Aluminiumsulfat ist eine weit verbreitete Industrieverbindung, deren Bedeutung nach Aluminiumoxid an zweiter Stelle steht. Es wurde erstmals 1844 in Paris als Ersatz für Kaliumalaun verwendet. Heute hat Aluminiumsulfat fast alle Anwendungen übernommen, die ursprünglich für Kaliumalaun verwendet wurden.
Inhaltsverzeichnis
1. Eigenschaften von Aluminiumsulfat
Aluminiumsulfat ist ein weißer, geruchloser Feststoff, der in wasserfreiem Ethanol nahezu unlöslich, in Wasser jedoch gut löslich ist. Wässrige Lösungen von Aluminiumsulfat sind sauer. Die Löslichkeit von Aluminiumsulfat in Wasser variiert je nach Temperatur und Konzentration anderer Ionen in der Lösung.
Die Literaturangaben zur Löslichkeit von Aluminiumsulfat sind uneinheitlich und es ist schwierig, eindeutige Aussagen über die Struktur des Niederschlags in Wasser zu treffen.
| Löslichkeit von Aluminiumsulfat als Funktion der Temperatur in Wasser | |
|---|---|
| T, °C | Löslichkeit (g/100 g Wasser) |
| 0 | 31.3 |
| 10 | 33,5 |
| 20 | 36,15 |
| 30 | 40,36 |
| 40 | 45,73 |
| 50 | 52,13 |
| 60 | 59,10 |
| 70 | 66,23 |
| 80 | 73,14 |
| 90 | 80,83 |
| 100 | 89,1 |
Die häufigste Form von Aluminiumsulfat ist Al2(SO4)3·18H2O, das natürlicherweise als Alunogen (Haarsalz) vorkommt. Diese Form von Aluminiumsulfat kann auch aus salzsaurer Lösung in Form mikroskopisch kleiner, weißer Nadeln kristallisiert werden. Einige Forscher haben jedoch herausgefunden, dass diese Form von Aluminiumsulfat tatsächlich 17 Mol Wasser enthält, während andere herausgefunden haben, dass es 27 Mol Wasser enthält.
Neben Al2(SO4)3·18H2O gibt es eine Reihe weiterer wohldefinierter Aluminiumsulfate, darunter solche, die 16, 10 und 6 Mol Wasser enthalten. Hinzu kommen insgesamt 39 basische und 3 saure Aluminiumsulfate, sowie 13 verschiedene Hydrate des Neutralsalzes.
Aus den Dampfdruckkurven und den Dehydratisierungskurven von Al2(SO4)3–H2O und Al2( SO4)3–Al(OH)3–H2O-Systeme.
In der industriellen Praxis spielt der Hydratwassergehalt von Aluminiumsulfat keine Rolle, da es sich bei dem Material um einen gemahlenen, mikrokristallinen Feststoff mit variablem Wassergehalt handelt. Durch Erhitzen wird der gewünschte Al2O3-Gehalt in gewissen Grenzen eingestellt.
Bei einer Temperatur über 340 °C entsteht wasserfreies Aluminiumsulfat, ein weißes Pulver mit einer Dichte von 2,71 g/cm3. Wasserfreies Aluminiumsulfat zersetzt sich oberhalb von 770 °C zu Aluminiumoxid.
2. Herstellung von Aluminiumsulfat
Aluminiumsulfat wird in Deutschland und den meisten europäischen Ländern in großem Maßstab aus Aluminiumhydroxid und Schwefelsäure im sogenannten Giulini-Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren ist relativ einfach und erzeugt Aluminiumsulfat mit hoher Reinheit.
In einigen Ländern wird Aluminiumsulfat immer noch durch die Einwirkung von Schwefelsäure auf aluminiumhaltige Erze wie Ton und Bauxit hergestellt. Dieser Prozess ist komplexer und erzeugt Aluminiumsulfat mit geringerer Reinheit.
2.1. Giulini-Prozess
Das Giulini-Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumsulfat aus Aluminiumhydroxid und Schwefelsäure.
