Aluminium vom Rohstoff zum Rein-Stoff

Aluminium:

•chemisches Element

•Ordnungszahl 13

•Aggregatzustand: fest

•Schmelz/Siedepunkt: 660°/2467°

•dritthäufigstes Element und häufigstes Metall in Erdkruste 7.57 Gewichts-%

Eigenschaften Al:

•Metall

•Dichte: 2,70 g/cm³

•So gut wie kein elementares Vorkommen in der Erdhülle (sehr reaktionsfreudig/tritt nur in chemisch gebundenem Zustand auf)

•Sehr korrosionsbeständig (reagiert mit Luft – bildet oxidschicht)

•Reines Alupulver reagiert mit Luft selbstentzuendlich

•Aluoxid mit kristallinen Einlagerungen neben Diamanten das härteste Material

Geschichte:

•A.S. Marggraf entdeckte 1754 die Alaunerde (Aluoxid) (dt. Chemiker)

•Namensgebung: 1808 durch Sir Humphry Davy (englischer Chemiker)

•1. reines Al: Friedrich Wöhler 1827 (dt. Chemiker) mit Hilfe des Wöhler-Prozesses (Reduktionsmethode) Reduktion = chem. Reaktionsart, bei der Elektronen auf ein Atom o. Molekül übertragen werden. AlCl3 + 3K ~> Al + 3KAlCl4

•Damaliger Alu-Preis > Gold

•Henri Etienne Sainte-Claire Deville: verfeinerte Wöhlerprozess 46 und publizierte dies 1859 in einem Buch, wodurch Alu-Preis in darauffolgenden 10 Jahren um 90% fiel

•Charles Martin Hall und Paul Héroult: Entwickelten 1886 unabhängig voneinander das jetzt nach ihnen benannte Elektrolyseverfahren den „Hall-Héroult-Prozess“ welcher noch Heute zur Herstellung von Aluminium verwendet wird.

•Carl Josef Bayer: Entwickelte 1889 das Bayer-Verfahren, welches ebenso noch Heute Anwendung in der Herstellung von Aluminium findet

Ausgangsstoff Bauxit

•Aluminium-Erz

•Besteht vorwiegend aus den Al-Mineralen Gibbsit, Böhmit, Diaspor – ferner Eisenoxiden wie Hämit, Goethit dem Tonmineral Kaolinit und geringen Anteilen des Titanoxids Anatas

•Namensgebung: Fundort Les Baux-de-Provence (Südfrankreich)

•Entdecker: Pierre Berhier (franz. Geologe und Mineraloge)

•Förderung und Reserven: ges. gefördert Welt : im Jahr 2007 = 190 Millionen t | Reserven Welt : 25 Milliarden t – wird überwiegend im Tagebau gefördert

•Bedeutendsten Förderländer: Australien, China, Brasilien, Guinea, Jamaika und Indien

•Verarbeitung: Aus 95% des abgebauten Bauxits wird Alu produziert

Bayer-Verfahren

•Wird dazu verwendet um Bauxit in Reinbauxit (reines wasserfreies Aluminiumhydroxid) zu überführen

1.Bauxit wird gebrochen und gemahlen2.Bauxit wird in Druckbehältern bei 150-200°C und 7 bar in Natronlauge erhitzt (Aluhydroxide lösen sich)3.Trennung des Bauxits von enthaltenen Eisenoxiden Hämatit und Böhmit (unlösliche Eisenoxide (Rotschlamm)) durch filtrieren4.Abkühlen: aus verdünnter Aluminatlauge wird reines Aluminiumhydroxid ausgefällt5.Filtrat wird mit Natronlauge verdünnt, auf 78°C abgesenkt u. Druck normalisiert6.Durch Impfen (Einbringen eines Kristallkeims eines gleichen oder chemisch nahe verwandten Stoffs in eine unterkühlte Schmelze oder übersättigte Lösung, um deren Auskristallisieren zu beschleunigen. ) mit festem Aluhydroxid als Kristallisationskeims fällt dann das Aluhydroxid aus

7.Entstandenes festes Aluhydroxid wird in Drehöfen bei 1200-1300°C gebrannt wobei Aluoxid entsteht 8.Formel: 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

Nach dieser Vorbearbeitung des Bauxit folgt die eigentliche Schmelzflusselektrolyse, die auch Hall - Heroult - Verfahren genannt wird.

