Aluminium: Produktion, Eigenschaften und Umweltauswirkungen

Hintergrund

Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste und macht etwa 8% von Boden und Gestein aus. Sauerstoff und Silicium dominieren den Rest mit 47% bzw. 28%. In der Natur existiert Aluminium nur in Verbindungen mit Elementen wie Schwefel, Silicium und Sauerstoff. Reines metallisches Aluminium kann nur aus Aluminiumoxid-Erzen gewonnen werden.

Metallisches Aluminium wird für seine Leichtigkeit, hohe Festigkeit, Nicht-Magnetismus und Ungiftigkeit geschätzt. Es leitet Wärme und Elektrizität, reflektiert Licht und behält Festigkeit bei extremen Temperaturen ohne spröde zu werden. Eine dünne, unsichtbare Oxidschicht bildet sich rasch an der Oberfläche und bietet natürlichen Korrosionsschutz. Zudem ist Aluminium eines der weltweit am besten recycelbaren Materialien mit hohen wirtschaftlichen Erträgen aus Recyclingrohstoffen.

Geschichte

Aluminiumverbindungen werden seit Jahrtausenden genutzt. Um 5000 v. Chr. schufen persische Töpfer die härtesten Tongefäße durch Zugabe von Aluminiumoxid. Alte Ägypter und Babylonier nutzten Aluminiumsalze in Farbstoffen, Kosmetika und Medikamenten. Erst im frühen 19. Jahrhundert wurde das Element in Reinform isoliert. Aufgrund der Extraktionsschwierigkeit blieb Aluminium Jahrzehnte so selten und wertvoll wie Silber.

1886 entwickelten zwei junge Wissenschaftler – Hall in den USA und Héroult in Frankreich – unabhängig das Hall-Héroult-Elektrolyseverfahren, das Großproduktion ermöglichte. Das Bayer-Verfahren, 1888 von dem österreichischen Chemiker Karl Bayer patentiert, veredelte das Erz und wurde essenziell für das Branchenwachstum. 1884 produzierten die USA 60 kg Aluminium, preislich etwa gleich Silber. 1995 produzierten US-Werke 3,6 Millionen Tonnen Aluminium, während Silber noch 75-mal teurer pro Einheit war.

Rohstoffe

Das wertvollste Erz für reines Aluminium ist Bauxit, das 45–60% Aluminiumoxid sowie Verunreinigungen wie Sand, Eisen und Spurenelemente enthält. Während einige Lagerstätten Hartgestein sind, sind die meisten weich und leicht im Tagebau abbaubar. Australien liefert über ein Drittel des weltweiten Bauxits. Etwa 2 kg Bauxit werden benötigt, um 0,5 kg Aluminium herzustellen.

Ätznatron (Natronlauge) löst die Aluminiumverbindungen im Bauxit und trennt sie von Verunreinigungen. Je nach Erzusammensetzung können kleine Mengen Stärke, Kalk oder Natriumsulfid hinzugefügt werden.

Die Aluminiumproduktion umfasst zwei Hauptstufen: das Bayer-Verfahren, das Bauxit zu Aluminiumoxid (Al₂O₃) veredelt, und das Hall-Héroult-Verfahren, das Aluminiumoxid elektrolytisch zu reinem Metall verschmilzt.

Kryolith (Na₃AlF₆) dient als Elektrolyt im Schmelzschritt. Historisch in Grönland abgebaut, wird er heute synthetisiert. Aluminiumfluorid wird zugesetzt, um den Schmelzpunkt des Elektrolyten zu senken.

Kohlenstoffelektroden leiten den Strom durch den Elektrolyten. Während der Schmelze reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu CO₂. Etwa 0,2 kg Kohlenstoff werden pro 2,2 kg produziertem Aluminium verbraucht. Ein Teil des Kohlenstoffs stammt aus Raffinerie-Nebenprodukten, der Rest aus Kohle.

Da das Hall-Héroult-Verfahren große Ströme erfordert, verbraucht es erhebliche elektrische Energie. Die Herstellung von 1 kg Aluminium erfordert typischerweise 15 kWh Strom, was etwa ein Drittel der Schmelzkosten ausmacht.

Der Herstellungsprozess

Die Aluminiumproduktion gliedert sich in das Bayer- und das Hall-Héroult-Verfahren.

