Schmelzfluss-Elektrolyse zur Aluminiumgewinnung

Aluminium ist aufgrund seiner chemischen Beständigkeit, seiner geringen Dichte und seiner mechanischen Eigenschaften ein bedeutender Werkstoff. Der Hauptanteil wird für den Verkehrssektor benötigt, aber auch die Bauindustrie, der Maschinenbau oder die Verpackungsindustrie benötigen das begehrte Leichtmetall. Aluminium ist nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element in der Erdhülle. Friedrich Wöhler stellte im Jahr 1827 als erster durch die Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kalium das reine Element dar. Damals war der Preis für Aluminium höher als für Gold. Unedle Metalle wie Aluminium oder Magnesium mit sehr negativem Normalpotenzial lassen sich hoch rein und wirtschaftlich rentabel aber nur in wasserfreier Umgebung aus einer Salzschmelze gewinnen. Die Grundlage für das Elektrolyseverfahren legten im Jahr 1886 Charles Martin Hall (1863–1914) in den USA und Paul Héroult (1863–1914) in Frankreich unabhängig voneinander. [Literatur 1]

Bauxit ist ein häufig vorkommendes Gestein, das aus verschiedenen Aluminium- und Eisenerzen zusammengesetzt ist. Früher gewann man den Bauxit im südfranzösischen Les Baux, nach diesem Ort ist das Erz benannt. Die wichtigsten Erzvorkommen befinden sich heute in Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, Indien, Guyana und Indonesien. Die Aluminiumgewinnung ist mit großem Aufwand verbunden. Bei der Erzaufbereitung wird aus dem Bauxit Aluminiumoxid (Tonerde) angereichert. [Literatur 3] Danach erfolgt die eigentliche Metallgewinnung mit Hilfe der Schmelzfluss-Elektrolyse.

Aluminiumoxid besitzt einen sehr hohen Schmelzpunkt von etwa 2050 °C. Um diesen herabzusetzen, gibt man Kryolith Na₃AlF₆und weitere Fluorverbindungen wie Aluminiumfluorid AlF₃ und Calciumfluorid CaF₂ im Überschuss hinzu. Der Schmelzpunkt des Gemisches liegt dann bei etwa 950 °C. Das Tonerde-Kryolith-Gemisch befindet sich in einer eisernen Wanne, die mit Kohle oder Graphit ausgekleidet ist. Die Anode besteht aus Graphitzylindern, diese tauchen in die Schmelze. Bei einer relativ geringen Spannung von 5 bis 6 Volt, aber einem sehr hohen Stromfluss von 150000 Ampere oder mehr setzt sich am Boden flüssiges Aluminium ab. [Literatur 8 und 9] Der Krustenbrecher zerbricht die gebildete Kruste und ermöglicht die Zuführung von Nachschubmaterial. [Literatur 2] Das Aluminium wird von Zeit zu Zeit abgesaugt. Das entstehende Aluminium besitzt eine maximale Reinheit von 99,9%. Dieses wird in weiteren, elektrochemischen Raffinationsprozessen auf eine Reinheit von bis zu 99,999% gebracht. [Literatur 5 und 7] An der Graphit-Anode entsteht Sauerstoff, der mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert. Da sich die Elektroden zersetzen, verwendet man lange, zylindrische Stäbe, die immer weiter in die Schmelze hineingefahren werden. Nach Verbrauch werden die Stäbe einfach angesetzt, so dass das Verfahren kontinuierlich stattfinden kann.

Die hohen elektrischen Ströme halten das Schmelzbad flüssig. Die Gesamtreaktion ist jedoch endotherm. Pro Mol werden 1345 Kilojoule benötigt, dies bedeutet, dass erheblich mehr Energie zugeführt werden muss, als bei der Reaktion frei wird. [Literatur 5] Von der zugeführten Energie wird die Hälfte für die Elektrolyse benötigt, die andere Hälfte dient zur Erzeugung von Wärme, damit die Salzschmelze heiß und flüssig bleibt. [Literatur 8]

Zur Herstellung von einer Tonne Aluminium werden vier Tonnen Bauxit, bis zu 0,8 Tonnen Kohlenstoff, 4 Kilogramm Kryolith, bis zu 20 Tonnen Aluminiumfluorid und bis zu 16000 Kilowattstunden Strom verbraucht. Die geringe Menge an Flussmitteln erklärt sich dadurch, dass diese im Kreisprozess ständig wieder eingesetzt werden können. [Literatur 5] In den Abgasen sind neben dem als Treibhausgas wirksamen Kohlenstoffdioxid und dem giftigen Kohlenstoffmonooxid sehr aggressive Fluorverbindungen enthalten. Damit diese nicht in die Umwelt gelangen, wird die Zelle mit einer Glocke versehen. Durch einen Kreisprozess adsorbiert man die Fluorverbindungen nach der Zellabsaugung mit der eingeführten Tonerde, so dass sie zurückgeführt werden.

Ein Nachteil des Verfahrens ist der sehr hohe Energieaufwand. Die größte Aluminiumfabrik Europas befindet sich in Island, da dort durch Erdwärme Energie günstig zur Verfügung steht. [Literatur 6] Es lohnt sich sogar, den Bauxit aus Brasilien mit Schiffen in das nordische Island zu schaffen und das Aluminium in Barren wieder auszuführen. Australien, China Guinea, Jamaika oder Indien sind weitere Länder mit großen Bauxitvorkommen. Aufwändig ist auch die Beschaffung des in der Natur nur selten vorkommenden Kryoliths. Da die natürlichen Vorkommen in Grönland oder Kanada relativ bescheiden sind, stellt man das Flussmittel aus Hexafluorokieselsäure, die in natürlichen Tonerde-Vorkommen enthalten ist, her. Aufgrund des hohen Gesamt-Aufwandes lohnt sich das Recycling von Aluminium in besonderem Maße.

Literatur

1 www.aluinfo.de (abgerufen 1/2012), Gesamtverband der Aluminiumindustrie e.V.
2 Behr/Agar/Jörissen (2010): Einführung in die Technische Chemie, Heidelberg
3 Trueb, Lucien F. (2005): Die chemischen Elemente, Stuttgart
4 Roempp (1995): Chemielexikon, Stuttgart
5 Hollemann/Wiberg (2007): Lehrbuch der anorganischen Chemie, Berlin/New York
6 www.eldey.de (abgerufen 12/2011): Länderportal für Island, Aluminiumindustrie
7 Hamann/Vielstich (2005): Elektrochemie, Weinheim
8 Glöckner/Jansen u.a. (1994): Handbuch der experimentellen Chemie, Band 6 Elektrochemie, Köln
9 Binder (1999): Lexikon der chemischen Elemente, Stuttgart/Leipzig