|
1. Aufschluß des Rohstoffs Bauxit( =Sammelbezeichnung für hydroxidische Tonerdemineralien: Al2O3, H2O, Fe2 O3, SiO2, TiO2; ), da sich sonst die edleren Verunreinigungen mit dem Al elektrolytisch abscheiden würden, was die Gewinnung von Reinaluminium unmöglich macht.
Trockener Aufschluß erfolgt bei SiO2-reichen Bauxiten: Gemahlener Bauxit, calzinierte Soda ( zu Aluminiumoxid entwässertes Aluminiumhydroxid ) und gebrannter Kalk werden gemischt und in großen Drehöfen(bis zu 100m Länge) bei 1000°C geglüht. Das Sinterprodukt wird mit Wasser behandelt und daraus das unlösliche Eisenhydroxid als Rotschlamm abgetrennt, das Aluminat durch CO2 als Al(OH)3 ausgefällt und durch Glühen in α- Al2O3 umgewandelt.
Al2O3 + Na2CO3 fà 2 NaAlO2 + CO2
Die zurückgewonnene Soda geht in den Aufschlußprozeß zurück.
Nasser Aufschluß erfolgt bei SiO2-armen Bauxiten nach dem Bayer-Verfahren:
Getrockneter und gemahlener Bauxit wird mit NaOH aufgeschlossen.
Dabei geht Al als Aluminat in Lösung, die Beimengungen bleiben im Rotschlamm zurück.
Durch Impfen mit Al(OH)3 (Beschleunigung der Kristallisation) und Rühren wird das Al
als Aluminiumhydroxid ausgefällt und durch anschließendes Glühen in Drehöfen bei
1200°C in α- Al2O3 umgewandelt.
1. Al(OH)3 + NaOH à Na[Al(OH)4]
2. 2 Al(OH)3 à Al2O3 + 3 H2O
Die zurückgewonnene Natronlauge geht in den Aufschlußprozess zurück.
Früher wurde der beim Aufschluß anfallende Rotschlamm auf Deponien gekippt. Inzwischen wird er teilweise zu Eisen, Farbpigmenten und Flockungsmittel weiterverarbeitet.
Für die Schmelzflußelektrolyse wird das Aluminiumoxid in einer Schmelze von Kryolith gelöst. Dadurch sinkt die Badtemperatur auf 950°C, während für reines Al2O3 der Schmelzpunkt bei 2045°C liegt. Die Schmelze enthält 15-20% Al2O3 und da ihre Dichte
2,15 g/cm³ beträgt, sedimentiert das abgeschiedene Metall(Dichte 2,7 g/cm³) und entkommt so der Rückoxidation durch den Luftsauerstoff.
2. Schmelzflußelektrolyse des reinen Al
Der Elektrolyseofen besteht aus einer mit Kohlenstoff ausgekleideten Wanne(Kathode), in die von oben Graphitelektroden als Anoden hineinragen. Der Schmelze wird in regelmäßigen Abständen Aluminiumoxid hinzugeführt, das der elektrische Strom(Stromstärken bis über 100.000 A bei 5-7 V Spannung) in Al und O2 zerlegt. Die Stromverluste in der Schmelze heizen diese gleichzeitig auf. O2 reagiert an den Anoden zu CO und CO2 und entweicht. Das geschmolzene Al sammelt sich am Boden der Wanne und wird von Zeit zu Zeit abgestochen(=abgesaugt).
Der Reinheitsgrad des gewonnenen Al beträgt 99,5-99,9%.
1. Kathode: 4 Al3+ + 12 e- à 4 Al
2. Anode: 3 C + 6 O2- à 3 CO2 m + 12 e-
C + CO2 à 2 CO m
Die Aluminiumherstellung ist sehr energieintensiv: Um 1t Al zu gewinnen, benötigt man 4t Bauxit, ½ t Elektrodenmaterial, 20 GJ(Gigajoule) Wärmeenergie zur Reinigung des Bauxits und 13,5 MWh elektrische Energie für die eigentliche Elektrolyse.
Das Schmelzflußelektrolyse-Verfahren schafft Umweltprobleme, da pro Tonne Al ca. 50kg Kryolith zersetzt werden(Anoden-Nebenreaktion). Dabei wird Fluor gebildet, das durch Abgasreinigungsanlagen zurückgehalten wird und in weiterer Folge mit Sodalösung umgesetzt wird. Dabei reagiert F mit H2O zu Fluorwasserstoff HF, der mit der basischen Sodalösung Natriumfluorid bildet, welches zur Kryolithherstellung verwendet wird. Dennoch entweichen beträchtliche Mengen des pflanzenschädlichen HF in die Umwelt.
Seit 1975 wird Al auch großtechnisch durch Elektrolyse von AlCl3 gewonnen. Vorteil: Keine Flußmittel, geringere Umweltbelastung.
3. Die Raffination des Al
Diese ist in manchen Fällen notwendig: sie erfolgt durch Dreischichten- elektrolyse: Die Zelle besteht aus einer mit Magnesitsteinen beschichteten eisernen Wanne, der Boden ist mit Kohle ausgekleidet und als Anode geschaltet. Graphitkathoden ragen von oben hinein. Das Al wird zur Erhöhung der Dichte mit Kupfer legiert und geschmolzen in den unteren Teil der Zelle eingebracht. Darüber wird eine Salzschmelze geschichtet, die spezifisch leichter als reines Al ist. Bei der Elektrolyse steigt nur das reine(>99,99%) Al zur Kathode auf, schwimmt auf der Salzschmelze und wird dort abgestochen.
Eigenschaften:
Al ist ein silbriges, dehnbares und unedles Leichtmetall mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur.
Oberhalb von 600°C nimmt es eine körnige Struktur an(Aluminium-Gries)
Es kann leicht zu Pulver(Aluminium-Bronze) gemahlen werden.
Al ist korrosionsbeständig, da es an der Oberfläche rasch eine sehr dünne, dichte, harte und durchsichtige Oxidschicht bildet, die vor weiterer Korrosion schützt, so daß Al korrosionsbeständiger ist als das viel edlere Eisen. Diese Oxidschicht läßt sich durch anodische Oxidation auf 0,02 mm verstärken(Eloxal-Verfahren = elektrolytisch oxidiertes Aluminium). Zum Löten muß diese inaktive Schutzschicht entfernt werden.
Die elektrische Leitfähigkeit ist groß, etwa 2/3 des Kupfers; Al ist auch ein guter Wärmeleiter. In wäßriger Lösung existiert vorwiegend das Kation [Al(H2O)6]3+. Die Verbindungen haben sowohl ionischen als auch kovalenten Charakter.
|
