Aluminium Schmelzflusselektrolyse: Herstellung erklärt

Aluminium ist mit etwa 8 Prozent das häufigste Metall der Erdkruste, kommt aber nie als reines Metall vor. Es steckt fest gebunden als Aluminiumoxid in Gesteinen und Erzen. Um das Metall zu gewinnen, muss man das Oxid zerlegen, und das ist bei Aluminium besonders schwierig.

Aluminium ist ein unedles Metall mit großer Neigung, Elektronen abzugeben und Oxid zu bilden. Kohlenstoff, mit dem im Hochofen Eisenerz reduziert wird, ist hier nicht stark genug. Man braucht ein stärkeres Reduktionsmittel: elektrischen Strom. Deshalb wird Aluminium durch Elektrolyse hergestellt.

Eine Elektrolyse in wässriger Lösung funktioniert nicht, weil Wasser sich leichter zerlegen lässt als das Aluminium-Ion. An der Kathode würde dann Wasserstoff statt Aluminium entstehen. Man elektrolysiert deshalb eine Schmelze. Das Verfahren heißt Schmelzflusselektrolyse und wurde 1886 von Charles Hall und Paul Héroult unabhängig voneinander entwickelt.

Das wichtigste Aluminiumerz heißt Bauxit und wird meist im Tagebau in tropischen Ländern abgebaut. Bauxit enthält Aluminiumhydroxide, aber auch Eisenoxide und andere Beimengungen. Für die Elektrolyse braucht man reines Aluminiumoxid, die Tonerde.

Dazu dient das Bayer-Verfahren: Der Bauxit wird mit heißer Natronlauge behandelt. Das Aluminium geht in Lösung, die Verunreinigungen bleiben als roter Rückstand zurück, den man Rotschlamm nennt. Aus der Lösung fällt Aluminiumhydroxid aus, das beim Erhitzen zu Aluminiumoxid Al₂O₃ wird. Für eine Tonne Aluminium braucht man rund 4 bis 5 Tonnen Bauxit und etwa 2 Tonnen Aluminiumoxid.

Reines Aluminiumoxid schmilzt erst bei etwa 2050 °C. Das wäre technisch und energetisch kaum zu beherrschen. Deshalb löst man das Oxid in geschmolzenem Kryolith, einem Mineral aus Natrium, Aluminium und Fluor mit der Formel Na₃AlF₆. Die Mischung schmilzt schon bei etwa 950 °C und leitet den Strom gut.

Die Elektrolysezelle ist eine große Stahlwanne, die innen mit Kohlenstoff ausgekleidet ist. Der Kohleboden bildet die Kathode, den Minuspol. Von oben tauchen Kohleblöcke als Anode in die Schmelze, den Pluspol. Beim Anlegen von Gleichstrom von etwa 4 bis 5 Volt und sehr hoher Stromstärke wandern die Ionen der Schmelze zu den Elektroden.

An der Kathode nehmen die positiv geladenen Aluminium-Ionen Elektronen auf. Das ist eine Reduktion: Al³⁺ + 3 e⁻ → Al. Das flüssige Aluminium ist dichter als die Schmelze und sammelt sich am Boden. Von dort wird es regelmäßig abgesaugt.

An der Anode geben die Oxid-Ionen Elektronen ab. Das ist eine Oxidation: 2 O²⁻ → O₂ + 4 e⁻. Der entstehende Sauerstoff reagiert bei der hohen Temperatur sofort mit dem Kohlenstoff der Anode zu Kohlenstoffdioxid: C + O₂ → CO₂. Die Anodenblöcke brennen dadurch langsam ab und müssen laufend ersetzt werden.

Ein häufiger Fehler ist, die Elektrolyse mit der Reduktion im Hochofen zu verwechseln. Eisen wird mit Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid reduziert, Aluminium nicht. Es gewinnt seine Elektronen aus dem elektrischen Strom, nicht aus einem chemischen Reduktionsmittel. Die Kohle an der Anode ist nur ein Elektrodenmaterial, das nebenbei verbrennt.

Ein zweiter Fehler betrifft die Pole. An der Kathode, dem Minuspol, nehmen die Aluminium-Ionen Elektronen auf, an der Anode geben die Oxid-Ionen Elektronen ab. Wer sich nur merkt, dass die Anode positiv ist, vertauscht schnell die Vorgänge. Als Eselsbrücke dient der Anfangsbuchstabe: Anode und Oxidation beginnen mit einem Vokal, Kathode und Reduktion mit einem Konsonanten.

Der dritte Fehler ist, den Kryolith als Reaktionspartner zu sehen. Er verbraucht sich nicht, sondern senkt als Lösungsmittel den Schmelzpunkt von 2050 °C auf etwa 950 °C. Auch die Gleichung wird gern unausgeglichen angegeben: Am Ende müssen links und rechts je 4 Al, 6 O und 3 C stehen.

Die Aluminiumherstellung ist sehr energiehungrig. Für ein Kilogramm Primäraluminium werden etwa 13 bis 15 Kilowattstunden Strom benötigt. Das entspricht dem Strombedarf eines Kühlschranks über etwa zwei Wochen. Aluminiumhütten stehen deshalb dort, wo Strom günstig ist, etwa neben Wasserkraftwerken.

Beim Recycling wird das Metall nur noch eingeschmolzen, ohne dass das Oxid zerlegt werden muss. Das spart rund 95 Prozent der Energie. Deshalb lohnt es sich, Getränkedosen, Folien und Schalen aus Aluminium zu sammeln. Aluminium lässt sich fast beliebig oft recyceln, ohne Qualität zu verlieren.

Ein Teil der Umweltbelastung entsteht außerdem beim Bauxitabbau und durch den Rotschlamm, der sicher gelagert werden muss. Wer Aluminium weiter nutzt statt es wegzuwerfen, spart also Strom, Rohstoffe und Abfall.