Aluminium

Das metallische Element Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste und macht 8 % der Erde und des Gesteins aus (Sauerstoff und Silizium machen 47 % bzw. 28 % aus). In der Natur kommt Aluminium nur in chemischen Verbindungen mit anderen Elementen wie Schwefel, Silizium und Sauerstoff vor. Reines, metallisches Aluminium kann wirtschaftlich nur aus Aluminiumoxid-Erz gewonnen werden.

Metallisches Aluminium hat viele Eigenschaften, die es für eine breite Palette von Anwendungen nützlich machen. Es ist leicht, fest, nicht magnetisch und ungiftig. Es leitet Wärme und Elektrizität und reflektiert Wärme und Licht. Es ist fest, aber leicht zu bearbeiten und behält seine Festigkeit auch bei extremer Kälte, ohne spröde zu werden. Die Oberfläche von Aluminium oxidiert schnell und bildet eine unsichtbare Barriere gegen Korrosion. Außerdem lässt sich Aluminium leicht und kostengünstig zu neuen Produkten recyceln.

Hintergrund

Aluminiumverbindungen haben sich seit Tausenden von Jahren als nützlich erwiesen. Um 5000 v. Chr. stellten persische Töpfer ihre stärksten Gefäße aus Ton her, der Aluminiumoxid enthielt. Die alten Ägypter und Babylonier verwendeten Aluminiumverbindungen in Textilfarben, Kosmetika und Medikamenten. Erst im frühen neunzehnten Jahrhundert wurde Aluminium als Element identifiziert und als reines Metall isoliert. Die Schwierigkeit, Aluminium aus seinen natürlichen Verbindungen zu extrahieren, führte dazu, dass das Metall viele Jahre lang selten war; ein halbes Jahrhundert nach seiner Entdeckung war es immer noch so selten und wertvoll wie Silber.

Im Jahr 1886 entwickelten zwei 22-jährige Wissenschaftler unabhängig voneinander ein Schmelzverfahren, das eine wirtschaftliche Massenproduktion von Aluminium ermöglichte. Das nach seinen amerikanischen und französischen Erfindern als Hall-Heroult-Verfahren bezeichnete Verfahren ist noch heute die wichtigste Methode der Aluminiumherstellung. Auch das Bayer-Verfahren zur Raffination von Aluminiumerz, das 1888 von einem österreichischen Chemiker entwickelt wurde, trug wesentlich zur wirtschaftlichen Massenproduktion von Aluminium bei.

Im Jahr 1884 wurden in den Vereinigten Staaten 60 kg (125 lb) Aluminium hergestellt, das etwa zum gleichen Stückpreis wie Silber verkauft wurde. Im Jahr 1995 produzierten die amerikanischen Fabriken 7,8 Milliarden Pfund (3,6 Millionen Tonnen) Aluminium, und der Preis von Silber war fünfundsiebzigmal so hoch wie der von Aluminium.

Rohstoffe

Aluminiumverbindungen kommen in allen Arten von Ton vor, aber das Erz, das sich am besten für die Herstellung von reinem Aluminium eignet, ist Bauxit. Bauxit besteht zu 45-60 % aus Aluminiumoxid und enthält außerdem verschiedene Verunreinigungen wie Sand, Eisen und andere Metalle. Obwohl einige Bauxitvorkommen aus hartem Gestein bestehen, handelt es sich bei den meisten um relativ weiche Erde, die leicht im Tagebau abgebaut werden kann. Australien produziert mehr als ein Drittel des weltweiten Bauxitangebots. Man benötigt etwa 2 kg (4 lb) Bauxit, um 0,5 kg (1 lb) Aluminiummetall zu gewinnen.

Natronlauge (Natriumhydroxid) wird verwendet, um die im Bauxit enthaltenen Aluminiumverbindungen aufzulösen und sie von den Verunreinigungen zu trennen. Je nach Zusammensetzung des Bauxiterzes können relativ geringe Mengen anderer Chemikalien bei der Gewinnung eingesetzt werden

Aluminium wird in zwei Phasen hergestellt: dem Bayer-Verfahren, bei dem das Bauxiterz zu Aluminiumoxid raffiniert wird, und dem Hall-Heroult-Verfahren, bei dem das Aluminiumoxid zu reinem Aluminium geschmolzen wird.

von Aluminium. Stärke, Kalk und Natriumsulfid sind einige Beispiele.