Der Prozess beginnt mit der Zugabe von Aluminiumhydroxid in einen druckfesten Rührbehälter. Anschließend wird warme Schwefelsäure aus einem Vorwärmer zugegeben und die Mischung gerührt. Die Reaktion beginnt nach 60–300 Sekunden und ist nach 10–12 Minuten abgeschlossen.
Durch die Reaktionswärme steigt die Temperatur auf ca. 170 °C, der Druck steigt auf 5–6 bar. Die Mischung darf nicht länger als 1 Stunde gerührt werden, da dies zur Hydrolyse von Aluminiumsulfat und zur Bildung von unlöslichem basischem Aluminiumsulfat und stark saurer Sulfatschmelze führen kann.
Anschließend wird die Schmelze in einen Kupferbehälter geleitet, wo sie durch Entspannungsverdampfung konzentriert wird. Vom Verdampfer wird die Schmelze in einen gut isolierten Vakuumtank gesaugt, der auf den Dampfdruck der Aluminiumsulfatschmelze evakuiert wird. Durch diese Vakuumkühlung wird eine Verkrustung der Wärmetauscherflächen vermieden.
Die Schmelze fällt aus dem Vakuumbehälter in einen Mischer, wo sie mit 1–2 % Aluminiumsulfatpulver angeimpft wird. Das breiartige Produkt gelangt dann auf ein „Kristallisationsband“, ein glattes, hitzebeständiges, muldenförmiges Gummiförderband. Das Produkt kristallisiert auf dem Band in etwa 30 Minuten.
Aufgrund der hohen Kristallisationswärme hat das Material eine Temperatur von ca. 90 °C und lässt sich nicht in einem Schritt in eine feine Größe brechen. Es läuft über luftgekühlte Förderbänder, bis es auf 40 °C abgekühlt ist, anschließend wird es gemahlen und gesiebt. Das fertige Produkt wird dann in Papier- oder Jutesäcke abgefüllt oder lose in Silowagen transportiert.
Nach dem Giulini-Verfahren hergestelltes Aluminiumsulfat hat eine hohe Reinheit von 17,2 % Al2O3 und enthält nur 0,01 % unlösliches Material. Damit ist der Aufschluss des Aluminiumhydroxids nahezu abgeschlossen. Für den Transport als Lösung wird der Al2O3-Gehalt auf ca. 8 % eingestellt, um eine Kristallisation während des Transports zu vermeiden.
2.2. Herstellung aus Bauxit
Auch fein gemahlener Bauxit kann als Ausgangsstoff für die Herstellung von Aluminiumsulfat verwendet werden. In diesem Fall werden pro 1 Mol Aluminiumoxid im Bauxit 3 Mol Schwefelsäure zugesetzt.
Der Eisenoxidgehalt des Bauxits bleibt unberücksichtigt, da das Aluminiumoxid nur zu 97–98 % aufgeschlossen wird, wodurch genügend Schwefelsäure zur Verfügung steht, um Aluminiumsulfat mit 17,5 % Al2O3 zu erzeugen.
Das aus Bauxit hergestellte Aluminiumsulfat enthält etwa 0,5 % Fe2O3 und 2,2 % unlösliche Rückstände.
2.3. Herstellung aus weniger reinen Ausgangsmaterialien
Beim Säureaufschluss von siliziumhaltigen Rohstoffen entsteht eine Lösung von Aluminiumsulfat. Die Reinheit des Endprodukts hängt sowohl vom spezifischen Verfahren als auch von der Art der Ausgangsmaterialien ab.
Das Vorhandensein von Eisen, das den Prozess stören kann, wird durch verschiedene Techniken beseitigt. Dazu gehört die Ausfällung von Eisen durch Reaktionen mit Substanzen wie Calciumhexacyanoferrat (II) zur Bildung von Berliner Blau oder die Verwendung von Calciumsulfid zur Bildung von Eisensulfid. Durch Hydrolyse wird basisches Eisensulfat erzeugt.
Die resultierende klare Lösung wird entweder dekantiert und als Flüssigkeit vermarktet oder auf einen Wert von 61,5 °Bé konzentriert und vor dem Mahlen verfestigt.
