Vom Bauxit zum Aluminium

Aluminium ist ein Element, welches sehr häufig in der Natur vorkommt. Mit ca. 8% ist es das häufigste Metall in der Erdkruste, noch deutlich häufiger als beispielsweise Eisen. Trotzdem wurde das chemische Element Aluminium erst relativ spät entdeckt. Da Aluminium in der Natur (anders als beispielsweise Gold) nicht in gediegener Form, also als reines Aluminium, sondern nur in chemischen Verbindungen, insbesondere als Aluminiumoxid vorkommt, wurde erst 1821 ein Mineral entdeckt, welches aufgrund seines Fundortes in Südfrankreich in der Nähe von Les Baux Bauxit genannt wurde. Bauxit enthält kein reines Aluminiumoxid, sondern muss erst in einem vorgelagerten Schritt zu reinem Aluminiumoxid aufbereitet werden.

Dies erfolgt in der Regel nach dem sogenannten "Bayer-Verfahren". Dabei wird Bauxit getrocknet und gemahlen mit Natronlauge versetzt, wobei Aluminiumhydroxid entsteht, welches später durch einen Röstprozess in Aluminiumoxid überführt wird. Das so gewonnene reine Aluminiumoxid ist Ausgangsstoff für die nachfolgende Schmelzfluss-Elektrolyse.

Aluminiumoxid unterscheidet sich jedoch in seinen Eigenschaften massiv von reinem Aluminium, was bei der Aluminiumherstellung zu zahlreichen Herausforderungen führt. Aluminium ist ein sehr unedles Metall, welches eine sehr große Neigung hat, mit Sauerstoff Verbindungen einzugehen, und zu Aluminiumoxid oxidiert. Während Aluminium einen Schmelzpunkt von nur ca.660°C hat und sowohl elektrischen Strom als auch Wärme gut leitet, ist Aluminiumoxid ein guter Isolator mit einem Schmelzpunkt von ca. 2050°C, und dazu noch ein sehr hartes Material, welches auch als Schleifmittel unter der Bezeichnung Korund bekannt ist.

Aluminiumoxid ist eine chemisch sehr stabile Verbindung, welche sich weder in Säuren noch in Laugen löst. Prinzipiell wäre eine Elektrolyse von flüssigem Aluminiumoxid denkbar, dazu müsste jedoch das Aluminiumoxid auf über 2050°C erhitzt werden. Dies würde nicht nur zu einem extremen Energiebedarf zum Aufheizen der Schmelze führen, sondern auch sehr große Herausforderungen an die Elektrolysezelle stellen, da sowohl die Elektroden, als auch die Auskleidung der Zelle dauerhaft eine solche Temperatur ertragen müssten und weder schmelzen, noch unzulässig weich werden dürfte. Dies ist technisch kaum machbar. Daher bedient man sich bei der Gewinnung des Aluminiums eines Tricks. Mischt man Aluminiumoxid mit Kryolith, einem Aluminiumsalz, sinkt der Schmelzpunkt dieses Gemisches auf ca. 950° C ab. Solche Prozesstemperaturen sind technisch gut beherrschbar.

In der Schmelzflusselektrolyse ist die Elektrolysezelle (Wanne) mit Kohlenstoff ausgekleidet und bildet die Kathode. In die Wanne regt von oben eine weitere Elektrode (Anode) hinein, wobei das Aluminiumoxid in der Schmelze durch Anlegen von elektrischem Strom in Aluminium und Sauerstoff zerlegt wird. Der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff der Anode zu Kohlenstoff(di)oxid und entweicht. Das geschmolzene Aluminium ist schwerer als die Schmelze des Gemischs und sammelt sich am Boden, wo es durch die darüber liegende Schmelze gegen Oxidation geschützt ist. In Zeitintervallen wird das Aluminium vom Boden der Wanne abgesaugt und neues Aluminiumoxid dem Prozess zugeführt. Zur Elektrolyse wird ein sehr starker Strom mit Stromstärken von 100.000 Ampere bei niedriger Spannung von 5-7Volt zugeführt. Dies erklärt, neben den hohen Prozesstemperaturen, warum der Energiebedarf bei der Aluminiumgewinnung so hoch ist. Daher findet die Aluminiumgewinnung nicht unbedingt dort statt, wo sich große Bauxitvorkommen befinden (beispielsweise auf Jamaika), sondern dort, wo günstige Energie, beispielsweise in Form von Wasserkraftwerken, zur Verfügung steht.

Ihr Manuel Giesen