Schmelzflusselektrolyse

Die Schmelzflusselektrolyse ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung bzw. Gewinnung von Aluminium, aller Alkalimetalle und den meisten Erdalkalimetallen.

Schmelzflusselektrolyse von Aluminium

Der Ausgangsstoff für die Schmelzflusselektrolyse ist Bauxit, ein Gemenge aus Tonmineralien, wie z.B. Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid. Zunächst muss das Bauxit von den enthaltenen Eisenoxiden getrennt werden, indem man das fein gemahlende Bauxit mit konzentrierter Natriumhydroxidlösung reagieren lässt.

$Bauxit+NaOH\rightarrow Na[Al(OH)_{4}]+Fe_{2}O_{3}$

Durch weitere Arbeitsschritte wird aus dem entstandenen Komplex Aluminiumhydroxid gewonnen. Das entstandene feste Aluminiumhydroxid wird in Drehöfen bei einer Temperatur von 1200 °C bis 1300 °C gebrannt, wobei Aluminiumoxid entsteht.

$2Al(OH)_{3}\rightarrow Al_{2}O_{3}+3H_{2}O$

Vor dem Arbeitsschritt der eigentlichen Elektrolyse wird das Aluminiumhydroxid (Schmelztemperatur 2045 °C) mit Kryolith ($Na_{3}(AlF_{6})$) vermischt. Das entstandene Gemisch, welches aus 80 % bis 90 % aus Kryolith besteht, hat nun eine Schmelztemperatur von ca. 950 °C. Die Vermischung mit Kryolith und die damit verbundene Senkung der Schmelztemperatur verringert den Energieaufwand erheblich. Die Reduktion von Aluminiumoxid erfolgt in der Schmelzflusselektrolyse (kurz auch Schmelzelektrolyse). Die Elektrolysezelle besteht dabei aus einer Graphitwanne. In diese Wanne reichen von oben Graphitblöcke, die an den positiven Pol einer Spannungsquelle angeschlossen sind. Die Graphitwanne dagegen ist am negativen Pol angeschlossen.

Durch Anlegen einer Spannung von 4-6 Volt und einer Stromstärke bis zu 200000 Ampere wird das Aluminiumoxid (Al₂O₃) zerlegt:

$2Al_{2}O_{3}\rightarrow 4Al+3O_{2}$

In der Schmelze befinden sich die positiv geladenen Aluminiumionen Al³⁺. Sie wandern in der Schmelze zur Kathode (Minuspol). Dort nehmen sie Elektronen auf und werden zu Aluminiumatomen reduziert. Die negativen Sauerstoffionen (O^2-) wandern zur Anode (Pluspol). Dort geben sie ihre überschüssigen Elektronen ab. Sie werden zu Sauerstoffmolekülen. Diese Sauerstoffmoleküle reagieren mit dem Kohlenstoff der Graphitanode zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, die dann als Gase entweichen. Das reduzierte Aluminium ist schwerer als das geschmolzene Aluminiumoxid-Kryolith-Gemisch. Das Aluminium sammelt sich daher auf dem Boden der Graphitwanne. Von dort wird es mit einem Saugrohr abgezogen. Das so entstandene Reinaluminium enthält noch etwa 0,1 bis 1% Verunreinigungen. Diese sind im wesentlichen Eisen, Silizium und Titan.

Pro Kilogramm Aluminium werden etwa 14–15 kWh verbraucht!Marcel hält!