Zur Herstellung von reinem Aluminium benötigt man als Ausgangsstoff Bauxit. Im ersten Teil der Schmelzflusselektrolyse, dem Bayer - Verfahren wird das Bauxit aufbereitet. Es wird zuerst fein gemahlen, bevor es mit heißer Natronlauge unter Druck erhitzt wird.
AI203 H2O + 2 H2O + 2 NaOH -> 2 NaAI(OH)4
Dabei löst sich das Aluminiumhydroxid und geht als NaAl(OH)4 (Natriumaluminat) in die Lösung ein, die übrigen Bestandteile bilden einen unlöslichen Rückstand (Rotschlamm), der aus Fe(OH)3 und anderen Verunreinigungen besteht.
Der stark unlösliche Rotschlamm wird abfiltriert und die zurückbleibende Lösung stark verdünnt. Damit wird das Gleichgewicht soweit beeinflusst, dass AI(OH)3 (Aluminiumhydroxid) ausfällt. Das ausgefällte AI(OH)3 wird nun entwässert und durch Glühen bei ca. 1200 °C entsteht Aluminiumoxid (Tonerde).
2 AI(OH)3 -> AI203 + 3 H2O
Nach dieser Vorbearbeitung des Bauxit folgt die eigentliche Schmelzflusselektrolyse, die auch Hall - Heroult - Verfahren genannt wird, da der Franzose Paul Louis Toussain Heroult und der Amerikaner Charles Martin Hall unabhängig voneinander entdeckten, dass sich Tonerde in geschmolzenem Kryolith (Na3AIF6) auflöst und elektrolytisch in rohes, geschmolzenes Metall und Nebenprodukte zerlegt werden kann
Das reine Aluminiumoxid, das im Bayer - Verfahren hergestellt wurde besitzt eine sehr hohe Bildungsenthalpie und somit ist eine chemische Reduktion nicht möglich. Deshalb muss hier ein elektrochemisches Verfahren angewendet werden, ebenso wie bei der Gewinnung von Alkali- oder Erdalkalimetallen.
Die Schmelzelektrolyse von reinem Aluminiumoxid ist sehr schwierig und mit hohen Energiekosten verbunden, da der Schmelzpunkt von AI203 bei 2050°C liegt. Gibt man Kryolith Na3AlF6 (Schmelzpunkt 1000°C) zu. Dadurch erreicht man eine Schmelztemperaturerniedrigung auf ca. 950 °C bei einem Gemisch aus 80% Kryolith und 8% Aluminiumoxid, der Rest besteht aus AIF3 und LiF. Der Zusatz von Kryolith sinkt nicht nur die Schmelztemperatur, sondern erhöht auch die Leitfähigkeit und Stromausbeute, dabei wird Kryolith nur sehr gering zersetzt.
Die oben beschriebene Durchführung erfolgt in Eisenblechwannen, in die Stahlschienen zur Stromzuführung eingelagert sind. Die Seitenwände und der Boden sind mit Kohle ausgekleidet und bilden die Kathode. Kurze Kohlenblöcke, die an einem Tragegerüst hängen, wirken als Anode. Während dieser Umwandlung erfolgen Reaktionen an Anode und Kathode.
Kathode: 4 AI3+ + 12 e- —> 4 AI
Anode: 3 C + 602- —> C02 + 12 e-Diese beiden Reaktionen ergeben folgende Gesamtreaktion:
Aus dieser Gesamtreaktion entsteht flüssiges Aluminium und Elektrolyt - Schmelze (Tonerde-Kryolith-Schmelze). Die Elektrolyt-Schmelze leitet ebenso wie die Aluminiumschmelzeelektrischen Strom.
Da das flüssige Aluminium eine größere Dichte als die Elektrolyt-Schmelze besitzt, sammelt sich das Metall am Boden der Wanne und wird so zur Kathode. Das Aluminium wird durch die Elektrolyt - Schmelze vor einer Oxidation geschützt und wird dann einmal pro Tag abgesaugt, gelangt in einen Warmhalteofen, in dem sich die letzten Fremdstoffe und Gase lösen. Danach erhält man Aluminium mit einer Reinheit von 99.5% bis 99.9 %, das als letzten Schritt in Barren gegossen wird.
Bei Inbetriebnahme der Elektrolyse – Zelle muss darauf geachtet werden, dass der Anteil an Aluminiumoxid, normalerweise zwischen 2% und 8%, nicht unter 2% sinkt, da sonst der Anodeneffekt auftritt:
Bei zu geringem Anteil an Aluminiumoxid, das bei der Schmelzflusselektrolyse verbraucht wird, wird die Anode in der Schmelze schlecht benetzt. Das hat zur folge, dass sich um die Elektrode ein Gasfilm bildet und der Widerstand der Elektrolyse - Zelle steigt. Da die hohe Stromstärke aufrechterhalten werden muss, steigt die Spannung bis zu 30 V.
Dies muss vermieden werden, da sonst die Kontinuität des Verfahrens gefährdet ist. Ein weiteres Problem bei sinkender Aluminiumoxidzahl die Bildung von Fluorverbindungen an der Anode. Das dies nicht passiert, sorgt eine computergesteuerte Dosiermaschine dafür, dass in Abständen von wenigen Minuten Oxid nachgefüllt wird.
Da die Anoden während einer Elektrolyse verbraucht werden, indem der Kohlenstoff oxidiert wird und mit Aluminiumoxid-Ionen und der Schmelze Kohlenstoffdioxid bildet, wird die Blockanode regelmäßig erneuert und der Abstand zwischen Anode und Kathode kontrolliert. Das gebildete Anodengas, was aus Kohlenstoffdioxid und zu einem Drittel aus giftigem Kohlenmonoxid besteht, wird ständig abgesaugt. Andere giftige Verbindungen, wie z.B. Fluorwasserstoff wird an der Schicht von Aluminiumoxid absorbiert und der Elektrolyse - Zelle erneut zugeführt.
Moderne Elektrolysezellen liefern ca. 1000 kg Aluminium pro Tag; eine Aluminiumhütte mit drei Elektrolysehallen erzeugt täglich 300 Tonnen Aluminium. Wegen des großen Energiebedarfs liegen die Aluminiumhütten meistens in Gegenden, in denen Energie preiswert hergestellt werden kann, beispielsweise durch Wasserkraft.
