Primäraluminiumherstellung

Unter Primäraluminiumherstellung versteht man die Herstellung von Aluminium aus Bauxit. Dieses Aluminium wird auch Primäraluminium genannt. Hierfür wird das Bauxit zunächst im Bayer-Prozess verarbeitet, um Aluminiumhydroxid herzustellen. Das Aluminiumhydroxid wird anschließend durch Anwendung des Hall-Héroult-Prozesses zu Primäraluminium verarbeitet.

Bauxit ist ein Aluminiumerz und dient als Hauptgrundstoff zur Produktion vom Primäraluminium. Es wird hauptsächlich in Lateinamerika, Afrika, Asien und Australien abgebaut. Es enthält zwischen 50 und 80 Prozent Aluminiumoxid und wird im Bayer-Prozess zu Aluminiumhydroxid verarbeitet. Zunächst wird das Bauxit gewaschen und zermahlen. Anschließend wird das Erz mit Natronlauge versetzt und in beheizbaren Druckbehältern, Autoklaven genannt, bei Temperaturen bis zu 270 °C und Drücken bis zu 40 bar verrührt. Dabei entstehen ein sogenannter Rotschlamm und eine Natriumaluminatlösung, die auch Natriumaluminatlauge genannt wird. Der Rotschlamm ist ein Abfallprodukt. Er enthält Bauxitrückstände, Eisen- und Siliziumoxide und Wasser. Der Rotschlamm sinkt auf den Boden des Druckbehälters und wird dort abgezogen. Dabei wird die Natriumaluminatlösung vom Rotschlamm getrennt. Im Anschluss daran wird diese Lösung in einem Rührbehälter verdünnt und auf 100 °C abgekühlt. Das dabei entstehende Aluminiumhydroxid wird abgeschieden. Im nächsten Schritt wird das Aluminiumhydroxid in Drehrohröfen und in Wirbelschichtöfen bei 1.000 °C bis 1.300 °C getrocknet. Dieser Vorgang wird auch als Kalzinierung bezeichnet. Dabei wird das gebundene Wasser entfernt und es liegt fast reines Aluminiumoxid als weißes Pulver vor. In Europa werden etwa 70 Prozent des zur Aluminiumherstellung eingesetzten Aluminiumoxids auf dem Kontinent selbst hergestellt. Dazu wird Bauxit importiert und weiterverarbeitet.

Der anschließende Hall-Héroult-Prozess ist der Kernprozess der Primäraluminiumherstellung. Er ist Stand der Technik und wird gelegentlich auch Schmelzflusselektrolyse oder Aluminiumelektrolyse genannt. Der Hall-Héroult-Prozess kann nur mit elektrischer Energie betrieben werden. Bei diesem Prozess wird das Aluminiumoxid in einer heißen Salzschmelze durch Anlegen einer elektrischen Spannung und der daraus entstehenden Redoxreaktion zu metallischem Aluminium reduziert. Die Salzschmelze besteht aus Kryolith und anderen Fluorverbindungen. Kryolith ist ein Mineral. Der Grund dafür, dass das Aluminiumoxid in einer heißen Salzschmelze reduziert wird, ist seine hohe Schmelztemperatur. Die Schmelztemperatur von Aluminiumoxid beträgt etwa 2.050 °C. Durch die Zugabe von Kryolith und anderen Fluorverbindungen wird die hohe Schmelztemperatur auf etwa 950 °C herabgesetzt. Die Reinheit des erzeugten Primäraluminiums liegt je nach Prozess- und Rohstoffparametern bei 99,5 bis 99,9 Prozent.

Um 1 kg Aluminiumoxid unter Anwendung des Bayer-Prozesses herzustellen, werden ca. 2 kg Bauxit und 10 GJ thermische Energie benötigt. Zur Herstellung von 1 kg Primäraluminium unter Anwendung des Hall-Héroult-Prozesses werden wiederum ca. 2 kg Aluminiumoxid und 55 GJ elektrische Energie benötigt. Insgesamt werden zur Herstellung von 1 kg Primäraluminium also ca. 4 kg Bauxit, 55 GJ elektrische Energie und 20 GJ thermische Energie eingesetzt.