Herstellung von Aluminium - grundlegend. Herstellung von Aluminium

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1 Herstellung von Aluminium - grundlegend Aluminium hat eine sehr hohe chemische Neigung (Affinität) zu Sauerstoff. Wegen der Sauerstoffaffinität ist es nicht möglich, Aluminium durch einfache Reduktion (z.b. mit Kohlenstoff wie beim Eisen) aus einem Erz zu gewinnen. Aluminiumoxid Al 2 O 3 gehört zu den stabilsten chemischen Verbindungen; seine Reduktion zu Metall erfordert einen sehr hohen Energieaufwand. Zusätzlich erschwert die Aluminiumgewinnung der Umstand, dass alle in der Natur vorkommenden und für die Aluminiumgewinnung geeigneten Rohstoffe auch Beimengungen solcher Elemente enthalten, die leichter zu reduzieren sind. Bildquelle: webelements.com Aus solchen Rohstoffen direkt reduziertes Aluminium würde in stark verunreinigter Form anfallen und wäre für den technischen Gebrauch ungeeignet. Die Gewinnung reinen Aluminiums muss daher durch eine Reduktion auf elektrolytischem Wege erfolgen, und zwar aus einem sehr reinem Aluminiumoxid. Dementsprechend besteht die Aluminiumherstellung aus zwei getrennten Prozessen: - der Herstellung von reinem Aluminiumoxid, - der eigentlichen Elektrolyse.

2 Aluminiumhaltige Erze Bildquelle: Eigene Aufnahme Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element der Erdrinde und an ihrem Aufbau mit ca. 8% beteiligt. Aluminium kommt überall und oft vor, aber niemals in reiner Form. Wegen seiner starken Neigung mit Nichtmetallen vor allem mit Sauerstoff zu reagieren, kommt es in der Natur nur in Verbindungen vor. Bauxit ist das wichtigste aluminiumhaltiges Erz, der Rohstoff für die Aluminiumerzeugung. Bauxit ist ein Verwitterungsprodukt aus Kalk- und Silikatgestein, dessen Gehalt an Aluminiumoxid häufig über 50 % beträgt. Die Vorkommen des überwiegend im Tagebau gewonnenen Bauxits sind zu etwa 90% auf die Länder des Tropengürtels konzentriert. Die Hauptfördergebiete Australien, Westafrika, Jamaika und Brasilien. In Europa befinden sich keine besonders großen Bauxitvorräte. Australien allein liefert zur Zeit ein Drittel des gesamten Bauxits. Zusammensetzung von Bauxit: - Aluminiumoxid: 55% bis 65% (eigentlich Hydroxide: Al(OH) 3 und AlO(OH) - Eisenoxid: 20 25% deswegen ist Bauxit rötlich - Siliziumdioxid: 1 5% - Titandioxid: < 4% - Rest: weitere Beimengungen Sog. rotes Bauxit

3 Bildquelle: Werkstofftechnik für Metallberufe, Europa Lehrmittel/2003 Herstellung von Aluminium - Übersicht Aluminium wird großtechnisch in einem zweistufigen Prozess hergestellt: 1. Herstellung von reinem Aluminiumoxid nach dem Bayer-Verfahren Aus dem Bauxit wird unter Druck und Hitze Aluminiumhydroxid extrahiert, das anschließend durch Glühen zu Aluminiumoxid Al 2 O 3 gebrannt wird. 2. Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze Eine Schmelze aus hochreinem Aluminiumoxid (Tonerde) und dem Flussmittel Kryolith wird mithilfe elektrischen Stroms in flüssiges Aluminium und Sauerstoff zerlegt.

4 Herstellung von Aluminiumoxid nach dem Bayer-Verfahren Arbeitsschritte des Bayer-Verfahrens: 1 Bildquelle: Werkstofftechnik für Metallberufe, Europa Lehrmittel/ Aufschließen des feingemahlenen Bauxits durch Zugabe von 35%iger Natronlauge unter Druck und erhöhter Temperatur, es entsteht Natriumaluminat: Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O 2Na[Al(OH) 4 ] 2.Trennung des wasserlöslichen Natriumaluminats von den unlöslichen Beimengungen nach Abkühlung auf 100 C durch Absetzen und Filtrieren 3. Ausfällen von Aluminiumhydroxid aus dem filtrierten, heißen Natriumaluminat durch Abkühlen und ständiges Rühren (unter Verwendung von Aluminiumhydroxid als Impfstoff) NaAl(OH) 4 [60 C; rühren] Al(OH) 3 + NaOH 4. Brennen (Kalzinieren) des Aluminiumhydroxids im Dreh- oder Wirbelschichtofen zu Aluminiumoxid (Tonerde) 2Al(OH) 3 [1200 bis 1300 C] Al 2 O 3 + 3H 2 O Das gewonnene technisch reine Aluminiumoxid, die Tonerde (ein weißes Pulver), wird in der Aluminiumhütte weiterverarbeitet.

