Herstellung von Aluminiumoxid

Bauteile aus Aluminiumoxid-Keramik werden sintertechnisch gefertigt, da das Oxid eine sehr hohe Schmelztemperatur hat. Für diese Fertigung ist pulveriger Ausgangstoff notwendig.
In der Erdkruste befindet sich viel Aluminium, jedoch leider nicht in Form von Aluminiumoxid, sondern in verschiedenen Sillikaten. Es gibt jedoch Gesteine, die mit dem Aluminiumoxid sehr verwandte Substanzen enthalten, nämlich Aluminiumoxid-Hydrate (Aluminiumhydroxide). Besonders viel davon hat das Gestein namens Bauxit. Bis heute ist der bergmännisch gewonnene Bauxit die wichtigste Quelle für das Aluminiumoxid und somit auch das wichtigste aluminiumhaltige Erz. Das Erz wurde 1821 durch den französischen Geologen Pierre Berthier entdeckt und nach seinem Entdeckungsort Les-Baux-de-Provence in Frankreich benannt. Bauxit ist über Millionen von Jahren durch chemische Verwitterung von aluminiumsilikathaltigem Gestein entstanden. Er setzt sich aus verschiedenen Mineralien zusammen, vor allem aus 55 bis 65% Aluminiumoxid-Hydraten. Dazu kommen weitere Substanzen (Beimengungen), wie vor allem Eisen-, Titan- und Siliziumoxide. Bei der Herstellung von Aluminiumoxid müssen diese Beimengungen entfernt werden.
Genau genommen besteht diese Herstellung aus zwei Prozessen:
- Dem eigentlichen Bayer-Prozess, d.h. die Herstellung von Aluminiumoxid-Hydrat (oder chemisch besser formuliert von Aluminiumhydroxid) aus dem Bauxit. Am Rande gesagt hat das Bayer-Verfahren nichts mit der weltbekannten chemischen Firma, die u.a. Aspirin produziert, zu tun. Das Verfahren wurde nach seinem, ziemlich unbekannten, Erfinder benannt.
- Dem Kalzination-Prozess, d. h. der Herstellung von reinem Aluminiumoxids (Tonerde) aus dem Aluminiumoxid-Hydrat.
Diese beiden Prozesse werden in Büchern und Medien oft zusammengefasst und als „das Bayer-Verfahren“ benannt, da sie in der Regel in einem Werk stattfinden, nämlich in einem Aluminiumoxidwerk.


Herstellung von Aluminiumoxid-Hydrat

Der eigentliche Bayer-Prozess ist ein alkalischer Kreislaufprozess und chemisch gesehen handelt es sich hierbei um einen nassen Aufschluss. Unter dem Aufschluss wird in der Chemie allgemein ein Verfahren verstanden, bei dem eine unlösliche Verbindung in eine lösliche übergeführt wird. Beim Bayer-Verfahren bildet die Grundlage dafür die unterschiedliche chemische Löslichkeit der verschiedenen Oxide in Natronlauge NaOH. Da das Verfahren recht kompliziert ist, werdenhier nur die wichtigsten Verfahrensschritte genannt. Das Schema des Verfahrens zeigt Abb. 1a.