Das Bayer-Verfahren

• 1. Bauxit wird mechanisch zerkleinert und mit Ätznatron vermischt, dann zu einer feinen Suspension gemahlen.
• 2. Die Suspension wird in einen Digester – im Grunde ein Schnellkochtopf – gepumpt, auf 110–270 °C unter 340 kPa für 30 Minuten bis mehrere Stunden erhitzt. Zusätzliches Ätznatron stellt vollständige Lösung der Aluminiumverbindungen sicher.
• 3. Die heiße Suspension, nun eine Natriumaluminatlösung, durchläuft Flash-Tanks, die Druck senken und Wärme zur Wiederverwendung zurückgewinnen.
• 4. In einem Absetzbecken setzen sich ungelöste Verunreinigungen als „Rotschlamm“ am Boden ab. Das lösliche Aluminium verbleibt in der Flüssigkeit.
• 5. Die klare Flüssigkeit wird durch Tuch gefiltert, um verbleibende Feinpartikel aufzufangen. Der Filterwasch ergibt wiederverwendbares Aluminiumoxid und Ätznatron.
• 6. Saatkristalle von Aluminiumoxidhydrat werden in eine Reihe von sechsstöckigen Fällungstanks eingebracht. Beim Abkühlen wachsen Kristalle und setzen sich am Boden ab.
• 7. Die Kristalle werden gewaschen, dann in einem 1.100 °C Ofen kalziniert, um gebundenes Wasser zu entfernen und anhydres Aluminiumoxid zu produzieren. Ein Kühler folgt dem Ofen, um das Produkt auf Umgebungstemperatur zu bringen.

Das Hall-Héroult-Verfahren

Die Schmelze erfolgt in Stahlreduktionstöpfen, die mit Kohlenstoff ausgekleidet sind. Die oberen Elektroden sind Kohlenstoffstäbe, knapp über dem flüssigen Aluminium aufgehängt. Töpfe sind in Reihen (Potlines) von 50–200 Einheiten angeordnet, jede Linie produziert 60.000–100.000 Tonnen Aluminium jährlich. Ein typisches Werk enthält zwei oder drei Potlines.

• 8. In jedem Topf löst sich Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith bei 960–970 °C, formando einen Elektrolyten. Ein Gleichstrom von 4–6 V und 100.000–230.000 A durchläuft ihn, bricht Al-O-Bindungen. Sauerstoff reagiert mit Kohlenstoffstäben zu CO₂; flüssiges Aluminium sammelt sich am Boden.
• 9. Der Prozess ist kontinuierlich: Aluminiumoxid wird zugegeben, während es zersetzt, und konstanter Strom und Hitze halten die Mischung flüssig. Periodisch wird die Kruste an der Oberfläche gebrochen, um mehr Aluminiumoxid zuzulassen. Abgesaugtes Aluminium sammelt sich in einem Tiegel, der die Potline hinunterfährt, 4.000 kg 99,8% reines Metall akkumulierend. Die Schmelze wird dann in lange horizontale Formen gegossen, mit Wasser gekühlt und zu Barren geschnitten.

Nebenprodukte und Abfälle

Aluminiumoxid, das Zwischenprodukt des Bayer-Verfahrens, ist selbst wertvoll. Es ist ein weißes, pulverförmiges Material, verwendet in Waschmitteln, Zahnpasta, Leuchtstofflampen, Keramik (Zahnprothesen, Zündkerzen, militärisches Windschutzscheibenglas), Poliermitteln, Katalysatoren, Sprengstoffen und sogar Raketentreibstoff – jeder Shuttle-Start verbraucht 180.000 kg Aluminiumoxid. Etwa 10% des jährlich produzierten Aluminiumoxids werden für diese alternativen Anwendungen verkauft.

Der primäre Abfall aus der Bauxitveredelung ist „Rotschlamm“. Pro Tonne Aluminiumoxid entsteht etwa eine Tonne Rotschlamm. Obwohl er Eisen, Titan, Soda und Restaluminiumoxid enthält, existiert keine kosteneffektive Rückgewinnungsmethode. Er wird üblicherweise in Teichen gelagert, bis er trocknet, dann auf Land verteilt.

Die Schmelze erzeugt auch Treibhausgase. US-Werke emittieren jährlich ca. 5,5 Millionen Tonnen CO₂ und 3.300 Tonnen Perfluorkohlenwasserstoffe. Zusätzlich fallen jährlich ca. 120.000 Tonnen verbrauchte Potlining (SPL) an – von der EPA als gefährlich klassifiziert. Die erste SPL-Recyclinganlage eröffnete 1996 und wandelt das Material in Glasfrit für Keramikfliesen, Glasfasern und Asphaltdachschindeln um.

Die Zukunft

Die meisten US-Aluminiumhersteller gehören der Voluntary Aluminum Industrial Partnership (VAIP) an und kooperieren mit der EPA bei Umweltfragen. Aktuelle Forschung fokussiert auf die Entwicklung inerter Elektrodenmaterialien als Kohlenstoffersatz. Ein vielversprechendes Titan-Diborid-Graphit-Komposit könnte Treibhausemissionen eliminieren und die Schmelzenergie um 25% senken, sobald es kommerzialisiert ist.