2011 Aluminium Getzinger Inhalt Einleitung ................................................................................................................................................. 3 Kenngrößen ............................................................................................................................................. 3 Vorkommen ............................................................................................................................................. 3 Gewinnung .............................................................................................................................................. 4 Stoffströme.............................................................................................................................................. 5 Verwendung ............................................................................................................................................ 5 Aluminiumlegierungen: ........................................................................................................................... 6 Recycling .................................................................................................................................................. 7 2 Einleitung Die Bezeichnung Aluminium leitet sich vom lateinischen Wort alumen für Alaun ab. („Alaune“ für alle schwefelsauren Doppelverbindungen). Es ist ein Nichteisenmetall und gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Im Periodensystem gehört Aluminium zur dritten Hauptgruppe oder Borgruppe, die früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es wegen seiner Reaktionsfreudigkeit fast nur in chemisch gebundenem Zustand auf. Kenngrößen Ordnungszahl: 13 Kristallstruktur: kubisch flächenzentriert Schmelzpunkt: 660,32 °C Dichte: 2,7 g/cm3 Vorkommen Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Es kommt elementar in der Natur nur sehr selten vor, meistens in Form von silbergrau glänzenden Einlagerungen in bestimmten Gesteinen. In den Feldspäten und Glimmern ist Aluminium als Aluminiumsilicat chemisch gebunden. Das Mineral Korund (Rubin, Saphir) enthält Aluminiumoxid. Das wichtigste Aluminiumerz ist der Bauxit, der im Wesentlichen aus einem Gemisch von AlHydroxiden und Al-Oxiden besteht. Die wichtigsten Erzvorkommen befinden sich in Australien, Guinea, Brasilien, Jamaika, Indien, Guyana und Indonesien 3 Gewinnung Bauxit als wichtigstes Aluminiumerz wird zuerst von Verunreinigungen (Eisenoxide und Siliciumdioxid) gereinigt, so dass man reine Tonerde als Aluminiumoxid erhält erhält. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Aluminiumoxid mit mehr als 2000°C werden die Fluorverbindungen Kryolith Na3AlF6 und AlF3 zugesetzt, so dass der Schmelzpunkt des Gemisches auf etwa 950°C herabgesetzt wird. An der Kathode, der Kohleauskleidung der eisernen Elektrolysierwanne entsteht geschmolzenes Aluminium von hoher Reinheit (99,5-99,8%). Das Aluminium sinkt aufgrund seiner größeren Dichte nach unten und wird von Zeit zu Zeit abgestochen und zu Barren gegossen. An den Graphitelektroden entsteht Sauerstoff, der mit dem Graphit zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid weiter reagiert. Dadurch werden die Graphitelektroden mit der Zeit zerfressen. Man verwendet lange Graphitstäbe, die ständig tiefer in die Schmelze hineingeschoben werden. Das Verfahren eignet sich zur kontinuierlichen Aluminiumproduktion. Mit ähnlichen Verfahren lassen sich auch Metalle wie Kalium, Calcium oder Magnesium herstellen. 