Es bildet die technische Qualität von Aluminiumsulfat und enthält etwa 0,5 % Fe2O3 und 0,1 % unlösliches Material. Darüber hinaus gibt es ein höherwertiges Material mit einem vernachlässigbaren Fe2O3-Gehalt von etwa 0,005 %.
Beim Kretzschmar-Verfahren entsteht durch den Aufschluss von Ton mit Schwefelsäure hochreines, eisenfreies Aluminiumsulfat. Dieses Verfahren umfasst die Extraktion eines erheblichen Teils der Verunreinigungen und die Abtrennung von Kristallen aus der Lösung durch Rühren.
Durch die Anwendung von Vakuum wird die Bildung unerwünschter kolloidaler Substanzen vermieden. Das Verfahren führt zur Isolierung reiner, substanzieller Kristalle von Al2(SO4)3·18 H2O (15,3 % Al2O3), die durch Zentrifugation leicht von der unreinen Mutterlauge abgetrennt werden können.
Der verbleibende Rückstand, ein Nebenprodukt des Aufschlussprozesses (SiO2), wird mithilfe von Kalk in Calciumhydrosilikat umgewandelt, wodurch die Härte und Plastizität des Kalkmörtels erhöht wird.
Um die übersättigte Aluminiumsulfat-Mutterlauge zu reduzieren, hat das U.S. Bureau of Mines ein Verfahren entwickelt, das hierfür Ethanol nutzt.
Die Olin Mathieson Chemical Corp. hat eine wirtschaftliche Technik zur Gewinnung von hochwertigem Aluminiumsulfat unter Verwendung von Ton oder Schieferabfällen aus Kohlebergwerken entwickelt. Mit einem Kristallisator werden große Kristalle (Größe 1,5–3 mm) mit einem Eisengehalt unter 0,03 % gebildet.
Aluminiumsulfat kann aus Abfall „Rotschlamm“ hergestellt werden, einem Rückstand, der aus der Aluminiumoxidindustrie stammt. Der Rotschlamm wird in Wasser suspendiert und Schwefeldioxid durch die Suspension geleitet, bis ein pH-Wert von 2 erreicht ist.
Nach der Filtration und Entfernung des Schwefeldioxids im Vakuum entsteht ein Niederschlag, der Al(OH)SO3 und SiO2·n·H2O enthält. Anschließend wird es filtriert und mit Schwefelsäure behandelt, um das Aluminiumsulfat aufzulösen.
3. Verwendung von Aluminiumsulfat
Etwa zwei Drittel der gesamten Aluminiumsulfatproduktion werden für die Wasseraufbereitung verwendet, und etwa die Hälfte der Gesamtproduktion wird in der Papierindustrie verwendet.
3.1. Papierindustrie
In der Papierindustrie wird Aluminiumsulfat für verschiedene Zwecke verwendet, darunter:
- Fällende und fixierende Leimungsmittel, Nassfestmittel und Grundfarbstoffe
- Verbesserung der Bindung
- Verteilen von Harzpartikeln, die zusammenkleben und Siebe verstopfen
- Herstellung eines hochwertigen Schlickers zum Beschichten von Glanzpapier (Seidenweiß)
- Herstellung von Lackfarben und Tapeten
Aluminiumsulfat mit mehr als 0,2 % Fe2O3 verleiht Papier einen Gelbstich und kann nicht für hochwertiges weißes Papier verwendet werden.
3.2. Wasserreinigung
Bei der Wasserreinigung ist Aluminiumsulfat ein wichtiges Flockungsmittel. Bei der Flockung verklumpen kleine Partikel, sodass sie leichter aus dem Wasser entfernt werden können.
Aluminiumsulfat neutralisiert die negative Ladung des kolloidalen Materials im Wasser, wodurch die Partikel zusammenklumpen können.
Die Reaktion, die bei der Zugabe von Aluminiumsulfat zu Wasser abläuft, ist wie folgt:
Al2(SO4)3 + 6 HCO3– → 2 Al(OH)3 + 6 CO2 + 3 SO42-
Bei dieser Reaktion reagieren die Aluminiumionen im Aluminiumsulfat mit den Bicarbonationen im Wasser unter Bildung von Aluminiumhydroxid, Kohlendioxid und Sulfationen. Das Aluminiumhydroxid flockt dann mit dem kolloidalen Material im Wasser aus, wodurch es verklumpt und sich absetzt.
