Wie wird Aluminium geschmolzen?

Aluminium und seine Legierungen gehören heute zu den am häufigsten verwendeten metallischen Werkstoffen. Aluminium ist derzeit nach Stahl das zweitgrößte Metall in Produktion und Verbrauch (gemessen in Tonnen) und damit das am zweithäufigsten vom Menschen genutzte Metall. Aluminium ist zudem reich an Ressourcen und das am häufigsten vorkommende metallische Element in der Erdkruste.

Aufgrund seiner reaktiven chemischen Natur liegt Aluminium jedoch in der Natur in gebundenem Zustand vor und lässt sich mit herkömmlichen Reduktionsmitteln nur schwer reduzieren, was das Schmelzen von Aluminium zu einem anspruchsvollen Prozess macht.

Wie kann aus Aluminiumerz Aluminium gewonnen werden?

Der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted war der erste, der Aluminium schmolz. 1825 leitete Oersted Chlorgas durch eine Mischung aus glühender Holzkohle und Bauxit (hauptsächlich bestehend aus Aluminiumoxid), um Aluminiumchlorid zu erzeugen. Anschließend ließ er Kaliumamalgam mit Aluminiumchlorid reagieren, um ein Aluminiumamalgam zu bilden. Durch Verdampfen des Quecksilbers aus dem Aluminiumamalgam unter Schutzatmosphäre erhielt er Aluminium mit Verunreinigungen.

1827 veröffentlichte der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler eine Methode zur Aluminiumraffination: Durch Reaktion von heißem Kaliumcarbonat mit siedender Alaunlösung erhielt man Aluminiumhydroxid. Nach dem Waschen und Trocknen des Aluminiumhydroxids wurde es mit Holzkohlepulver, Zucker, Öl usw. zu einer Paste vermischt und in einem verschlossenen Tiegel erhitzt, wodurch eine gesinterte Mischung aus Aluminiumoxid und Holzkohle entstand. Durch Erhitzen dieses gesinterten Materials bis zur Glühglut und Durchleiten von trockenem Chlorgas erhielt man wasserfreies Aluminiumchlorid. Anschließend wurde eine Schicht aus wasserfreiem Aluminiumchlorid über eine kleine Menge metallisches Kalium in einem abgedeckten Platintiegel gegeben. Durch Erhitzen des Tiegels auf Weißglut war die Reaktion abgeschlossen, und nach dem Abkühlen wurde der Tiegel in Wasser getaucht. Es zeigte sich, dass die Mischung im Tiegel nicht mit Wasser reagierte und die wässrige Lösung nicht alkalisch war. Dies deutete darauf hin, dass das gesamte Kalium reagiert hatte und ein graues Pulver zurückblieb – metallisches Aluminium, wenn auch in feinkörniger Form. Obwohl es heute möglich ist, Aluminium mit hoher Reinheit erfolgreich zu schmelzen, sind die Kosten nach wie vor erheblich.

Im Jahr 1884 nutzte Charles Martin Hall, ein junger Student der Chemiefakultät des Oberlin College in den USA, die elektrolytische Schmelze von geschmolzenem Aluminiumoxid zur Herstellung von Aluminium. Angesichts des hohen Schmelzpunkts von Aluminiumoxid (2050 °C) fügte Hall dem Aluminiumoxid Kryolith (Na3AlF6) hinzu, ein Material, das Aluminiumoxid auflöst und dessen Schmelzpunkt senkt. Diese Mischung hatte einen Schmelzpunkt zwischen 930 °C und 1000 °C, und Kryolith blieb bei den Elektrolyttemperaturen stabil und flüssig, was den Prozess erleichterte. Mit einem Porzellantiegel, einem Kohlenstoffstab (Anode) und einer selbstgebauten Batterie beobachtete Hall während der Elektrolyse Gasblasen, jedoch keine metallische Aluminiumfällung. Er vermutete, dass der Strom das Siliziumdioxid im Tiegel zersetzte, also modifizierte er die Batterie, indem er den Tiegel mit Kohlenstoff auskleidete und Kohlenstoff als Kathode verwendete, wodurch das Problem gelöst war. Zur gleichen Zeit erfand der französische Chemiker Paul Héroult im selben Jahr dasselbe Verfahren zur Aluminiumschmelze.

Durch die Elektrolyse konnten die Kosten der Aluminiumverhüttung erheblich gesenkt werden, was eine breite industrielle Anwendung ermöglichte.

Bei der elektrolytischen Aluminiumschmelze ist zu beachten, dass Aluminium in der Natur hauptsächlich in Bauxit-Erz vorkommt. Um Aluminium aus Bauxit zu gewinnen, muss zunächst hochreines Aluminiumoxid hergestellt werden. Im Herstellungsprozess werden Verunreinigungen wie Eisenoxid und Kieselsäure aus dem Bauxit-Erz entfernt. Anschließend wird das Bauxit mit konzentrierter Natronlauge behandelt, wodurch eine Natriumaluminatlösung entsteht. Durch die Einleitung von Kohlendioxid fällt Aluminiumhydroxid aus, das durch Erhitzen zu hochreinem Aluminiumoxid zersetzt wird.