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Hall-Héroult-Verfahren

1886-04-23
  • Charles Martin Hall
  • Paul Héroult
Industrielle Aluminiumschmelzanlage nach dem Hall-Héroult-Verfahren in der Chemietechnik.

Das Hall-Héroult-Verfahren ist das wichtigste industrielle Verfahren zur Aluminiumschmelze. Dabei wird Aluminiumoxid (Al₂O₃) in geschmolzenem Kryolith (Na₃AlF₆) gelöst und das geschmolzene Salzbad elektrolysiert. Aluminiummetall scheidet sich an der Kathode ab, während Sauerstoff aus dem Aluminiumoxid mit der Kohlenstoffanode reagiert und Kohlendioxid erzeugt. Dieses Verfahren machte Aluminium allgemein verfügbar und erschwinglich.

Vor dem Hall-Héroult-Verfahren galt Aluminium als Edelmetall und war wertvoller als Gold, da es sich nur schwer aus Erz gewinnen ließ. Das Verfahren läuft bei hohen Temperaturen von etwa 940–980 °C in großen Elektrolysezellen, sogenannten Tiegeln, ab. Aluminiumoxid hat einen sehr hohen Schmelzpunkt (über 2000 °C), sodass eine direkte Elektrolyse nicht praktikabel ist. Die wichtigste Neuerung war die Verwendung von geschmolzenem Kryolith als Lösungsmittel, das Aluminiumoxid auflöst und einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, wodurch der Energiebedarf deutlich reduziert wird.

Die Zelle besteht aus einem mit Kohlenstoff ausgekleideten Stahlmantel, der als Kathode dient. Im Elektrolytbad schwebende Kohlenstoffblöcke fungieren als Anode. Während der Elektrolyse werden Aluminiumionen aus der gelösten Tonerde an der Kathode reduziert, wobei geschmolzenes Aluminium entsteht, das auf den Boden des Gefäßes sinkt und periodisch abgezapft wird: [latex]Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al(l)[/latex]. An der Anode werden die Oxid-Ionen zu Sauerstoffgas oxidiert. Dieser Sauerstoff reagiert sofort mit der heißen Kohlenstoffanode und bildet Kohlendioxid: [latex]2O^{2-} + C(s) \rightarrow CO_2(g) + 4e^-[/latex]. Da die Kohlenstoffanoden bei diesem Prozess verbraucht werden, müssen sie regelmäßig ersetzt werden. Die Gesamtreaktion ist [latex]2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2[/latex].

Der Prozess ist äußerst energieintensiv und verbraucht einen erheblichen Teil des weltweiten Stroms. Aus diesem Grund befinden sich Aluminiumhütten oft in der Nähe von Quellen mit preiswerter Wasserkraft. Der hohe Energieverbrauch macht auch das Recycling von Aluminium sehr vorteilhaft, da es nur etwa 5% der Energie benötigt, die zur Herstellung von Primäraluminium aus Erz erforderlich ist.

UNESCO Nomenclature: 3305
- Chemieingenieurwesen

Typ

Industrieller Prozess

Unterbrechung

Revolutionär

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Isolierung von Aluminium durch Hans Christian Ørsted und Friedrich Wöhler mittels chemischer Reduktion
  • Bayer-Verfahren zur Raffination von Bauxit zu Aluminiumoxid
  • michael faradays arbeit über elektrolyse
  • Erfindung des Dynamos durch Michael Faraday, der die Stromerzeugung im großen Maßstab ermöglichte

Anwendungen

  • Produktion von fast dem gesamten Aluminium der Welt
  • Luft- und Raumfahrtindustrie für Flugzeugrahmen
  • Automobilindustrie für Motorblöcke und Karosserieteile
  • Konstruktion für Fensterrahmen und Bauelemente
  • Verpackungen für Getränkedosen und Folien

Patente:

  • US400664

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