CIX. Darstellung von schwefelsaurer Thonerde und Natronlauge aus Kryolith; von Dr. Sauerwein. Aus den Mittheilungen des hannoverschen Gewerbevereins, 1862 S. 170. Sauerwein über Darstellung von schwefelsaurer Thonerde und Natronlauge aus Kryolith. In den letzten Jahren hat ein Mineral, welches früher als mineralogische Seltenheit weniger Beachtung gefunden – der Kryolith – in der Technik eine nicht ganz unerhebliche Wichtigkeit erlangt, indem nach Auffindung eines sehr mächtigen Lagers davon in Grönland die Industrie sich desselben als eines sehr billigen Rohmaterials zur Darstellung des Aluminiums bemächtigte. Seitdem jedoch der Verbrauch des Aluminiums den anfangs gehegten Erwartungen nicht entsprochen, hat man in neuerer Zeit für die ungeheuren Mengen Kryolith, die jährlich gewonnen werden, noch eine andere Verwerthung zu finden gewußt, indem man sie zur Darstellung zweier, in der technischen Industrie sehr wichtigen Präparate verwendet – zur Bereitung nämlich einerseits von schwefelsaurer Thonerde und andererseits von Soda oder auch von Aetznatron. Es existiren jetzt mehrere Fabriken, die den Kryolith in dieser Weise verwerthen. Indessen ist hinsichtlich der Methoden, wonach dabei verfahren wird, wenig in die Oeffentlichkeit gelangt und nur über die Darstellung genannter beider Präparate in der Fabrik des Hrn. Weber in Kopenhagen finde ich in der sächsischen Industriezeitung Nr. 28 vom Jahre 1861 eine Notiz, welcher zufolge daselbst der Kryolith mit Schwefelsäure aufgeschlossen wird. Gehen wir indessen auf diese Zersetzungsweise des Kryoliths näher ein, so treten uns dabei mehrfache Uebelstände entgegen. Bekanntlich ist der Kryolith zusammengesetzt nach der Formel: Al²Fl³ + 3 NaFl. Zur völligen Zersetzung desselben sind demnach 6 Aequivalente Schwefelsäure, d. i. auf 238 Gewichtstheile Kryolith 240 Gewichtstheile wasserfreie Schwefelsäure, entsprechend etwa 321 Gewichtstheilen gewöhnlicher englischer Schwefelsäure des Handels erforderlich, also etwa 3 Theile Kryolith und 4 Theile Säure, natürlich angemessen mit Wasser verdünnt. Als Product der Zersetzung erhalten wir neutrale schwefelsaure Thonerde, schwefelsaures Natron und Fluorwasserstoffgas nach der Formel: Al²Fl³ + 3 NaFl und 6 HO SO³ geben Al²O³ + 3 SO³, 3 NaO SO³ und 6 HFl. Beide Salze haben wir aber alsdann gemeinschaftlich in Lösung, und ihre Trennung kann jedenfalls wohl nur durch Eindampfen der Lösung und Auskrystallisiren des schwefelsauren Natrons bewerkstelligt werden, während die schwefelsaure Thonerde in die Mutterlauge übergeht. Allein es liegt auf der Hand, daß diese Arbeiten umständlich und weitläufig sind, besondere Feuerung und besondere Apparate verlangen, welche das Product vertheuern. Wäre es nun auch möglich – worüber ich Versuche nicht angestellt habe – durch Anwendung von nur der Hälfte der Schwefelsäure, wie bei obigem Verhältnisse das Fluornatrium wegen der stärkeren Verwandtschaft der Schwefelsäure zum Natron allein zu zersetzen: so sind doch noch einige andere Uebelstände vorhanden, welche dieser Methode nicht das Wort reden. Die Trennung der Thonerde vom Natron wäre allerdings dadurch bedeutend vereinfacht, indem das gebildete schwefelsaure Natron von dem rückständigen, unlöslichen Fluoraluminium sehr leicht durch Abgießen der Lauge und Auswaschen des Rückstandes getrennt werden könnte. Der Rückstand, mit der gleichen Menge Schwefelsäure behandelt, würde alsdann schwefelsaure Thonerde geben. Die folgenden Formeln geben ein Bild dieser Zersetzung: I. Al²Fl³ + 3 NaFl und 3 HO SO³ geben AlFl³ + 3 NaO SO³ und 3 HFl. II. Al²Fl³ und 3 HO SO³ geben Al²O³ + 3 SO³ und 3 HFl. Indessen, wenn auch die Trennung auf diesem Wege eine vollkommene wäre, so ist doch gegen diese Methode Folgendes auszusetzen: 1) Es muß die Lösung des schwefelsauren Natrons abgedampft werden, um dieß Salz behufs der Umwandlung in Soda in fester Gestalt zu erhalten. Dazu sind gleichfalls besondere Einrichtungen erforderlich. 