Bergbau und Raffination: Von rotem Schmutz zu Aluminium

Ganz gleich, wie viele Silben Sie verwenden, um es auszudrücken: Aluminium ist eines der nützlichsten Industriemetalle, die wir haben. Leicht, fest, leicht legierbar, hochleitfähig und leicht zu bearbeiten, zu gießen und zu extrudieren – Aluminium hat seinen Weg in praktisch jeden erdenklichen industriellen Prozess und jedes kommerzielle Produkt gefunden.

Modernes Leben wäre ohne Aluminium nicht möglich, und doch wird das Silbermetall erst seit etwa 100 Jahren in großem Umfang verwendet. Vor nicht allzu langer Zeit war Aluminiumgeschirr ein Statussymbol und einst war es buchstäblich mehr wert als sein Gewicht in Gold. Der Grund für seine einstige Seltenheit liegt in der Anstrengung, die nötig ist, um das reichlich vorhandene Element aus den Gesteinen zu extrahieren, in denen es sich befindet, sowie in der Energie, die dafür nötig ist. Die Kräfte, die Aluminium bis vor Kurzem vom menschlichen Gebrauch fernhielten, wurden überwunden, und die Chemie und Technik, die dafür erforderlich sind, sind in unserer nächsten Ausgabe von „Bergbau und Raffinierung“ einen Blick wert.

Aluminium ist das am häufigsten vorkommende metallische Element in der Erdkruste. Aber für etwas, das durchschnittlich 8 % des Bodens unter Ihren Füßen ausmacht, ist es in seiner elementaren Form äußerst schwer zu bekommen. Es gibt keine Aufschlüsse oder Adern aus metallischem Aluminium, die abgebaut werden könnten; Aluminium kommt fast immer in seinen verschiedenen Oxidformen vor und muss chemisch freigesetzt werden, um als Industriemetall von Nutzen zu sein.

Während aluminiumhaltiges Gestein weit verbreitet ist, gibt es nur wenige wirtschaftlich bedeutsame Vorkommen des primären Aluminiumerzes: Bauxit. Der genaue Gehalt an Bauxit variiert, es besteht jedoch im Allgemeinen aus Aluminiumoxidmineralien in Verbindung mit Aluminiumhydroxiden, Ton, Quarz und eisenhaltigen Mineralien. Einige der größten und reichsten Bauxitvorkommen befinden sich in den Tropen, wo auf abwechselnde Perioden hoher Temperaturen und reichlicher Niederschläge lange Trockenperioden folgen.

Die chemische Verwitterung, die diese Bedingungen begünstigen, ist eigentlich der erste Schritt bei der Aluminiumverarbeitung – sie bricht das Bauxit, das ohnehin ein sehr weiches Gestein ist, in mundgerechte Stücke, die leicht aufgeschöpft werden können. Der Großteil des Bauxits wird im Tagebau abgebaut. Der derzeitige Weltmarktführer in der Bauxitproduktion ist Australien, das etwa ein Viertel der Weltproduktion produziert. China liegt auf dem zweiten Platz, gefolgt von der westafrikanischen Nation Guinea auf dem dritten Platz. Auch in Brasilien und der Karibik, vor allem auf Jamaika, gibt es große Bauxitvorkommen.

Da es nur wenige Orte auf der Welt gibt, an denen Bauxit abgebaut wird, wird das Erz zur Weiterverarbeitung oft über weite Strecken verschifft. Dies kann aufgrund der Verflüssigung und dynamischen Trennung zu einer gefährlichen Angelegenheit werden, wenn das Erz über den Ozean verschifft wird. Bauxit enthält typischerweise viel Ton und kann bei Einwirkung von Regenwasser eine Treibsand-ähnliche Suspension bilden, die sich wie eine Flüssigkeit verhält. Beim Verladen in die Laderäume eines Massengutfrachters kann übermäßig nasses Bauxit herumschwappen und in Kombination mit der Tendenz des Wassers in der Aufschlämmung, nach oben zu wandern, den Schwerpunkt des Schiffes verändern, was katastrophale Folgen hat.

Rohes Bauxiterz muss chemisch behandelt werden, um die Verunreinigungen zu entfernen und es für die Verhüttung des darin enthaltenen Aluminiums vorzubereiten. Um dies zu erreichen, wird fast immer das Bayer-Verfahren verwendet, bei dem große Mengen zerkleinerten Bauxits in einem Druckbehälter mit einer Lösung aus Natronlauge oder Natriumhydroxid gekocht werden. Bei 150 bis 200 °C reagieren die normalerweise in Wasser unlöslichen Aluminiumoxide und -hydroxide mit dem Natrium im Natriumhydroxid zu Natriumaluminat:

Dadurch wird das Aluminium im Bauxit gelöst, nicht jedoch die Verunreinigungen, bei denen es sich hauptsächlich um Eisenoxide handelt. Die unlöslichen Stoffe werden zusammen mit überschüssigem Natriumhydroxid abfiltriert und bilden ein Abfallprodukt namens „Rotschlamm“. In Bauxitverarbeitungsanlagen werden große Mengen an Rotschlamm produziert und in Lagunen gelagert, die häufig durch Überflutung stillgelegter Bauxitgruben entstehen, wenn das Erz in der Nähe des Abbauortes verarbeitet wird. Die Oxide im Rotschlamm haben einen wirtschaftlichen Wert und können für den Einsatz in industriellen Prozessen zurückgewonnen werden, zu denen auch die Rückgewinnung von Spuren von Seltenerdelementen gehört, die in den Rückständen vorhanden sein können. Auch Rotschlamm kann zur Katastrophe führen, wenn er nicht richtig gehandhabt wird.