Kryolith, eine chemische Verbindung aus Natrium, Aluminium und Fluor, wird als Elektrolyt (stromleitendes Medium) bei der Verhüttung verwendet. Natürlich vorkommendes Kryolith wurde früher in Grönland abgebaut, doch wird die Verbindung heute synthetisch für die Aluminiumproduktion hergestellt. Aluminiumfluorid wird hinzugefügt, um den Schmelzpunkt der Elektrolytlösung zu senken.

Der andere wichtige Bestandteil des Schmelzvorgangs ist Kohlenstoff. Kohlenstoffelektroden leiten den elektrischen Strom durch den Elektrolyten. Während des Schmelzvorgangs wird ein Teil des Kohlenstoffs verbraucht, da er sich mit Sauerstoff zu Kohlendioxid verbindet. Tatsächlich wird etwa ein halbes Pfund (0,2 kg) Kohlenstoff für jedes produzierte Pfund (2,2 kg) Aluminium verbraucht. Ein Teil des bei der Aluminiumschmelze verwendeten Kohlenstoffs ist ein Nebenprodukt der Erdölraffination; weiterer Kohlenstoff wird aus Kohle gewonnen.

Da bei der Aluminiumschmelze elektrischer Strom durch einen geschmolzenen Elektrolyten geleitet wird, sind große Mengen an elektrischer Energie erforderlich. Im Durchschnitt werden für die Herstellung von 1 kg Aluminium 15 Kilowattstunden (kWh) Energie benötigt. Die Stromkosten machen etwa ein Drittel der Kosten für das Schmelzen von Aluminium aus.

Der Herstellungsprozess

Die Aluminiumherstellung erfolgt in zwei Phasen: dem Bayer-Verfahren, bei dem das Bauxiterz zu Aluminiumoxid raffiniert wird, und dem Hall-Heroult-Verfahren, bei dem das Aluminiumoxid zu reinem Aluminium geschmolzen wird.

Das Bayer-Verfahren

• 1 Zunächst wird das Bauxiterz mechanisch zerkleinert. Dann wird das zerkleinerte Erz mit Natronlauge gemischt und in einer Schleifmühle zu einer Aufschlämmung (einer wässrigen Suspension) verarbeitet, die sehr feine Erzpartikel enthält.
• 2 Die Aufschlämmung wird in einen Fermenter gepumpt, einen Tank, der wie ein Dampfkochtopf funktioniert. Der Schlamm wird auf 230-520°F (110-270°C) unter einem Druck von 50 lb/in 2 (340 kPa) erhitzt. Diese Bedingungen werden für einen Zeitraum von einer halben Stunde bis zu mehreren Stunden aufrechterhalten. Zusätzliche Natronlauge kann hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass alle aluminiumhaltigen Verbindungen gelöst werden.
• 3 Die heiße Aufschlämmung, die nun eine Natriumaluminatlösung ist, durchläuft eine Reihe von Entspannungsbecken, die den Druck verringern und Wärme zurückgewinnen, die im Raffinationsprozess wiederverwendet werden kann.
• 4 Die Aufschlämmung wird in einen Absetzbehälter gepumpt. Während die Aufschlämmung in diesem Tank ruht, setzen sich Verunreinigungen, die sich nicht in der Natronlauge auflösen, auf dem Boden des Behälters ab. Ein Hersteller vergleicht diesen Vorgang mit feinem Sand, der sich auf dem Boden eines Glases mit Zuckerwasser absetzt; der Zucker setzt sich nicht ab, weil er im Wasser gelöst ist, so wie das Aluminium im Absetzbecken in der Natronlauge gelöst bleibt. Der Rückstand (genannt „Rotschlamm“), der sich am Boden des Tanks ansammelt, besteht aus feinem Sand, Eisenoxid und Oxiden von Spurenelementen wie Titan.
• 5 Nachdem sich die Verunreinigungen abgesetzt haben, wird die verbleibende Flüssigkeit, die ein wenig wie Kaffee aussieht, durch eine Reihe von Stofffiltern gepumpt. Alle feinen Verunreinigungspartikel, die in der Lösung verbleiben, werden von den Filtern aufgefangen. Dieses Material wird gewaschen, um Tonerde und Natronlauge zu gewinnen, die wiederverwendet werden können.
• 6 Die gefilterte Flüssigkeit wird durch eine Reihe von sechs Stockwerke hohen Fällungstanks gepumpt. Über das obere Ende jedes Tanks werden Keimkristalle aus Aluminiumoxidhydrat (an Wassermoleküle gebundenes Aluminiumoxid) zugegeben. Die Impfkristalle wachsen, wenn sie sich in der Flüssigkeit absetzen und sich das gelöste Aluminiumoxid an ihnen festsetzt.
• 7 Die Kristalle fallen aus (setzen sich auf dem Boden des Tanks ab) und werden entfernt. Nach dem Waschen werden sie zum Kalzinieren in einen Ofen gebracht (Erhitzen, um die Wassermoleküle freizusetzen, die chemisch an die Aluminiumoxidmoleküle gebunden sind). Eine Förderschnecke transportiert einen kontinuierlichen Strom von Kristallen in einen rotierenden, zylindrischen Ofen, der geneigt ist, damit das Material durch die Schwerkraft bewegt wird. Bei einer Temperatur von 1.100 °C (2.000 °F) werden die Wassermoleküle ausgetrieben, so dass wasserfreie Aluminiumoxidkristalle zurückbleiben. Nach dem Verlassen des Ofens durchlaufen die Kristalle einen Kühler.

