminat-Lauge lässt sich durch starkes Verdünnen Aluminiumhydroxid, Al(OH)3, ausrühren (ausfällen), da sich durch Herabsetzen der Laugenkonzentration das Gleichgewicht zugunsten der Al(OH)3-Bildung verschiebt:

Na[Al(OH)4] Al(OH)3+ NaOH

Die Abscheidung des kristallisierten Hydroxids wird durch Zugabe von Hydrargillit-Kristallen, Al(OH)3, als Impf-Substanz zu Beginn des 30-70-stündigen Ausrührens beschleunigt. Das erhaltene Aluminiumhydroxid wird nach dem Filtrieren und Waschen in Drehrohr- oder Wirbelschichtöfen bei 1200 °C zu Al2O3 entwässert:

2Al(OH)3 Al2O3+ 3H2O

Die nach der Abtrennung des Aluminiumhydroxids verbliebene Lauge kann wieder dem Bauxit-Aufschluss zugeführt werden.

Darstellung von Aluminiumoxid - trockener Aufschluss von Bauxit (Trockenverfahren)

Darstellung von Aluminiumoxid - kombinierter Aufschluss von Bauxit

Darstellung von Aluminiumoxid - saurer Aufschluss von Bauxit

Darstellung von Aluminium - Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid

Als unedles Metall lässt sich Aluminium nicht durch elektrolytische Reduktion aus einer wässrigen Salzlösung gewinnen, da hierbei an der Kathode statt des Metalls der elektrochemisch edlere Wasserstoff gebildet werden würde. Es besteht somit die Notwendigkeit, eine elektrisch gut leitende, wasserfreie Salzschmelze zu benutzen, deren Schmelztemperatur aus wirtschaftlichen Gründen möglichst niedrig liegen sollte. Aluminium(III)-chlorid scheidet als Ausgangsstoff für eine Schmelzelektrolyse allerdings aus, da die Verbindung, im Gegensatz zu anderen Metallchloriden, im geschmolzenen Zustand keine elektrische Leitfähigkeit mehr aufweist.

Die heutige technische Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Al2O3 in Kryolith basiert auf dem 1886 zeitgleich, aber unabhängig voneinander vom Franzosen P. Héroult und dem Amerikaner Ch. M. Hall entwickelten Hall-Héroult-Prozess und wird seit 1889 industriell betrieben (Technische Anwendungen der Elektrolyse - Schmelzelektrolyse).

Reines Aluminiumoxid hat einen sehr hohen Schmelzpunkt von 2045 °C, löst sich dafür aber gut in geschmolzenem Kryolith, Na3[AlF6], (Smp.: 1100 °C). Elektrolysiert wird daher eine Lösung des Aluminiumoxids in künstlich hergestelltem Kryolith in der Nähe des Eutektikums (18,5 % Al2O3 und 81,5 % Na3[AlF6]) mit einem Anteil von 10-20 % Al2O3 bei einer Badtemperatur von ca. 950 °C und einer Betriebsspannung von 4-5 V. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und Verbesserung der Energieausbeute werden der Schmelze weiterhin AlF3 und LiF zugesetzt. Die Dichte der Schmelze ist geringer als die des elektrolysierten, flüssigen Aluminiums (Smp.: 660 °C), so dass sich das Metall unter der Schmelze sammelt und so vor Luftoxidation geschützt ist. Bei richtiger Führung des Prozesses wird das Lösungsmittel (Kryolith) so gut wie nicht angegriffen, ist jedoch durch die Na+- und [AlF6]3-Ionen am Stromtransport beteiligt. An der Kathode der Elektrolysezelle werden die Aluminium(III)-Ionen reduziert, an der Anode die Oxid-Ionen oxidiert:

Al2O3 2Al3++ 3O2 2Al3++ 6e 2Al Kathodenprozess 3O2 1,5O2+ 6e Anodenprozess

Wegen der höheren Redoxpotentiale werden bei der Elektrolyse Na+-, Li+- und F-Ionen nicht entladen.

Die Schmelzelektrolyse wird in Eisenblechwannen durchgeführt, deren Seitenwände und Böden mit Kohlefutter ausgekleidet sind und als Kathode dienen. Als Anoden werden Kohle- oder Graphitblöcke verwendet, die von oben in die Schmelze eintauchen. Der anodisch entwickelte Sauerstoff reagiert mit der Kohleanode unter Bildung von Kohlenmonoxid, CO, bzw. Kohlendioxid, CO2, und Wärmefreisetzung, womit ein Teil der für die Elektrolyse erforderlichen Energie zurückgewonnen wird:

1,5O2+ 3C 3CO Al2O3+ 3C 2Al+ 3CO Gesamtreaktion

Das abgeschiedene Aluminium wird alle 2-4 Tage per Saugrohr abgezogen, entsprechend neues Al2O3 der Schmelze zugegeben. Der Anodenverbrauch beträgt ca. 0,5 kg pro kg erzeugtem Aluminium. Für die Anoden existieren zwei unterschiedliche Systeme: Im Falle der Söderberg-Elektroden wird eine warme Masse bestehend aus Kohlestaub, Teer und Pech in dem Maße in eine Stahlummantelung geschoben, wie sich das Anodenmaterial während des elektrolytischen Prozesses verbraucht (kontinuierliches Verfahren). Alternativ dazu wird mit vorgebrannten Kohleanoden gearbeitet, die ersetzt werden, wenn sie verbraucht sind (diskontinuierliches Verfahren).

Zur Darstellung von 1 t Aluminium werden 4 t Bauxit, 0,4-0,8 t Anodenkohle, 40 kg Kryolith und 13.000-16.000 kWh Strom verbraucht. Die Schmelzflusselektrolyse zur Darstellung von Aluminium ist demnach sehr energieintensiv.

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Abb.2
Schematische Darstellung einer Elektrolysezelle zur Aluminiumerzeugung

Das elektrolytisch hergestellte Aluminium wird zur Reinigung umgeschmolzen und besitzt anschließend einen Reinheitsgrad von 99,5-99,9 %. Die Verunreinigungen bestehen vorwiegend aus Silicium und Eisen.

Darstellung von Reinaluminium - Dreischichtenelektrolyse

Reinaluminium mit einer Reinheit von mindestens 99,99 % lässt sich aus dem durch Schmelzflusselektrolyse dargestellten Primäraluminium oder auch aus Aluminiumschrott durch Dreischichtenelektrolyse (Raffination) gewinnen. Dabei handelt es sich um eine Schmelzelektrolyse, bei der sich am Boden der Zelle die Anode, bestehend aus einer relativ schweren Aluminium-Kupfer-Legierung, befindet. Die Anode wird von einem Elektrolyten bedeckt, dessen spezifisches Gewicht durch Zufügen von BaF2 oder BaCl2 so eingestellt wird, dass er leichter als die flüssige Anodenlegierung, aber schwerer als das flüssige Reinaluminium ist. Dieses schwimmt auf dem Elektrolyten und wird durch ihn gegen Vermischung mit Bestandteilen der Anodenlegierung geschützt.

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