Anwendungen, Herstellung und Aussichten auf den Markt für Aluminiumfluorid

Aluminiumfluorid (Summenformel: AlF3) wird in der Industrie häufig in Form des kristallinen Hydrats AlF3·3H2O verwendet. Aluminiumfluoridtrihydrat erscheint als farbloses, weißes Pulver mit einer triklinen Kristallstruktur, während wasserfreies Aluminiumfluorid als große Kristalle des hexagonalen Systems (ein Ionenkristall) vorliegt. Es hat eine Dichte von 2,88 g/cm³, einen Schmelzpunkt von 1040 °C und einen Siedepunkt von 1291 °C. Es ist in kaltem Wasser unlöslich, in heißem Wasser löslich, in sauren und alkalischen Lösungen schwer löslich und in den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich. Es reagiert beim Erhitzen mit flüssigem Ammoniak oder konzentrierter Schwefelsäure nicht, ebenso wenig wie beim Schmelzen mit Kaliumhydroxid. Seine chemischen Eigenschaften sind hoch stabil; es zersetzt sich beim Erhitzen nicht, sondern sublimiert.

• Es wird hauptsächlich in der Aluminiumproduktion verwendet, um den Schmelzpunkt zu senken und die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhöhen.
• Es dient als Gärungshemmer bei der Alkoholproduktion, als Flussmittel und Glasurkomponente für Keramik und Emaille und als Flussmittel beim Schmelzen von Nichteisenmetallen.

Derzeit werden über 95 % des industriellen Aluminiumfluorids von der Aluminiumindustrie verbraucht. Es dient als Zusatz zum Kryolith-Aluminiumoxid-Elektrolyten, gleicht den Aluminiumoxidverlust aus, senkt das Molekularverhältnis und die primäre Kristallisationstemperatur des Elektrolyten und hilft bei der Kontrolle des thermischen Gleichgewichts während des Aluminiumelektrolyseprozesses; es ist ein wesentlicher Rohstoff für die elektrolytische Aluminiumindustrie.

1. (1) Nassverfahren

   Unter Verwendung von Säureflussspatpulver, konzentrierter Schwefelsäure und Aluminiumhydroxid als Rohstoffe wird das bei der Reaktion von Flussspatpulver und konzentrierter Schwefelsäure entstehende Fluorwasserstoffgas zunächst in Wasser absorbiert, um eine 30%ige Flusssäurelösung zu erhalten. Diese Lösung durchläuft dann eine Flüssig-Fest-Mischphasenreaktion mit Aluminiumhydroxid, um eine übersättigte Aluminiumfluoridlösung zu bilden. Abschließend wird das Produkt durch Kristallisation, Filtration und Hochtemperaturkalzinierung zur Dehydratation gewonnen.

2. (2) Trockenverfahren

   Wie das Nassverfahren verwendet diese Methode Säureflussspatpulver, konzentrierte Schwefelsäure und Aluminiumhydroxid als Rohstoffe. Der wesentliche Unterschied liegt im Prozessablauf: Das im ersten Schritt entstehende Fluorwasserstoffgas durchläuft ein Gasphasenreinigungssystem zur Entfernung von Staub und Schwefelsäure. Anschließend wird es mit getrocknetem Aluminiumhydroxid (mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 12 %) vermischt und in ein doppelstöckiges Wirbelschichtbett eingespeist. Hier finden die Kalzinierungs-Dehydratations- und Fluorierungsreaktionen statt, die schließlich zum Aluminiumfluoridprodukt führen.

3. (3) Aluminiumsalzverfahren

   Gängige Aluminiumsalze zur Herstellung von Aluminiumfluorid sind Aluminiumchlorid, Aluminiumsulfat, Aluminiumsilikat und Aluminiumfluorsilikat.

   Die Aluminiumchloridmethode beinhaltet das Erhitzen einer wässrigen Aluminiumchloridlösung mit Flusssäure auf 400 °C, um Chlorwasserstoffgas auszutreiben und so Aluminiumfluorid zu erzeugen. Obwohl der Prozessweg einfach ist, führen die Verwendung von teurer und stark korrosiver Flusssäure zu hohen Produktionskosten.

   Die Aluminiumsulfatmethode beinhaltet das Erhitzen von minderwertigem Flussspatgestein mit Aluminiumsulfat, um Calciumsulfat (CaSO4)-Niederschlag und eine Aluminiumfluoridlösung zu erzeugen; das Endprodukt wird durch Filtration, Kristallisation, Trocknung und Dehydratation gewonnen. Obwohl dieser Prozessweg relativ komplex ist und auf Flussspat angewiesen ist – eine Ressource mit knapper Versorgung –, sind die Anlagenkosten im Vergleich zu anderen Methoden geringer.

   Aluminiumsilikat wird am direktesten aus natürlichen Aluminiumerzen gewonnen, die direkt mit Fluorwasserstoff zu Aluminiumfluorid umgesetzt werden. Obwohl diese Methode einen einfachen Prozessweg bietet, treibt die Verwendung von teurem und stark korrosivem Fluorwasserstoffgas sowohl die Produktions- als auch die Anlagenkosten erheblich in die Höhe.

Die neue globale industrielle Revolution, die durch die CO2-arme Wirtschaft gekennzeichnet ist, wird die Aluminiumfluoridindustrie zwangsläufig zu höherer Qualität und größerer Effizienz treiben. Wasserfreies Aluminiumfluorid, das als Alternative zum Standardprodukt des Trockenverfahrens dient, wird in naher Zukunft den Stand der Technik der Branche darstellen; tatsächlich ist die Entwicklung von Aluminiumfluoridprodukten mit überlegener Leistung ein unvermeidlicher Trend. Darüber hinaus stellt die Nutzung von Fluorressourcen aus Nebenprodukten der Phosphatdüngemittelproduktion zur Schaffung neuer Lieferkanäle – und damit zur Herstellung von wasserfreiem Aluminiumfluorid oder Hochleistungsderivaten – eine notwendige strategische Entscheidung für die Zukunft der Branche dar.