EL-MO I Elemente, Schulbuch

180 180 Bayer-Verfahren – Elektrolyse Aluminium Abb. 116-1: Wirkung einer Pufferlösung Obwohl Aluminium das häufigste Metall der festen Erdrinde ist, ist seine Gewin- nung aus den überall vorkommenden Alumosilicaten nicht wirtschaftlich. Als Erz zur Aluminiumgewinnung dient Bauxit , ein Aluminiumoxid bzw. Hydro- xid mit starken Verunreinigungen, hauptsächlich durch Silicate, Eisenoxid und Titanoxid. Da Aluminium zu den unedlen Metallen gehört, ist seine Gewinnung nur durch Elektrolyse möglich. Dazu muss der Bauxit vorher in reines Alumini- umoxid umgewandelt werden, da sich sonst die edleren Verunreinigungen mit Aluminium elektrolytisch abscheiden würden. Das Bayer-Verfahren Die Bauxitreinigung erfolgt weltweit nach dem Bayer-Verfahren, das vom Öster- reicher Carl Bayer (1847 – 1904) 1892 entwickelt wurde. Bauxit wird fein gemahlen und unter Druck mit heißer, etwa 40%iger Natron- lauge löslich gemacht. Dabei gehen Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid in das lösliche Natriumaluminat (Abb. 180–1), über. Die Verunreinigungen bleiben ungelöst zurück und werden abfiltriert. Sie sind durch Eisenhydroxid rot gefärbt, weshalb man sie Rotschlamm nennt. Sie sind ein Deponieprodukt, für das sich kaum Verwendung findet. Im Jahr 2010 ereignete sich bei Kolontár, Westungarn eine schwere Umweltkatas- trophe (Abb. 180–2). Durch einen Dammbruch traten – je nach Quelle – zwischen 600 000 und etwa 1,1 Millionen Kubikmeter des ätzenden und schwermetallhalti- gen Rotschlamms aus. In der betroffenen Region kämpften 500 Helfer des Katast- rophenschutzes mit Schutzkleidung und Atemmasken gegen die Ausbreitung der Umweltkatastrophe. Um aus der gereinigten Aluminatlauge wieder Aluminiumhydroxid zu gewin- nen, wird sie abgekühlt und etwas verdünnt. Durch das Verdünnen sinkt der pH- Wert, und das Gleichgewicht verschiebt sich auf die Seite von schwer löslichem Aluminiumhydroxid (Umkehrung der Reaktion beim Bauxitaufschluss). Dieses wird abfiltriert und zu Aluminiumoxid entwässert (= calciniert ). Elektrolyse Das so gereinigte Aluminiumoxid („ Tonerde “) kann nicht direkt elektrolysiert werden, da sein Schmelzpunkt über 2000 °C beträgt. Eine Mischung aus Kryolith (Na 3 [AlF 6 ]) mit ca. 8 % Al 2 O 3 schmilzt allerdings schon bei 950 °C. Die Schmelze wird in einer Wanne aus Grafitsteinen elektrolysiert, die zugleich als Katode wirkt. Von oben tauchen Grafitanoden in die Schmelze. Auf der Schmelze schwimmt ein Vorrat des spezifisch leichteren Al 2 O 3 , der sich in dem Maß auflöst, in dem er bei der Elektrolyse verbraucht wird. Bei der Elektrolyse entsteht nicht Sauerstoff, sondern Kohlenstoffdioxid, und die Grafitanode wird verbraucht. Katode: 4 Al 3+ + 12 e – → 4 Al Anode: 3 C + 6 O 2– → 3 CO 2 ↑ + 12 e – C + CO 2 → 2 CO ↑ Aluminium sammelt sich am Boden der Wanne flüssig an und wird in regel- mäßigen Abständen von dort abgesaugt. Es hat einen Reinheitsgrad von 99,5 – 99,8 %, was für die meisten Verwendungszwecke ausreicht. Stoff- und Energiebilanz (Abb. 181–2) Die Elektrolyse wird mit etwa 5 V Spannung betrieben, die Stromstärke beträgt bis zu 150 000 A. Dadurch entsteht so viel Wärme, dass die Schmelze von selbst flüssig bleibt. Die Aluminiumherstellung ist also sehr energieintensiv. Als Ne- benreaktion an der Anode entsteht Fluor, das in Abgasreinigungsanlagen durch Bildung von Hydrogenfluorid und Natriumfluorid großteils zurückgehalten wird. Trotzdem entweichen beträchtliche Mengen des sehr pflanzenschädlichen Hy- drogenfluorids in die Umwelt. 1: Aufschluss des Bauxits: Al(OH) 3 + Na + + OH – → Na + + [Al(OH) 4 ] – Bauxit (verunreinigt) 2: Filtrieren c Rotschlamm 3: Verdünnen des Filtrats Na + + [Al(OH) 4 ] – → Al(OH) 3 + Na + + OH – Tonerde (rein) 4: Calcinieren: 2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O Exkurs Calcinieren Waschen Wasser Al(OH) 3 Heizung Trocknen Rot- Schlamm Bauxit Tonerde Mahlen NaOH F Filter 1 2 3 4 Abb. 180–1: Das Bayer-Verfahren Abb. 180–2: Umweltkatastrophe bei Kolontár Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv