Aluminium Flashcards
Aluminium
- das dritt häufigste vorkommenden Metall in der Erdkruste 8,23 %.
- Aluminium ist zu reaktiv, um allein in der Natur zu sein. Bauxit ist ein Sedimentgestein, das wirtschaftlich abbaubare Mengen an Aluminiummineralen enthält, wie z.B. Gibbsit, Böhmit und Diaspore.
- Typische Bauxitzusammensetzung: 50-60% Al2O3 5-6% SiO2 15-25% Fe2O3 1-3% TiO2 (4t Erz = 1 Tonne Aluminium)
- Bauxite deposists: China 75Mt, Australia 100Mt, Guinea 82Mt ,Brazil 29Mt
- Gallium ist das Haupt-Nebenprodukt bei der Aluminiumförderung Bauxit
Warum ist die Erzqualität wichtig?
Die Qualität des Erzes ist wichtig, da sie sich auf die Konzentration des gewünschten Materials im Erz bezieht. (Höherer Grad, höhere Konzentration des Materials).
Erze bestehen aus dem Zielmineral (hier: Tonerde Al2O3) und Verunreinigungen. Die Erzqualität hat Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit und die Umwelt der Metallproduktion. Je höher die Erzqualität ist, desto geringer ist der Chemikalien- und Energiebedarf der Metallproduktion und desto weniger Abfall fällt an.
Wenn nicht ausreichend Eisenerz enthalten ist, dann ist der Abbau nicht wirtschaftlich genug (60%)
Was sind Strategien, um die Umweltauswirkungen der Aluminiumproduktion zu reduzieren?
Neben der primären Route zur Al-Produktion gibt es eine sekundäre Route, die Al-Schrott und Recycling nutzt. Es wird behauptet, dass das Recycling Ressourcen spart, den Bedarf an Deponieraum verringert und im Falle von nicht erneuerbaren Ressourcen, wie z. B. Metallen, den Zeitraum verlängert, der notwendig ist, um sie zu erschöpfen.
Wie hoch ist der Energiebedarf der Aluminiumproduktion?
Die Aluminiumproduktion erfolgt in zwei Phasen: dem Bayer-Verfahren zur Raffination des Bauxiterzes, um Aluminiumoxid zu erhalten, und dem Hall-Heroult-Verfahren zum Schmelzen des Aluminiumoxids, um reines Aluminium zu erhalten. Gesamtenergieverbrauch 7,6 EJ
Wie beeinflusst das Recycling den Energieverbrauch?
Al-Recycling ermöglicht eine Reduzierung des Energiebedarfs um 95 %.
Welche Verfahren werden zur Aufbereitung von Bauxit eingesetzt?
Beim Bayer-Verfahren wird Bauxit durch Waschen mit einer heißen Lösung von Natriumhydroxid, NaOH, bei 175 °C aufgeschlossen. Die Löslichkeit von Al2O3 in NaOH ist temperaturabhängig; die meisten anderen Bestandteile des Bauxits sind bei diesem Prozess ziemlich inert; und die Kieselsäure, die sich löst, bildet anschließend eine nahezu unlösliche Verbindung. Diese Eigenschaften ermöglichen die Bildung einer Natriumaluminatlösung, die physikalische Abtrennung der Verunreinigungen (z.B. Eisenoxid) und die Ausfällung von reinem Al(OH)3 aus der abgekühlten Lösung.
–> Ziel: Konzentrierung Al2O3 und Entfernung von Unreinheiten
Welche Rohstoffe werden in dem Prozess verwendet?
NaOH und Bauxit
Welches Reduktionsmittel wird zur Reduktion verwendet?
Das Reduktionsmittel, das zur Gewinnung von AL2O3 verwendet wird, ist die NAOH bei 175ºC
Welche Abfallströme entstehen?
Die entstehenden Abfälle sind Rotschlamm (Fe2O3) , Metalloxide ( wie Gallium o, Zink,…) und ungelöste eingeführte Elemente (wie Calcium- und Natriumoxide).
Welche Umweltprobleme sind mit dem Prozess verbunden?
- Rotschlamm/Bauxitrückstand ist ein Abfallprodukt, das bei der Gewinnung von Tonerde aus aluminiumhaltigen Erzen (insbesondere Bauxit) anfällt. Die charakteristische rote Farbe stammt von festen Partikeln aus Eisen(III)-Verbindungen (z. B. Eisen(III)-hydroxid und Eisen(III)-oxid), die in Natronlauge suspendiert sind. Mehr als 95 % des weltweit produzierten Al2O3 wird nach dem Bayer-Verfahren erzeugt, wobei pro Tonne Al2O3 etwa 1 bis 1,5 Tonnen Bauxitrückstände anfallen. Rotschlamm ist giftig
- energieintensive Produktion
- Umweltzerstörung wegen Bauxitabbau. z.B. Regenwald Rodung in Brasilien
Von Aluminiumoxid zu Aluminium
Die gesamte industrielle Herstellung von Aluminium aus Tonerde erfolgt heute nach dem Hall-Héroult-Verfahren.
- Aluminiumoxid, Al2O3, in geschmolzenem synthetischem Kryolith, Na3AlF6, aufgelöst, um seinen Schmelzpunkt für eine einfachere Elektrolyse zu senken. Die resultierende Mischung, die zu 80…90 % aus Kryolith besteht, hat eine Schmelztemperatur von nur ca. 950 °C. Dadurch wird die benötigte Arbeitstemperatur erheblich gesenkt, was die Schmelzflusselektrolyse überhaupt erst möglich macht.
- Die Elektrolysezelle besteht aus einem Stahltank, der mit Kohlenstoffmaterial (Graphit/Anthrazit) ausgekleidet ist. Dieser Tank enthält den flüssigen Elektrolyten (Kryolith mit einem Überschuss an AlF3). Die Anoden (aus Petrolkoks gebrannte Graphitblöcke) werden von oben in den Elektrolyten eingetaucht und an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen. Die Kathodenwanne hingegen ist mit dem Minuspol verbunden. An den Kohleelektroden laufen vereinfacht folgende Reaktionen ab:
Kathode: Al3 + 3e –> Al
Anode: O2 + C –> Co + 2e
Gesamt: Al2CO3 + 3C –> 2Al + 3CO
Warum reduzieren wir Aluminium nicht mit Koks?
Aluminium kann wegen der hohen Reaktivität von Aluminium nicht durch die Elektrolyse eines in Wasser gelösten Aluminiumsalzes hergestellt werden. Eine Alternative ist die Elektrolyse einer geschmolzenen Aluminiumverbindung. siehe Ellingham-Diagramm -> Al zu stabil, um mit Koks reduziert zu werden
Was sind Begleitelemente und warum sind sie wichtig?
Der Elektrolyt für die Aluminiumherstellung ist grundsätzlich eine Lösung von Aluminiumoxid in Kryolith. Die Anwesenheit von Kryolith ist für die Auflösung von Aluminiumoxid unerlässlich. Kryolith macht normalerweise mehr als 75 % des Elektrolyten aus, der typischerweise auch Kalziumfluorid (4 - 8 %), überschüssiges Aluminiumfluorid (5 - 13 %), Aluminiumoxid (1 - 5 %) und manchmal Lithiumfluorid (0 - 5 %) und Magnesiumfluorid (0 - 5 %) enthält. Diese Zusätze senken die Betriebstemperatur und erhöhen den Stromwirkungsgrad
Was bestimmt die Energieintensität des Hall-Heroult-Prozesses?
Menge des Materials und Reinheitsgrad
Nebenprodukte der Aluminiumgewinnung
- Gallium kommt selten in ausreichenden Mengen vor, um eine wirtschaftliche Gewinnung zu ermöglichen, und wird als Nebenprodukt bei der Aluminiumproduktion und in viel geringerem Maße bei der Zinkproduktion gewonnen. Etwa 90 % der derzeitigen primären Galliumproduktion wird bei der Raffination von Aluminiumoxid aus Bauxit gewonnen. Das am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid aus Bauxit und damit von Gallium ist das Bayer-Verfahren. Die Lösung enthält Natriumaluminat und ungelöste Bauxitrückstände, die Eisen, Silizium, Titan, Aluminium und andere Elemente in kleinen Mengen, einschließlich Gallium, enthalten.
- Trotz eines relativ hohen Gehalts von 150 bis 500 mg Gallium pro Liter Lauge ist es schwierig, das Gallium in Gegenwart großer Mengen Aluminium, das sehr ähnliche chemische Eigenschaften hat, und anderer Verunreinigungen, die in einem stark alkalischen Medium löslich sind, Vanadat, Zinkat, Ferrat, Molybdat usw., selektiv zu gewinnen. Galliumextraktionsanlagen befinden sich normalerweise innerhalb oder in unmittelbarer Nähe der Aluminiumoxidwerke. Ein Teil des Laugenstroms wird für die Galliumextraktion abgezweigt und anschließend recycelt. In einigen Fällen wird die Lauge einem Vorreinigungsprozess unterzogen, um bestimmte Schwermetalle zu entfernen. Es wurden vier verschiedene Methoden zur Rückgewinnung von Gallium aus Bayer-Lösungen entwickelt, darunter fraktionierte Fällung, elektrochemische Abscheidung, Lösungsmittelextraktion und Ionenaustausch.