Im Allgemeinen reichen 5–50 g Aluminiumsulfat aus, um 1 m3 Wasser zu reinigen. Ein Vorteil der Verwendung von Aluminiumsulfat besteht darin, dass bei richtiger Zugabemenge keine Nachflockung erforderlich ist.
Zu den Nachteilen der Verwendung von Aluminiumsulfat zählen die Bildung von freiem Kohlendioxid, die Erhöhung der Nichtkarbonathärte, wie z. B. Calciumsulfat, und der pH-Wert, der zwischen 5 und 7 bleibt.
3.3. Andere Verwendungen
Aluminiumsulfat kann auch für eine Vielzahl anderer Zwecke verwendet werden, darunter:
- Als Beizmittel beim Färben
- Zum Einlegen von Samen
- Desodorierung von Mineralölen
- Tawing
- Herstellung von Aluminiumhydroxidgel
- Als Katalysatorträger
- Als Ausgangsmaterial für fast alle anderen Aluminiumverbindungen
Aluminiumsulfat ist eine ungiftige Substanz. Ein gemeldeter LD50-Wert von 6207 mg/kg (oral, Maus) weist auf eine relativ geringe Toxizität hin.
Referenz
- Aluminum Compounds, Inorganic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2
FAQ
Aluminiumsulfat ist ein weißer, geruchloser, kristalliner Feststoff. Es handelt sich um eine chemische Verbindung mit der Formel Al2(SO4)3. Es ist wasserlöslich und bildet eine klare Lösung. Aluminiumsulfat ist eine gängige Industriechemikalie und wird für verschiedene Zwecke verwendet.
Die Molmasse von Aluminiumsulfat beträgt 342,15 g/mol. Das bedeutet, dass ein Mol Aluminiumsulfat eine Masse von 342,15 Gramm hat.
Aluminiumsulfat hat ein breites Anwendungsspektrum. Es wird in der Wasseraufbereitung als Flockungsmittel verwendet, um Wasser zu reinigen, indem es die Verklumpung und Ablagerung von Partikeln bewirkt. In der Papierindustrie wird es zur Leimung, pH-Einstellung und Abwasserreinigung eingesetzt. Darüber hinaus findet es Verwendung als Beizmittel beim Färben, zum Einlegen von Samen und in verschiedenen chemischen Prozessen.
Aluminiumsulfat entsteht durch die Reaktion von Aluminiumhydroxid mit Schwefelsäure oder durch die Behandlung von aluminiumhaltigen Erzen mit Schwefelsäure. Es kann auch aus weniger reinen Ausgangsstoffen wie Bauxit gewonnen werden. Der spezifische Prozess kann unterschiedlich sein, im Allgemeinen umfasst er jedoch einen Säureaufschluss, eine Fällung und eine Trennung.
Der pH-Wert von Aluminiumsulfatlösungen liegt typischerweise zwischen etwa 2 und 3. Dadurch ist es sauer, weshalb es in verschiedenen Anwendungen häufig zur pH-Wert-Einstellung verwendet wird.
Aluminiumsulfat gilt in geringen Dosen nicht als schädlich für den Menschen. Allerdings kann es schädlich sein, wenn es in großen Dosen eingenommen wird. Zu den Symptomen einer Aluminiumsulfatvergiftung gehören Übelkeit, Erbrechen, Durchfall und Bauchschmerzen. In schweren Fällen kann eine Aluminiumsulfatvergiftung zum Tod führen.
Aluminiumsulfat wird häufig bei der Wasserreinigung als Flockungsmittel verwendet. Bei Zugabe zu Wasser interagieren die positiv geladenen Aluminiumionen mit negativ geladenen Partikeln und Kolloiden im Wasser, wodurch diese verklumpen (ausflocken). Diese größeren Klumpen setzen sich als Schlamm ab, wodurch klareres Wasser abgeschieden werden kann. Dieser Prozess ist unerlässlich, um Verunreinigungen und Partikel aus dem Wasser zu entfernen und es für den Verbrauch und verschiedene Verwendungszwecke sicherer zu machen.