4 Vorteile des Verfahrens: Durch den großen Energieaufwand entsteht so viel überschüssige Energie, dass man die Außenwände des Aluminiumbades nicht erhitzen muss, um das Bad flüssig zu halten. Nachteile: Das zur Herabsetzung des Schmelzpunktes beigesetzte Kryolith ist ein sehr seltenes Mineral, das durch Auflösen von Tonerde und Soda in Flusssäure hergestellt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abgase neben dem Treibhausgas CO2 und dem giftigen CO sehr aggressive und umweltgefährliche Fluorverbindungen und Fluorwasserstoff enthalten. Daher müssen zusätzliche Abluft-Filteranlagen gebaut werden. Aus diesen Gründen ist eine Wiederverwertung von Aluminiumabfällen rentabel. Stoffströme Zur Herstellung von einer Tonne Aluminium werden 4-5 Tonnen Bauxit, 0,6 Tonnen Kohlenstoff (Anodenmaterial), 0,06 Tonnen Kryolith und 0,03 Tonnen AlF3 benötigt. Der Energieaufwand beträgt 151,2 MWh für die Erzreinigung, bzw. zur Herstellung der reinen Tonerde und 15,5 MWh für die endotherme Reaktion der Elektrolyse. Verwendung Durch seine geringe Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf die Masse ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen im Wege. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter: Aluminium leitet Strom je Gramm Masse besser als Kupfer, ist aber voluminöser als dieses, so dass Kupfer je Quadratzentimeter Leitungsquerschnitt Strom besser leitet als Aluminium. Weil Kupfer reaktionsträger und die Verarbeitung weniger problematisch als bei Aluminium ist, wird meistens Kupfer verwendet und Aluminium nur, wenn es auf das Gewicht ankommt. 5 Aluminium wird insbesondere dann als Leitermaterial für elektrischen Strom im Stromnetz verwendet, wenn es sich um starre und dicke Leitungen handelt (Stromschienen, Erdkabel). Hier bietet es Kostenvorteile gegenüber Kupfer. Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein. Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) bestehen insbesondere bei Leistungshalbleitern aus Aluminium. Die Leiterbahnen integrierter Schaltkreise und von Leistungshalbleitern bestehen oft ebenfalls aus Aluminium. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für Wärmeübertrager (Kühler), stranggepresste Kühlprofile und wärmeableitende Grundplatten verwendet (bei höherwertigen Kühlern wird allerdings wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit Kupfer eingesetzt). AluminiumElektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff. Aluminium wird zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet. In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu Aluminiumfolie verarbeitet. Dabei macht man sich die Eigenschaft der absoluten Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Licht und anderen Umwelteinflüssen bei gleichzeitig relativ geringem Gewicht zunutze, um Lebensmittel zu schützen. Dünne Folien werden in Stärken von 6 Mikrometer hergestellt und dann zumeist in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise in Tetrapacks. Kuntstofffolien können durch Bedampfen mit Aluminium mit einer dünnen Schicht versehen werden, welche dann eine hohe (aber nicht vollständige) Barrierefunktion aufweist. Aluminiumlegierungen: Aluminiumlegierungen mit Cu, Mn, Mg und Si sowie mit Kombinationen dieser Legierungsmetalle ergeben besondere Eigenschaften wie gute Umformbarkeit, höhere Festigkeit oder Witterungsbeständigkeit. Reines Aluminium wird nur dort verwendet, wo die gute elektrische Leitfähigkeit wichtig ist. 6 Recycling Aluminium ist ein Metall, dessen Eigenschaften auch nach seiner Nutzung in einem Produkt nicht beeinträchtigt werden, so dass Aluminium beliebig oft ohne Qualitätsverlust wiederverwertet werden kann. Der hohe Metallwert bleibt erhalten und bildet einen ausreichenden wirtschaftlichen Anreiz, das Metall auch tatsächlich am Ende seiner Nutzungsphase zu erfassen, aufzubereiten, zu schmelzen und erneut in gleicher bzw. vergleichbarer Weise zu nutzen. Aluminium ist die Recycling-Effizienz demnach sehr gut, denn es ist wesentlich schwieriger, Primär-Aluminium durch Aufschluss von Bauxit (Aluminiumerz) und Synthese zu Aluminiumoxid mit anschließender Schmelzflusselektrolyse zu gewinnen, als reines Aluminium einzuschmelzen (Schmelzpunkt 660 °C). Des Weiteren wird bei der Aluminiumgewinnung aus Bauxit im erheblichen Maße elektrische Energie benötigt, während beim Recycling (Einschmelzen) auch Primärenergieträger verwendet werden können, womit die Effizienz des Prozesses weiter gesteigert wird. Insgesamt beträgt der Energieverbrauch für Recycling-Aluminium nur 5 bis 10 % vom Wert für Primäraluminium. Somit ist Aluminium-Recycling sowohl ökonomisch als auch ökologisch sehr sinnvoll. 7