Die Wissenschaft hinter der Tonerdegewinnung

Die Gewinnung von Aluminium aus Bauxit ist ein integraler Bestandteil von Wissenschaft und Technik, der eine ständige Versorgung mit diesem vielseitigen Metall gewährleistet. Aufgrund seiner vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten wird seit Jahrzehnten nach effizienteren Verfahren zu seiner Gewinnung geforscht.

Die Extraktion umfasst einen Aufschluss mit heißer Natriumhydroxidlösung, gefolgt von der Ausfällung von Aluminiumhydroxid aus der Lösung und der anschließenden Kalzinierung zur Herstellung von handelsüblichem reinem Aluminiumoxid.

Das Bayer-Verfahren

Das Bayer-Verfahren wurde 1887 von Karl-Josef Bayer erfunden und ist bis heute die wichtigste industrielle Methode zur Herstellung von Tonerde. Zerkleinertes Bauxit wird mit Natriumhydroxid gemischt, um eine Aluminatlösung zu bilden, die als Ausgangspunkt für weitere Verarbeitungsschritte dient.

Durch Filtration werden freies Wasser und Verunreinigungen entfernt; der Filterkuchen wird dann in eine Reihe von Kalzinieranlagen geleitet, wo er bei hohen Temperaturen erhitzt wird, bis alles freie Wasser und alle chemischen Verunreinigungen ausgetrieben sind, wodurch Aluminiumoxidpulver für die Verwendung in verschiedenen Aluminiumverfahren wie Schmelzen und Gießen entsteht.

Eisenerz wird bei der Herstellung anderer Metalle, einschließlich Magnesium und Kalzium, verwendet. In Verbindung mit anderen Elementen kann es Legierungen für spezielle Anwendungen wie Flugzeugtriebwerke oder Brennstoffzellen bilden; außerdem dient es als Trägermaterial für die Herstellung von Katalysatoren, die zur Steuerung anderer chemischer Reaktionen verwendet werden.

Aluminium kann nicht auf natürliche Weise gewonnen werden, sondern muss mit Hilfe verschiedener Raffinationsverfahren aus seinem Erz gewonnen werden. Zwei Hauptgewinnungsverfahren sind das Bayer- und das Hall-Heroult-Verfahren, die beide mit Bauxit als Ausgangsmaterial beginnen.

Bauxit ist ein natürlich vorkommendes grobkörniges Gestein, das erhebliche Mengen an Aluminiumoxid (Al2O3) enthält. Aluminiumoxid macht einen großen Teil seines kommerziellen Wertes aus; die Gewinnung von Aluminium erfordert einen hohen Energieaufwand und teure Anlagen; die Industrie hat daher stark in die Raffinationstechnologie für Bauxit investiert, um 30% der weltweiten Gesamtproduktion zu decken.

Das Hall-Heroult-Verfahren

Aluminium ist in vielen Industriezweigen und Anwendungen unverzichtbar, muss jedoch zunächst aus seinem natürlichen Zustand gewonnen werden, um nützlich zu sein. Nur an wenigen Orten auf der Erde kommt es in der Natur in elementarer Form vor - vor allem in Bauxit -, so dass mehrere Raffinationsprozesse stattfinden müssen, bevor fertige Aluminiumprodukte hergestellt werden können, die in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz kommen. Aluminiumhersteller verlassen sich bei der Umwandlung von Rohstoffen in wertvolle Waren in hohem Maße auf elektrochemische Prozesse wie das Hall-Heroult-Verfahren; das Verständnis dieser chemischen Schlüsselreaktionen ermöglicht einen Einblick in diese wichtige Industrie.

Das Hall-Heroult-Verfahren beruht auf der elektrochemischen Auflösung von Aluminiumoxid, um reines metallisches Aluminium und Sauerstoffgas zu erzeugen. Da es sich hierbei um ein äußerst komplexes Verfahren handelt, das für eine effiziente Produktion eine präzise Steuerung erfordert, müssen Temperatur, Stromstärke und Zusammensetzung des Elektrolyten genauestens kontrolliert werden, um ein erfolgreiches Ergebnis zu erzielen.

Charles Martin Hall, damals 20-jähriger Student im ersten Jahr am Oberlin College in Ohio, begann 1880 mit der Erforschung von Möglichkeiten zur Herstellung von Aluminium. Obwohl seine ersten Versuche, mit Hilfe von elektrischem Strom Aluminium aus Tonerde zu gewinnen, scheiterten, gelang Hall 1886 ein Durchbruch, der die Geschichte des Aluminiums für immer verändern sollte.

Er löste Tonerde in Kryolithmineral auf und legte Graphitstabelektroden in die Lösung. Dann ließ er elektrischen Strom durch seine Elektroden fließen, um auf der positiven Seite (Kathode) geschmolzenes Aluminium zu erzeugen, während auf der negativen Seite (Anode) Sauerstoffgas erzeugt wurde. Hall wiederholte diesen Prozess erfolgreich und gründete schließlich 1888 die Pittsburgh Reduction Company.

Das Hall-Heroult-Verfahren ist seit langem die wichtigste industrielle Methode zur Herstellung von Aluminium. Obwohl es energieintensiv ist, hat es in den letzten 110 Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, um den Stromverbrauch während des Prozesses zu reduzieren und Kohlendioxid zu erzeugen, das wiederum als Treibhausgas einige Bedenken aufwirft. Dennoch wurden in diesem Zeitraum kontinuierliche Anstrengungen unternommen, um den Verbrauch so weit wie möglich zu senken.

