Im Jahr 1886 erfanden der Amerikaner Hall und der Franzose Héroult unabhängig voneinander die Schmelzelektrolyse. Seitdem ist es die wirtschaftlichste und damit einzige Methode weltweit, aus Tonerde Primäraluminium zu gewinnen.
Dies ist die zweite Stufe des Bayer-Hall-Héroult-Prozesses; Die erste Stufe ist das Bayer-Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid aus Bauxit. Erst die Fusionselektrolyse ermöglichte eine großtechnische Produktion (siehe Chronik).
Prinzip der Aluminiumelektrolyse
Unter Elektrolyse versteht man gemeinhin die Zersetzung eines Elektrolyten mittels elektrischem Strom.
Ein Elektrolyt ist eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, beispielsweise eine Salzlösung oder eine Salzschmelze. Darin werden die Moleküle des gelösten Stoffes in Ionen, also elektrisch geladene Atome, zerlegt. Legt man nun die für einen bestimmten Elektrolyten charakteristische minimale Gleichspannung („Zersetzungsspannung“) an zwei in den Elektrolyten eintauchende Elektroden an, wandern die negativ geladenen Ionen zur positiven Elektrode („Anode“) und die positiv geladenen Ionen zur negativen Elektrode („Kathode“).
– Es fließt elektrischer Gleichstrom. Die Ionen tauschen ihre Ladungen mit den Elektroden aus und trennen sich als elektrisch neutrale Stoffe. Die Elektrolyse wird in großem Maßstab technisch genutzt, beispielsweise zur Gewinnung hochreiner Metalle (z. B. „Elektrolytkupfer“), Chemikalien (z. B. Kaliumhydroxid) und Gasen (z. B. Wasserstoff) oder zur Galvanisierung (siehe Beschichtung).
Die Methode von Hall und Héroult
Hall und Héroult wählten Kryolith als Elektrolyt. Dieses weiße Mineral, eine Verbindung von Aluminium mit Natrium und Fluor, die bei einer Temperatur von etwa 1000 °C schmilzt, kommt natürlicherweise nur in Grönland vor, wird aber seit 1890 hauptsächlich synthetisch (aus Aluminiumoxid, Flussspat und Schwefelsäure) hergestellt.
Als Elektrolyt muss Kryolith in einem geschmolzenen Zustand vorliegen, was zu Halls und Héroults Zeiten als „Schmelzfluss“ bekannt war; bezeichnet – daher „Elektrolyse der Flöte“. Flüssiger Kryolith kann bis zu zehn Prozent Aluminiumoxid lösen. Wenn eine Spannung von vier bis fünf Volt an die Kohlenstoffelektroden angelegt wird, scheidet sich Aluminium an der Kathode und Sauerstoff an der Anode ab (Sauerstoff verbrennt mit Kohlenstoff zu Kohlendioxid und Kohlenmonoxid).
Durch den elektrischen Widerstand im Elektrolyten wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt, wodurch der Elektrolyt im flüssigen Zustand bleibt.
Ttechnische Verbesserungen
Das Verfahren wurde seit seiner Erfindung kontinuierlich verbessert. Derzeit werden dem Kryolith Aluminium, Kalzium und Lithiumfluorid zugesetzt, wodurch eine Betriebstemperatur von ca.
950 °C erreicht wird und der Energiebedarf reduziert wird. Bei den modernsten Anlagen sind es 13 bis 16 Kilowattstunden pro Kilogramm Aluminium. Moderne Elektrolysezellen liefern täglich etwa 2,5 Tonnen Reinaluminium. Seit Mitte der 1960er-Jahre werden sie in westlichen Industrieländern vollständig eingekapselt, um „Anodengas“ mit Fluor und Staub aufzunehmen.
müssen zur Behandlung gesammelt werden (siehe Emissionen).