Das Hall-Heroult-Verfahren

Das Schmelzen von Aluminiumoxid zu metallischem Aluminium erfolgt in einem Stahltopf, dem sogenannten Reduktionstopf. Der Boden des Topfes ist mit Kohlenstoff ausgekleidet, der als eine Elektrode (Leiter des elektrischen Stroms) des Systems fungiert. Die gegenüberliegenden Elektroden bestehen aus einer Reihe von Kohlenstoffstäben, die über dem Topf aufgehängt sind; sie werden in eine Elektrolytlösung gesenkt und etwa 3,8 cm über der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums gehalten, das sich auf dem Boden des Topfes ansammelt. Die Reduktionstöpfe sind in Reihen (Potlines) angeordnet, die aus 50-200 Töpfen bestehen, die in Reihe geschaltet sind und einen Stromkreis bilden. Jede Potline kann 66.000-110.000 Tonnen (60.000-100.000 metrische Tonnen) Aluminium pro Jahr produzieren. Eine typische Schmelzanlage besteht aus zwei oder drei Potlines.

• 8 Im Reduktionstopf werden Tonerdekristalle in geschmolzenem Kryolith bei einer Temperatur von 960-970 °C aufgelöst, um eine Elektrolytlösung zu bilden, die den Strom von den Kohlestäben zum kohleausgekleideten Bett des Topfes leitet. Ein Gleichstrom (4-6 Volt und 100.000-230.000 Ampere) wird durch die Lösung geleitet. Durch die dadurch ausgelöste Reaktion werden die Bindungen zwischen den Aluminium- und Sauerstoffatomen in den Aluminiumoxidmolekülen aufgebrochen. Der freigesetzte Sauerstoff wird von den Kohlenstoffstäben angezogen, wo er Kohlendioxid bildet. Die freigesetzten Aluminiumatome setzen sich als geschmolzenes Metall auf den Boden des Topfes ab.

  Der Schmelzprozess ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem der Kryolithlösung mehr Aluminiumoxid zugesetzt wird, um die zersetzte Verbindung zu ersetzen. Es wird ein konstanter elektrischer Strom aufrechterhalten. Die durch den Stromfluss an der unteren Elektrode erzeugte Wärme hält den Inhalt des Topfes in einem flüssigen Zustand, doch bildet sich auf dem geschmolzenen Elektrolyten eine Kruste. Von Zeit zu Zeit wird die Kruste aufgebrochen, damit mehr Aluminiumoxid für die Verarbeitung zugegeben werden kann. Das reine geschmolzene Aluminium sammelt sich am Boden des Topfes und wird abgezogen. Die Töpfe werden 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche betrieben.

• 9 Ein Schmelztiegel wird in der Potline nach unten bewegt und sammelt 4.000 kg geschmolzenes Aluminium, das zu 99,8 % rein ist. Das Metall wird in einen Warmhalteofen überführt und dann als Barren gegossen (in Formen gegossen). Eine gängige Technik besteht darin, das geschmolzene Aluminium in eine lange, horizontale Form zu gießen. Während sich das Metall durch die Form bewegt, wird die Außenseite mit Wasser gekühlt, wodurch das Aluminium erstarrt. Der feste Schaft tritt am anderen Ende der Form aus, wo er in geeigneten Abständen gesägt wird, um Barren der gewünschten Länge zu formen. Wie der Schmelzprozess selbst ist auch dieses Gießverfahren kontinuierlich.

