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Aluminium ist das Metall, das in der Erdrinde chemisch gebunden am häufigsten vorkommt und aufgrund seiner Eigenschaften ein sehr wichtiger Werkstoff ist. In der Natur findet man es aber hauptsächlich in Form oxidischer Verbindungen, z.B. Bauxit (Aluminiumoxid).
Bauxit als wichtigstes Aluminiumerz wird zuerst von Verunreinigungen (z.B. Eisenoxide und Siliciumdioxid) gereinigt, so dass man reine Tonerde, bzw. Aluminiumoxid (Al2O3) erhält. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Aluminiumoxid (>2000°C) werden die Fluorverbindungen Kryolith (Na3AlF6) und AlF3 zugesetzt, so dass der Schmelzpunkt des Gemisches auf ca. 950°C herabgesetzt wird.
An der Kathode, der Kohleauskleidung der eisernen Elektrolysierwanne entsteht geschmolzenes Aluminium von hoher Reinheit (99,5-99,8%). Das Aluminium sinkt aufgrund seiner größeren Dichte nach unten und wird von Zeit zu Zeit abgestochen und zu Barren gegossen. An den Graphitelektroden entsteht Sauerstoff, der mit dem Graphit zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid weiter reagiert:
C + O2 -----> CO2
CO2 + C -----> 2CO
Dadurch werden die Graphitelektroden mit der Zeit zerfressen. Man verwendet lange Graphitstäbe, die ständig tiefer in die Schmelze hineingeschoben werden. Das Verfahren eignet sich zur kontinuierlichen Aluminiumproduktion. Mit ähnlichen Verfahren lassen sich auch Metalle wie Kalium, Calcium oder Magnesium herstellen.
Reaktionsgleichungen:
Kathodische Reduktion: 4Al3+ + 12e- -----> 4Al
Anodische Oxidation: 6O2- -----> 3O2 + 12 e-
Gesamtreaktion: 2Al2O3 -----> 4Al + 3O2
Vorteile des Verfahrens:
Durch den großen Energieaufwand entsteht so viel überschüssige Energie, dass man die Außenwände des Aluminiumbades nicht erhitzen muss, um das Bad flüssig zu halten.
Nachteile:
Das zur Herabsetzung des Schmelzpunktes beigesetzte Kryolith ist ein sehr seltenes Mineral, das durch Auflösen von Tonerde und Soda in Flusssäure hergestellt wird: Zur Herstellung von einer Tonne Aluminium werden 4-5 Tonnen Bauxit, 0,6 Tonnen Kohlenstoff (Anodenmaterial), 0,06 Tonnen Kryolith und 0,03 Tonnen AlF3 benötigt. Der Energieaufwand beträgt 151,2 MWh für die Erzreinigung, bzw. zur Herstellung der reinen Tonerde und 15,5 MWh für die endotherme Reaktion der Elektrolyse.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abgase neben dem Treibhausgas CO2 und dem giftigen CO sehr aggressive und umweltgefährliche Fluorverbindungen und Fluorwasserstoff enthalten. Daher müssen zusätzliche Abluft-Filteranlagen gebaut werden. Aus diesen Gründen ist eine Wiederverwertung von Aluminiumabfällen rentabel.
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