5 Schattenseite des Bayer-Verfahrens Bei dem Bayer-Verfahren fällt als Abfallprodukt Rotschlamm an. Der Rotschlamm enthält viele verschiedene Substanzen: - nicht gelöste Bestandteile von Bauxit, wie Fe- und Ti-Oxide, - Reste ungelöster Aluminiumverbindungen, - verschiedene Kieselsäureverbindungen, - im Prozess gebildete Natrium-Aluminium-Silikate, - zahlreiche Schwermetalle (darunter Quecksilber und Arsen). Die charakteristische rote Farbe stammt von Eisen(III)-hydroxiden. Wie viel Rotschlamm je produzierter Tonne Aluminium anfällt, hängt von der Qualität des verwendeten Bauxits ab: bei tropischem Bauxit 1,6 t, bei europäischem Bauxit 3,2 3,7 t feuchter Rotschlamm. Der stark alkalische Schlamm wird ohne weitere Vorkehrungen deponiert oder in Flüsse geleitet, was zu erheblichen Umweltbelastungen führt. In Deutschland wird der Schlamm heute in abgedichteten Deponien eingelagert, bis sich die vorliegenden Hydroxide und Silikate abgesetzt haben. Eine der größten Rotschlammdeponien Deutschlands befindet sich in der Nähe von Stade in Niedersachsen. Der Rotschlamm ist Sondermüll ohne Verwendung. Rotschlammdeponie bei Stade Bildquelle: buetzfleth.de

6 Elektrolyse von Aluminiumoxid - grundlegend Die Herstellung des metallischen Aluminiums erfolgt durch Reduktion des Aluminiumoxids Al 2 O 3 auf elektrolytischem Wege (Schmelzflusselektrolyse) in der Aluminiumhütte. Der Schmelzpunkt des Aluminiumoxids liegt sehr hoch bei ca C. Deswegen kann es nicht direkt als Schmelze elektrolysiert werden. Eutektischer Punkt Als Elektrolyt wird eine Lösung von Aluminiumoxid in geschmolzenen künstlich hergestellten Kryolith (Na 3 AlF 6 ) verwendet. Aus dem Zustandsdiagramm Aluminiumoxid-Kryolith (s. Bild) ergibt sich, dass am niedrigsten schmelzende (eutektische) Gemisch aus ca. 82% Na 3 AlF 6 und 18% Al 2 O 3 besteht und bei ca. 935 C schmilzt. Dementsprechend enthält die Schmelze 15 20% Al 2 O 3 und ihre Temperatur beträgt etwa 950 C. Die Dichte der Schmelze beträgt bei dieser Temperatur ca. 2,15g/cm³, die des geschmolzenen Aluminiums ca.2,35g/cm³, so dass das Metall sich unter der Schmelze sammelt und von der Rückoxidation durch den Luftsauerstoff geschützt wird. Das Zustandsdiagramm Al 2 O 3 -Na 3 AlF 6

7 Elektrolyse von Aluminiumoxid - Vorgänge Bildquelle: chemienet.info - Dissoziation des Al 2 O 3 in der Schmelze: Al 2 O 3 (schmelzen) 2Al O 2- - Wandern der Ionen unter Wirkung der elektrischen Spannung: Kationen (Al 3+ ) wandern zur Kathode, Anionen (O 2- ) wandern zur Anode Vorgänge während der Elektrolyse - Vorgänge an der Anode: Sauerstoff-Ionen geben Elektronen ab: O e - O - Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff der Anode: 2O + C CO 2 (entweicht, Kohlenstoff der Anode wird verbraucht) - Vorgänge an der Kathode: Aluminium-Ionen nehmen Elektronen auf: Al e - Al - Das entstehende Aluminium sinkt aufgrund seiner Dichte ab und sammelt sich am Boden der Elektrolysezelle.

8 Elektrolyse von Aluminiumoxid technische Durchführung Die Elektrolyse wird in der Elektrolysezelle mit Gleichstrom durchgeführt. Bildquelle: seilnacht.com Die Schmelze befindet sich in einer mit Kohlenstoffmaterial ausgekleideten Eisenwanne der Kathode. In die Schmelze tauchen Kohleelektroden die Anoden ein. Um zu einer guten Ausbeute zu kommen, müssen hohe Stromstärken von 100kA bis 280kA bei Zellspannungen von 4V bis 5V aufgewandt werden. In den Aluminiumhütten sind die einzelnen Zellen hintereinandergeschaltet, so dass Gesamtspannungen von über 1000V üblich sind.