Nebenprodukte/Abfälle

Das Zwischenprodukt Tonerde, das beim Bayer-Verfahren anfällt und den Rohstoff für das Hall-Heroult-Verfahren bildet, ist ebenfalls ein nützliches Endprodukt. Es handelt sich um eine weiße, pulverförmige Substanz, deren Konsistenz zwischen Talkumpuder und Kristallzucker liegt. Es kann in einer Vielzahl von Produkten wie Waschmitteln, Zahnpasta und Leuchtstoffröhren verwendet werden. Es ist ein wichtiger Bestandteil von keramischen Werkstoffen, z. B. wird es zur Herstellung von Zahnprothesen, Zündkerzen und klaren Keramikwindschutzscheiben für Militärflugzeuge verwendet. Es ist ein effektives Poliermittel und wird unter anderem für die Endbearbeitung von Computerfestplatten verwendet. Aufgrund seiner chemischen Eigenschaften wird es auch in vielen anderen Anwendungen eingesetzt, darunter in Katalysatoren und Sprengstoffen. Es wird sogar als Raketentreibstoff verwendet – 180.000 kg werden bei jedem Start eines Space Shuttle verbraucht. Etwa 10 % der jährlich produzierten Tonerde wird für andere Anwendungen als die Herstellung von Aluminium verwendet.

Das größte Abfallprodukt, das bei der Raffination von Bauxit anfällt, ist der „Rotschlamm“ genannte Abraum. In einer Raffinerie fällt etwa die gleiche Menge an Rotschlamm an wie Tonerde (bezogen auf das Trockengewicht). Er enthält einige nützliche Stoffe wie Eisen, Titan, Soda und Tonerde, aber es ist noch niemandem gelungen, ein wirtschaftliches Verfahren zu ihrer Gewinnung zu entwickeln. Abgesehen von einer kleinen Menge Rotschlamm, die kommerziell zum Färben von Mauerwerk verwendet wird, handelt es sich um ein echtes Abfallprodukt. Die meisten Raffinerien sammeln den Rotschlamm einfach in einem offenen Teich, in dem ein Teil der Feuchtigkeit verdunstet; wenn der Schlamm zu einer ausreichend festen Konsistenz getrocknet ist, was mehrere Jahre dauern kann, wird er mit Erde bedeckt oder mit Erde vermischt.

Bei der Zersetzung der Kohlenstoffelektroden während des Schmelzvorgangs fallen verschiedene Arten von Abfallprodukten an. Die Aluminiumwerke in den Vereinigten Staaten erzeugen erhebliche Mengen an Treibhausgasen, etwa 5,5 Millionen Tonnen Kohlendioxid und 3.300 Tonnen Perfluorkohlenwasserstoffe (Verbindungen aus Kohlenstoff und Fluor) pro Jahr.

Jedes Jahr werden etwa 120.000 Tonnen (110.000 metrische Tonnen) verbrauchte Auskleidungsmaterialien (SPL) aus Aluminiumreduktionsbehältern entfernt. Da SPL von der Environmental Protection Agency (EPA) als gefährliches Material eingestuft wurde, stellt es ein erhebliches Entsorgungsproblem für die Industrie dar. Im Jahr 1996 wurde die erste einer geplanten Reihe von Recyclinganlagen eröffnet, die SPL in Glasfritte umwandeln, ein Zwischenprodukt, aus dem Glas und Keramik hergestellt werden können. Letztendlich wird das recycelte SPL in Produkten wie Keramikfliesen, Glasfasern und Asphaltschindelgranulat verwendet.

Die Zukunft

Praktisch alle Aluminiumhersteller in den Vereinigten Staaten sind Mitglieder der Voluntary Aluminum Industrial Partnership (VAIP), einer Organisation, die eng mit der EPA zusammenarbeitet, um Lösungen für die Verschmutzungsprobleme der Industrie zu finden. Ein Schwerpunkt der Forschung ist die Entwicklung eines inerten (chemisch inaktiven) Elektrodenmaterials für Aluminiumreduktionstöpfe. Eine Titan-Diborid-Graphit-Verbindung ist sehr vielversprechend. Zu den Vorteilen, die erwartet werden, wenn diese neue Technologie perfektioniert ist, gehören die Beseitigung der Treibhausgasemissionen und eine 25 %ige Verringerung des Energieverbrauchs während des Schmelzvorgangs.