Das hydrochemische Verfahren

Bauxit, ein natürliches Mineral, das reich an Aluminium ist, wird immer stärker nachgefragt und findet in der Industrie breite Anwendung, so dass das Verfahren zur Umwandlung dieses reichlich vorhandenen Elements in gereinigtes Aluminium ständig verfeinert wird. Dieses komplexe und energieintensive Verfahren hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie z. B. der Lage der Vorkommen, der Nähe von Stromquellen für die Verhüttung, Effizienzmaßnahmen und dem Engagement für nachhaltige Praktiken.

Das Bayer-Verfahren umfasst mehrere Schritte: Aufschluss mit Natronlauge, Abtrennung der aluminiumhaltigen Mineralien aus der Lösung (Rotschlamm genannt), Ausfällung von Natriumaluminatkristallen und schließlich Kalzinierung. Damit ist es ein wesentlicher Bestandteil der Aluminiumproduktion: Tonerde ist auch ein unverzichtbarer Rohstoff für die Herstellung von gießbaren feuerfesten Materialien und Schleifmitteln.

Nach dem Bayer-Verfahren kann Tonerde mit Hilfe des elektrolytischen Hall-Heroult-Verfahrens in reines Aluminium umgewandelt werden. Dies geschieht in einem mit Kohlenstoff ausgekleideten Topf, der mit einem Kryolithbad ausgestattet ist, das den Schmelzpunkt von Aluminiumoxid herabsetzt; durch dieses Bad fließt ein elektrischer Strom, während Sauerstoff aus der Luft mit den Kathodenelektroden in Wechselwirkung tritt und an den Anodenelektroden Kohlendioxidgas und flüssiges Aluminium bildet; das Kohlendioxidgas kann dann an den Anodenelektroden als Kohlendioxidgas aufgefangen werden, wodurch Kohlendioxidgas entsteht, das dann an den Anoden flüssiges Aluminium zur Verwendung durch die Endverbraucher bildet; weitere Informationen.

Diagramme geben einen Einblick in die elektrochemischen Reaktionen, die den Hall-Heroult-Prozess ausmachen. Anhand einer Gleichung für die Tonerdeextraktion lässt sich feststellen, dass die wichtigsten Prozesse dabei ablaufen:

Die Salzsäurelaugung ist der erste Schritt zur Gewinnung von Bauxit. Bei idealen Konzentrationen und Volumen-Masse-Verhältnissen/Reaktionstemperaturen erreichen die Auslaugungsraten ihren Höhepunkt.

Die in Abscheidebehälter gepumpte Tonerde setzt sich dann ab und keimt zu festem Aluminiumhydroxid, bevor sie in eine Schmelzkammer überführt oder direkt dorthin gepumpt wird, wo sie erhitzt wird, bis das metallische Aluminium schmilzt und dann in Barren gegossen wird, die dann geschmiedet, gewalzt oder in verschiedene Formen oder Größen für bestimmte Verwendungszwecke gezogen werden können.

Aluminium kann in einer Reihe von Fertigprodukten verwendet werden, von Automobilen bis hin zu Flugzeugen. Aluminiumlegierungen haben auch spezifische Eigenschaften für bestimmte Verwendungszwecke, darunter Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit - diese Legierungen können dann eingeschmolzen, gegossen oder zu Blechen gezogen werden, um Komponenten für moderne Maschinen, Baumaterialien oder Konsumgüter herzustellen.

Der Oxidationsprozess

Aluminium ist eines der drei am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste, kommt aber in der Natur nicht in reiner Form vor. Stattdessen muss Aluminium mit fortschrittlichen elektrochemischen Verfahren aus dem Primärrohstoff Bauxit gewonnen werden, um kommerziell hergestellt werden zu können. Aluminium spielt in vielen industriellen Anwendungen weltweit eine wichtige Rolle.

Das Hall-Heroult-Verfahren ist ein wesentlicher Schritt bei der Gewinnung von Aluminium. Bei dieser Methode wird elektrischer Strom verwendet, um chemische Reaktionen auszulösen, die Aluminiumoxid von Aluminiumoxid trennen. Die Schülerinnen und Schüler sollten sich mit der Funktionsweise dieser Methode befassen, da sie einen Einblick sowohl in die Chemie als auch in die damit verbundenen technischen Herausforderungen bietet.

Wie bei der Bayer-Methode steht am Anfang dieses Prozesses Bauxit als Rohmaterial, das reich an Aluminiumoxid ist und zu reinem Metall raffiniert werden muss. Obwohl es ein intensiver und ressourcenintensiver Prozess ist, hat er es der Industrie weltweit ermöglicht, Aluminium zu nutzen.

Zu Beginn des Prozesses muss Bauxit zunächst zerkleinert und gereinigt werden, um Tonerde (Al2O3) zu gewinnen, bevor es mit Kryolith (Na3AlF6) gemischt wird, um seinen Schmelzpunkt zu senken und die Leitfähigkeit zu verbessern. Nach dem Mischen wird dieses Gemisch in einen Kohle- oder Graphittopf als Elektrolysezelle gegeben und Strom angelegt; an der Kathode bildet sich Sauerstoff, während an der Anode Tonerde zu flüssigem Aluminium reduziert wird.

Durch Filtration und Zentrifugation wird das Aluminiumoxid aus der Lösung abgetrennt und in mehrere sechs Stockwerke hohe Fällungstanks gepumpt, wo feste Aluminiumoxidhydrat-Keimkristalle für die Fällung hinzugefügt werden. In diesen Tanks wird es mit Wasser verdünnt, bis die Konzentration für die Ausfällung erreicht ist. Anschließend wird es in Wasser aufgeschlämmt, um Verunreinigungen zu entfernen, bevor es für die Reaktion auf etwa 1200 Grad Celsius erhitzt wird; nach Abschluss der Reaktion wird es erneut gefiltert, bevor es mit Dampf zu einem Aluminiumoxidschlamm für die Produktion aufgeschlämmt wird.