9 Elektrolyse von Aluminiumoxid - Anoden Bildquelle: chempage.de Grundstoff der für den Elektrolyseprozess benötigten Anoden ist gemahlener Petrolkoks. Der Petrolkoks wird erwärmt und mit Steinkohlenteerpech vermischt; danach zu Blöcken abgeformt. Diese grünen Anoden werden mehrere Tage bei einer Temperatur von bis zu 1200 C gebrannt. Die gebrannten Anoden werden mit Stromzuführungselementen versehen. Die Elektroden werden durch den Elektrolyseprozess an ihrer Unterseite verbraucht und müssen regelmäßig gegen neue Anoden ausgetauscht werden. Bei der Verbrennung der Anoden entsteht Abgas, das mit den aus der Schmelze stammenden Fluorverbindungen einer Gasreinigung zugeführt werden muss. Sogenannte inerte Anoden sollen den Elektrolyseprozess deutlich verbessern. Die Forschungsarbeiten zielen auf die Verwendung kohlenstofffreier und sich nicht verbrauchender Materialien. Durch diese inerten Anoden soll der Anfall prozeßbedingter Treibhausgase maßgeblich verringert und die Entstehung perfluorierter Kohlenwasserstoffe vollständig unterbunden werden.

10 Bildquelle: GDA Düsseldorf Elektrolyse von Aluminiumoxid - geschichtliches Das Verfahren der Schmelzflusselektrolyse wurde gleichzeitig und voneinander unabhängig von dem Franzose Heroult und dem Amerikaner Hall im Februar des Jahres 1886 entdeckt. Es ist interessant, dass in allen Aluminiumhütten der Welt noch heute, viele Jahre später nach dem gleichen Verfahren von Heroult und Hall gearbeitet wird. Über 20 andere elektrolytische Wege blieben praktisch ohne Bedeutung. Der Energieeinsatz hat sich im Laufe der letzten Jahrzehnte von durchschnittlich 21 Kilowattstundenstrom je Kilogramm Hüttenaluminium auf unter 15kWh reduziert. Durch den Strombedarf ist die Aluminiumherstellung an Stromkosten gekoppelt, die in der Welt unterschiedlich und in Deutschland hoch sind. Wegen der hohen Strompreise war das moderne Hüttenwerk in Hamburg von den damaligen Anteilseigner sogar stillgelegt. Elektrolysehalle

11 Hüttenaluminium Bildquelle: ngz-online.de Bildquelle: novelis.com Die Elektrolyse wird kontinuierlich betrieben, das entstehende Aluminium wird periodisch abgesaugt und Al 2 O 3 wird aus der Aufschüttung nachgeführt. Das so hergestellte Aluminium wird als Hüttenaluminium oder Primäraluminium bezeichnet. Der Reinheitsgrad des Hüttenaluminiums beträgt bis zu 99,5 %. Höhere Reinheitsgrade werden durch Raffination erreicht. Folgende Verfahren werden eingesetzt: - Dreischichtenelektrolyse (Reinheitsgrad 99,99 %) - Raffination über aluminiumorganische Komplexverbindungen (Reinheitsgrad 99,999 bis 99,9999 %) - Zonenschmelzreinigung (Reinheitsgrad 99,99999 %) Flüssiges Aluminium Aufschütten von Aluminiumoxid Aluminiumbarren

12 Weitere Informationen Bilanz der Aluminiumherstellung Die größten Hersteller von Aluminiumwerkstoffen (alphabetisch angeordnet): Alcan - Frankreich Alcoa - USA Norsk Hydro - Norwegen Novelis - Schweiz Bildquelle: GDA, Düsseldorf Neben der Hüttenproduktion hat sich der Recyclingsektor zu einer gleichwertigen Rohstoffquelle entwickelt. Die Erzeugung von Aluminium aus Aluminiumschrott (Sekundäraluminium) erfordert nur etwa 5% der Energie, die für die Gewinnung von Aluminium aus Bauxit (Primäraluminium) erforderlich ist. Ca. 70 % der jemals hergestellten Aluminiummenge befindet sich nach wie vor im Gebrauch.

13 Bildquelle: GDA, Düsseldorf Verarbeitung von Hüttenaluminium Bildquelle: GDA Düsseldorf Das Hüttenaluminium ist der Ausgangswerkstoff für die Herstellung von Halbzeug (Bleche, Profile, Bänder, Rohre etc.) und die Basis für verschiedene Gusslegierungen. In der Hütte wird das Aluminium in Masseln vergossen. Masseln werden in den Formgießereien eingeschmolzen, um daraus Gussstücke herzustellen oder in den Formatgießereien zu Formaten, d.h. Walzbarren, Pressbolzen, Schmiedebarren etc. vergossen. Halbzeuge aus Aluminiumwerkstoffen