       
           Abb. 1 Bayer-Prozess a) Herstellung von Aluminiumhydroxid, b) Kalzination

Beim Prozessbeginn wird der Bauxit unter Zusatz von Natronlauge zu einer dickflüssigen Suspension fein vermahlen (Chemiker sagen: aufgeschlossen). Die Suspension wird durch die Rohre eines Reaktors gepumpt und dabei stufenweise auf ca. 270°C aufgeheizt. Mit steigender Temperatur und unter Druck löst die Lauge nahezu spezifisch die Aluminiumverbindungen aus dem Bauxit heraus. Es entsteht eine neue lösliche Aluminiumverbindung namens Natriumaluminat. Sie wird über mehrere Stufen abgekühlt und eingedickt. Diese Lösung enthält außerdem feste und unlösliche Bestandteile wie z.B. Eisen- und Titandioxid. In großen Klärbehältern werden diese mineralischen Rückstände durch Sedimentation abgetrennt. Der verbleibende Reststoff wird wegen seiner intensiv roten Farbe, die von Eisen(III)-hydroxiden stammt, Rotschlamm genannt. Der Rotschlamm ist Sondermüll. Wie viel Rotschlamm anfällt, hängt von der Qualität des verwendeten Bauxits ab. Der stark alkalische Schlamm wird meist deponiert oder schlimmsten Falls in Flüsse geleitet. Unfälle, bei denen z.B. ein Deponiedamm durchbrochen wird und der Rotschlamm ausströmen kann, haben sich leider schon ereignet.
Nach dem Verlassen der Aufschlussanlage ist die Natriumaluminatlauge hochübersättigt. Nun muss diese Übersättigung aufgehoben werden. Dieses wird durch Zusatz von Kristallisationskeimen (Impfen), durch intensives Rühren sowie durch weiteres Abkühlen und Druckverringerung erreicht. Es beginnt das Ausfällen von reinem Aluminiumhydroxid, die sogenannte Ausrührung. Dabei läuft dieselbe Reaktion wie beim Laugenaufschluss ab, jedoch in umgekehrter Richtung. Es ist nun einmal ein Kreislaufprozess. Der Unterschied zur anfänglichen Situation ist der, dass jetzt nur Aluminiumhydroxid vorliegt, ohne Beimengungen.
Das Produkt des eigentlichen Bayer-Prozesses ist das Aluminiumoxid-Trihydrat Al2O3*H2O, oder Aluminiumhydroxid Al(OH)3 – beide Begriffe und beide Formeln sind chemisch gesehen richtig. Das Aluminiumhydroxid enthält von 60% bis 65% Aluminiumoxid, wenige Anteile an anderen Oxiden und das in seinem Gitter gebundene Kristallwasser. Bedingt durch die chemischen Prozesse liegt das Hydroxid in pulveriger Form vor. Es handelt sich dabei um ein eigenständiges Produkt, das eine breite Anwendung findet, so z.B. bei der Papier- und Glasherstellung, für kosmetische Produkte oder als flammhemmender Füllstoff in Teppichen. Für viele Anwendungen, wie die Produktion technischer Keramik, die Züchtung von Rubinen oder die Herstellung metallischen Aluminiums, ist das Hydrat jedoch nicht geeignet.


Kalzination - Herstellung von reinem Aluminiumoxid

Bei dem Kalzinationsprozess wird aus dem Aluminiumhydroxid reines (d.h. entwässertes) Aluminiumoxid erzeugt. Ein Vergleich der chemischen Formel von Aluminiumhydroxid Al(OH)3 mit der chemischen Formel von Aluminiumoxid Al2O3 lässt eine chemische Ähnlichkeit erkennen. Wenn wir zwei Moleküle des Hydroxids nehmen und daraus drei Wassermoleküle entfernen, dann bleibt ein Molekül von Aluminiumoxid übrig. Dieses chemische Grundprinzip ist in Abb. 1b dargestellt.
Was bei zwei Molekülen funktioniert, funktioniert auch – mithilfe geeigneter Technologie – bei beispielsweise zwei Tonnen des Aluminiumhydroxids. Das Wasser kann technologisch durch Erhitzen entfernt werden. Dieser Idee folgend wird das Aluminiumhydroxid bei der Kalzination in einem speziellen Ofen auf ca. 1000°C erhitzt. Im Wirbelschichtverfahren wird dem Hydroxid das Kristallwasser entzogen. Es entsteht Aluminiumoxid, das als weißes Pulver vorliegt. Allerdings enthält es noch Reste – zwar sehr geringe - von Fremdoxiden, etwa Silizium-, Eisen-, Natrium-, Magnesium- und Kalziumoxid. Deren Anteile bestimmen den Reinheitsgrad und den späteren Einsatz des Aluminiumoxids. Dabei werden Aluminiumoxide mit niedrigen Natriumoxidgehalten besonders geschätzt. Die durch die Kalzination erzeugten Sorten enthalten meist 98,5% Aluminiumoxid.
Die wichtigste Verwendung des Aluminiumoxids ist jedoch nicht die Fertigung keramischer Bauteile.
Fast 90% des künstlichen Aluminiumoxids hat eine kurze Lebensdauer, da diese Menge für die Herstellung metallischen Aluminiums (siehe Gewinnung von Aluminium) verbraucht wird. <<