Der letzte Schritt bei der Bauxitverarbeitung besteht darin, das Aluminium im Filtrat auszufällen und zu reinigen. Dies wird erreicht, indem die Lösung, die das Natriumaluminat enthält, mit hochreinen Aluminiumhydroxidkristallen geimpft wird. Dadurch bilden sich Aluminiumhydroxidkristalle, die aus der übersättigten Lösung herausfallen:

Die Aluminiumhydroxidkristalle werden gesammelt und in einem Hochtemperatur-Drehrohrofen behandelt. In einem als Kalzinierung bezeichneten Prozess wird das Aluminiumhydroxid thermisch in rein weiße Aluminiumoxidkristalle zersetzt:

Der nächste Verarbeitungsschritt besteht darin, das elementare Aluminium aus dem Aluminiumoxid tatsächlich zu schmelzen. Das hierfür verwendete Verfahren ist das Hall-Héroult-Verfahren, benannt nach dem amerikanischen Chemiker Charles Martin Hall und dem französischen Wissenschaftler und Erfinder Paul Héroult, die das Verfahren 1886 unabhängig und nahezu gleichzeitig erfanden. Das Verfahren zielt im Wesentlichen darauf ab, die oxidativen Prozesse der Natur rückgängig zu machen das ursprünglich elementares Aluminium in seinen Oxiden einschloss, um Bauxit zu bilden. Dies geschieht auf elektrolytischem Wege und erfordert daher den Zugang zu großen Mengen an billigem Strom, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Aus diesem Grund befinden sich Aluminiumhütten häufig in der Nähe von Staudämmen.

Um das Aluminiumoxidpulver zu elektrolysieren, muss es zunächst verflüssigt werden. Es einfach zu schmelzen ist nicht möglich, da es einen unverschämt hohen Schmelzpunkt (2.072 °C) hat. Der Schlüssel zum Hall-Héroult-Prozess war die Entdeckung von Kryolith, einem Salz aus Natrium, Aluminium und Fluor. Kryolith senkt den Schmelzpunkt von Aluminiumoxid auf etwa 900 °C und ermöglicht so die Elektrolyse. Kryolith kommt in der Natur vor, ist aber sehr selten und kommt nur an wenigen Orten auf der Erde vor. Fast der gesamte Kryolith, der für die Aluminiumverhüttung verwendet wird, wird mittlerweile synthetisch hergestellt.

Im industriellen Maßstab wird der Hall-Héroult-Prozess auf nahezu lächerlichen Niveaus durchgeführt, mit Schmelzanlagen, die so groß sind, dass man sie vom Weltraum aus sehen kann. Jede Stahlreaktionszelle, Topf genannt, ist mit Keramik ausgekleidet und hat am Boden eine Graphitkathode. Der Topf wird mit Aluminiumoxidpulver und Kryolith befüllt und eine massive Verbundanode in die Mischung abgesenkt. Die Anode besteht größtenteils aus geschmolzenem Koks mit einem Kupfer- oder Stahlrahmen, um den Strom zu leiten, der zur Elektrolyse der Lösung erforderlich ist – Hunderttausende Ampere.

Durch die Elektrolysereaktion bildet sich an der Anode jeder Zelle metallisches Aluminium. Das geschmolzene Metall ist dichter als der Elektrolyt, daher sinken die Tröpfchen auf den Boden des Topfes, wo sie sich an der Kathode ansammeln. Die Töpfe werden kontinuierlich betrieben und es dauert zwischen einem und drei Tagen, bis sich genügend geschmolzenes Aluminium angesammelt hat. Das flüssige Metall wird über einen Siphon abgezapft, die Verbrauchsanoden werden bei Bedarf ausgetauscht und eine weitere Ladung in den Topf gegeben.

Das aus dem Topf austretende Aluminium besteht zu etwa 99 % aus reinem Aluminium und wird im Allgemeinen zur weiteren Verarbeitung in Barren oder Stangen gegossen. Aluminium dieser Reinheitsstufe wird meist für Lebensmittelbehälter oder als elektrische Leiter, beispielsweise für Freileitungen, verwendet. Wenn Metall mit höherer Reinheit gewünscht wird, kann ein anderer elektrolytischer Prozess, der als Hoopes-Prozess bekannt ist, die Reinheit auf den Wert „Vier-Neunen“ (99,99 %) bringen. Alle Metalle mit einem Reinheitsgrad von 99 % und mehr werden als Aluminium der „1000er-Serie“ bezeichnet.

Da reines Aluminium industriell im Allgemeinen nicht besonders nützlich ist, wird das meiste Aluminium mit anderen Metallen legiert, um andere Eigenschaften zu erzielen. Beispielsweise wird die 2000er-Serie aus Aluminium hauptsächlich mit Kupfer legiert, um Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleisten, und findet Eingang in den Flugzeugbau. Metalle der 3000er-Serie, wie die 3003-Legierung, die in Rohrleitungen und Kochutensilien zu finden ist, werden aus Gründen der Bearbeitbarkeit mit Mangan legiert. Silizium wird mit Aluminium legiert, um die Metalle der 4000er-Serie zu bilden; Durch die Zugabe von Magnesium entstehen Metalle der 6000er-Serie wie die beliebten 6061 und 6063, die in allem vorkommen, von Aluminiumstrangpressteilen bis hin zu Motorblöcken.