Aluminiumindustrie. Auf welche Weise wird Aluminium mit hoher Reinheit gewonnen?

Veröffentlicht: 6-06-2018

Aluminium ist das in der Erdkruste meistverbreitete Element– es nimmt mit einem Anteil von 7% gleich nach Sauerstoff und Silicium den dritten Platz. Es wird aus Bauxit gewonnen, also aus Sedigmentgestein, in dem es vor allem als Oxid vorhanden ist. Das Metall ist seit über 2 Tausend Jahren allgemein bekannt und charakterisiert sich mit einer breiten technischen Anwendung. Wozu können wir es also nutzen?

In der Industrie wird Aluminium vor allem als Legierungen mit anderen Elementen verwendet, was seine Nutzungseigenschaften verbessert. In dieser Form bildet es ein universaler Konstruktionsstoff mit sehr vielseitiger Anwendung. Unter Aluminiumlegierungen können unter anderen Gusslegierungen und Legierungen ausgezeichnet werden, die zum Umformen benutzt werden. In ihre Zusammensetzung kommen, außer Aluminium, die Elemente wie Kupfer, Magnesium, Silicium und Mangan. Aluminiumlegierungen werden unter anderen im Flugwesen, in der Chemie-, Automobilindustrie und sogar bei Schiffbau verwendet.

Aluminium wird auch in der Industrie in reiner Form breit benutzt. In der Form dient es zur Herstellung von verschiedenen Gegenständen für den täglichen Bedarf, wie z. B. Spiegel, Dosen für Getränke und Nahrung, Küchengeschirr oder allgemein bekannte Alufolie. Es wird auch zur Herstellung von chemischen Anlagen, elektrischen Leitungen und sogar Sprengstoffen verwendet. Um das Element aus Bauxiterz zu isolieren, ist es nötig, zwei nacheinander gefolgte Etappen durchzuführen. Die erste davon ist das Bayer-Verfahren, das erlaubt, aus dem Mineral Aluminiumoxid zu gewinnen. Die Verbindung wird danach der Elektrolyse ausgesetzt und infolge dessen wird das Aluminium mit technischer Reinheit erzeugt.

Woraus wird das Aluminium hergestellt?

Das Reinaluminium kommt freilich in der Natur wegen seiner Fähigkeit zur Passivierung nicht vor. Die Erscheinung beruht auf Oxidation des Metals in der Luft und infolge dessen entsteht eine passive Schutzsicht auf seiner Oberfläche. Beim Aluminium wird es zuerst mit einer Schicht von Aluminiumoxid (Al2O3) mit der Dicke von ein paar nm gedeckt. Danach wird die Außenschicht unter dem Einfluss der Feuchte der teilweisen Hydrolyse ausgesetzt und dadurch entsteht Wasserstoffoxid, also Al(OH)3 zusätzlich.

Das Aluminium ist ein Bestandteil von verschiedenem Mineralgestein, das in der Natur in der Form von Erz vorhanden ist. Zur Herstellung von Reinaluminium werden tonige Bauxiterze vor allem benutzt. Sie entstehen vor allem an Orten der Verwitterung von Alumosilikatgestein in dem heißen Klima und beinhalten auch Eisenverbindungen. Das sind Felsen mit einer charakteristischen roten oder braunen Farbe, die in zwei Sorten vorhanden sind: Silikatbauxit und Karbonatbauxit.

Herstellung von Aluminium mit technischer Reinheit

Das Aluminium mit technischer Reinheit (über 99%) wird industriell infolge der zwei nacheinander gefolgten Verfahren gewonnen. Beim ersten Verfahren (das Bayer-Verfahren) wird Aluminiumoxid gewonnen und bei der nächsten Etappe wird das Verfahren der elektrolytischen Reduktion (Elektrolyse mit der Hall-Heroult-Methode) durchgeführt, dank der das Reinaluminium gewonnen wird. Wegen der Begrenzung von Kosten, die mit dem Transport von Bauxitharzen verbunden sind, wird die Mehrheit von Verarbeitungsbetriebe in der Nähe von Bergwerken gebaut.

Das Bayer-Verfahren

Die erste Etappe nach dem Erzabbau bildet Spülen mit Wasser. Auf diese Weise wird die Mehrheit von Verschmutzungen beseitigt, die wasserlöslich sind. Dann zu dem so vorbereiteten Rohstoff wird CaO, also Calciumoxid hinzugegeben. Das Ganze wird mit Hilfe von speziellen Ruhrmühlen zerbröckelt, bis Körner mit sehr kleinem Durchmesser, d.h. unter 300 μm gewonnen werden. Feines Stoßen vom Rohstoff ist äußerst relevant, weil es eine entsprechend große innere Oberfläche von Körnern sichert und das hat einen Einfluß auf mehr effektives Vorkommen des Extraktionsverfahrens.

Die nächste Etappe der Herstellung von Aluminiumoxid beruht auf Lösung der Körner mit Hilfe der wässerigen Lösung von der kaustischen Soda.  In der PCC-Gruppe wird Natriumhydroxid mit der Membranenelektrolise erzeugt. Das auf diese Weise gewonnene Produkt charakterisiert sich mit äußerst hoher Qualität und Reinheit und erfüllt dabei Erforderungen der neuesten Ausgabe vom Europäischen Arzneibuch (European Pharmacopea). Das Gemisch, das gestoßene Körner und  Natriumhydroxid beinhalten, wird einige Stunden lang in speziellen Reaktoren, Autoklave genannt, aufbewahrt. Beim vorkommenden Fällungsverfahren werden der Hochdruck und die erhöhte Temperatur in den Reaktoren  bewahrt.  Auf diese Weise wird Natriumaluminat gewonnen, das dann mit Hilfe von verschiedenen Filtern gesäubert wird.

Beim nächsten Schritt wird die gesäuberte Lösung von Natriumaluminat dem Zerfall ausgesetzt. Infolge dessen werden die Natronlauge (das ist eine wässerige Lösung von der kaustischen Soda) und Kristalle von Aluminiumhydroxid mit hohem Reinheitsgrad gewonnen. Der infolge der Kristalisierung gewonnene Niederschlag wird abgeseiht und mit Wasser gespült. Die gebliebene Natronlauge wiederum wird geheizt und zur Wiederverwertung beim Verfahren gewendet.

Die letzte Etappe bei der Herstellung von Aluminiumoxid ist Kalzinierung. Sie beruht auf Beheizung von Aluminiumhydroxid in der Temperatur von über 1000oC, infolge dessen kommt es zu seiner Zersetzung zu Al2O3, das in der Form von einem reinen weißen Pulver gewonnen wird. Das so vorbereitete Aluminiumoxid wird zu Öfen transportiert, um das metallische Aluminum beim Verfahren der elektrolytischen Reduktion zu gewinnen.

Elektrolyse von Aluminiumoxid

Der nächste Schritt bei der Gewinnung von Reinaluminium ist die Durchführung des Elektrolyse-Verfahrens mit der Hall-Heroult-Methode. Zuerst wird das beim Bayer-Verfahren gewonnene Al2O3 mit Kryolith geschmolzen und die so vorbereitete Lösung wird dem Elektrolyse-Verfahren in der Temperatur ausgesetzt, die 900oC nicht überschreitet. Das auf diese Weise gewonnene flüssige Aluminium wird von dem Elektrolyt abgetrennt und mit Hilfe von den sog. Saugrohren aus den Elektolysezellen entfernt. Der Rohstoff kommt dann in eine Gußanlage, wo er bei der weiteren Etappe in geheizte Öfen eingeführt wird, in denen das Raffinationsverfahren vorkommt. Es beruht auf Säuberung von Aluminium, damit seine möglichst hohe Reinheit gewonnen wird. Das Aluminium kann industriell mit zwei Methoden gesäubert werden.  Die erste davon beruht auf Schmelzung von Aluminium und dann wird Chlor dadurch durchgelassen, dadurch werden Verschmutzungen in der Form von Chloriden gebunden und aus dem Verfahren entfernt. Die andere Methode beruht auf elektrolytische Reduktion von Aluminium, das mit Kupfer geschmolzen wird. Das auf diese Weise gewonnene Endprodukt charakterisiert sich mit sehr hoher Reinheit.

Aluminium = Material der Zukunft

Die Entwicklung der Methode für Herstellung von Reinaluminium aus Bauxit mit Verwendung des Bayer-Verfahrens und der Hall-Heroult-Elektrolyse hat dazu beigetragen, dass die Anwendung von diesem Element für weitere Möglichkeiten erweitert wurde. Außerdem verursacht die Verbindung der hohen Festigkeit mit der Leichtigkeit, dass das Aluminium bei einigen Applikationen Stahl ersetzen kann, weil es billiger als Stahl ist. Die Beständigkeit gegen Wirkung von Wetterbedingungen verursacht, dass das Aluminium zur Herstellung von Fenster- und Türprofilen verwendet wird. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, das Aluminium mehrmals zu recyceln, und dadurch ist es ein relativ umweltfreundliches Material.

Abschließend ist das Aluminium ein ungewöhnlich universales Material, das breit in der Lebensmittel-, Energie-, Chemie-, Transport-, Bau-, Automobil- unf Flugfahrtindustrie benutzt wird. Hinsichtlich zahlreicher Vorteile von Aluminium ist es bestimmt sicher, dass es kein Ende für Nutzungsmöglichkeiten von Aluminium ist und das Aluminium weiterhin in der nächsten Zukunft an Popularität gewinnen wird.

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