Hall-Hérout-Prozess

•Wird dazu verwendet um aus Reinbauxit (Tonerde/Aluoxid) metallisches Aluminium zu gewinnen

1.Vermischung von Aluoxid (Schmelztemp 2045°) und Kryolith (Mineral) um Schmelztemp. zu senken2.Entstandenes Gemisch besteht zu 80-90% aus Kryolith und besitzt nun eine Schmelztemperatur von ca. 950°C (Verringerung der erforderlichen Arbeitstemperatur wodurch Schmelzelektrolyse überhaupt erst möglich wird3.Reduktion erfolgt in Schmelzelektrolyse – Elektrolysezelle besteht aus Stahlwanne die mit Kohlenstoffmaterial (Graphit / Anthrazit) ausgekleidet ist (enthält flüssigen Elektrolyt (Kryolith mit Überschuss an Aluminiumflourid) in diesen tauchen von oben die Anoden (aus Petrolkoks gebrannte Graphit-Blöcke) ein die an +pol einer Spannungsquelle angeschlossen sind. Kathodenwanne ist mit -pol verbunden mit Spannung von 4-5 V und I bis zu 330.000 A wird Aluoxid zerlegt4.+geladene Aluionen ~> -pol nehmen Elektronen auf und werden zu Aluatomen reduziert | -geladene Sauerstoffionen ~> +pol geben Elektronen ab und werden zu Sauerstoffmolekülen5.Sauerstoffmoleküle reagieren mit Kohlenstoff der Graphit-Blöcke zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid die als Gase entweichen6.Entstehendes flüssiges Alu hat eine größere Dichte als das geschmolzene Alu-Kryolith-Gemisch und sammelt sich daher auf dem Boden der Wanne7.Reinalu wird mit Saugrohr abgezogen8.Formel: Kathode: 4Al3+ + 12 e- ~> 4 Al | Anode: 3 C + 602- ~> CO2 + 12 e-

Zusammenfassung der Verarbeitung: Bauxitabbau > Tonerdegewinnung(Bayer-Prozess)>Reinbauxit >Schmelzfluss-Elektrolyse (Aluminiumhütte – Hall-Hérout-Prozess)>Giesserei

Werkstoff Aluminium

Meist hergestellte Metall neben EisenGeringes Gewicht: Übertragung von Hochspannungen (700.000 V)Verkehr: Leichtbau von Autoteilen (Zylinderköpfe, Karosserie, Felgen etc.)Bauwesen: Fenster, Türen, Griffe, FassadenverkleidungenVerpackung:AlufolieHaushalt/Freizeit:Fahrräder, Campingausrüstung, Töpfe etc.Elektrotechnik:Gehäuse

Umweltbelastung bei der Gewinnung von Aluminium

•Landschaftsschäden bei Bauxitgewinnung

•Bei Elektrolyse wird Fluor und Fluorwasserstoff frei welche Tiere und Pflanzen in der Umgebung von Alufabriken schädigen

•Atmosphärische Spurengase wie CO und CO2 werden freigesetzt

•Alu-Ionen im Boden haben toxische Wirkung auf Mikroorganismen

Wiederverwertung/Recycling

•„Graue Energie“ : Sekundäraluminium aus Primär benötigt 88-95% weniger Energie

•Aluschrott > gepresst > bei 1000° geschmolzen > danach je nach Verschmutzungsgrad gereinigt > neu gegossen > done

Quellen:

Text:

www.wikipedia.org

www.fh-muenster.de

www.aluinfo.de

Chemie Heute Sek. 2 (Schroedel Verlag)

Elemente Chemie 2 Gesamtband (Klett 2009)

Bilder:

Bayer-Verfahren:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2f/Bayer-Verfahren.svg/440px-Bayer- Verfahren.svg.png

Hall-Hérout-Prozess:http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/Gif_bilder/Metalle/al_herstellung_c.png

Dennis Korcz

Hall-Hérout-Prozess

http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/Gif_bilder/Metalle/al_herstellung_c.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2f/Bayer-Verfahren.svg/440px-Bayer- Verfahren.svg.png