2) Es muß das schwefelsaure Natron nun auf bekannte Weise in Soda umgewandelt werden. Dazu sind nun wiederum Schmelzöfen und Brennmaterial erforderlich; auch leuchtet ein, daß, da die Schwefelsäure hierbei nicht wieder gewonnen wird, die Hälfte der Schwefelsäure, die zur Zersetzung des Kryoliths angewandt wurde, also rein verloren geht. 3) Ein sehr großer Uebelstand ist endlich bei dieser Methode das Entweichen so großer Mengen von Fluorwasserstoff. Da dieses Gas in noch weit höherem Grade schädlich ist, als das Chlorwasserstoffgas, so müßte ein Entweichen desselben in die Luft mit noch größerer Sorgfalt vermieden werden, als das des Chlorwasserstoffgases, welches ja bekanntlich bei der Bereitung der Soda aus Kochsalz, zumal in früheren Zeiten, für die Sodafabrication so vielfache Unzuträglichkeiten herbeigeführt hat. Eine entsprechende Verwerthung der alsdann zu erhaltenden Flußsäure, wie die der Salzsäure, hat man jedoch noch nicht ausfindig gemacht. Berücksichtigt man die im Obigen nur flüchtig angedeuteten Uebelstände: so ist klar, daß, wenn auch der Kryolith an und für sich ein sehr billiger Rohstoff ist, doch die erhaltenen Producte durch die Umständlichkeiten des Verfahrens ihrer Darstellung sehr vertheuert werden. Eine weit einfachere und billigere Methode der Bereitung genannter Producte ist jedenfalls die folgende, wobei der Kryolith mit Kalk zersetzt wird. Man kann dabei diese Zersetzung auf trockenem und auf nassem Wege bewerkstelligen – im erstern Falle unter Anwendung von kohlensaurem Kalk, im letzteren Falle von Aetzkalk. – Bringt man nämlich ein Gemenge von Kryolith und kohlensaurem Kalk im Verhältniß von 1 Aequivalent des ersteren und 6 Aequivalenten des letzteren zum Schmelzen: so erhält man unter Entweichen der Kohlensäure eine Schmelze, welche aus Fluorcalcium und Natronaluminat besteht: Al²Fl³ + 3 NaFl und 6 CaO CO² geben 6 CO², 6 CaFl und Al²O³, 3 NaO. Beim Auslaugen der Schmelze bleibt das Fluorcalcium im Rückstande, während das Natronaluminat in Lösung geht. Die Kohlensäure läßt man nun nicht unbenutzt entweichen, sondern benutzt sie zur Trennung des Natrons von der Thonerde, indem man sie jedesmal in die Lösung einer vorhergehenden Schmelze leitet. Durch die Umwandlung des Aetznatrons in kohlensaures Natron wird die Thonerde ihres Lösungsmittels beraubt und niedergeschlagen, während das kohlensaure Natron in Lösung bleibt. Man hat also nur nöthig, die Lösung sich durch Absetzen klären zu lassen, abzugießen und die rückständige Thonerde auszuwaschen. Die Lauge liefert beim Abdampfen sogleich Soda und durch Auflösen der Thonerde in der nöthigen Menge Schwefelsäure erhält man schwefelsaure Thonerde. Es liegt auf der Hand, daß diese Methode weit einfacher als die vorhergehende ist, man erspart zudem die Hälfte der Schwefelsäure und die ganze Anlage ist bedeutend wohlfeiler. Dem Vernehmen nach wird die eben beschriebene Methode in mehreren Fabriken angewendet. Die Zersetzung des Kryoliths auf nassem Wege ist nicht weniger einfach; man erhält dabei statt des kohlensauren Natrons Aetznatron. Ich habe in der letzten Zeit mich mit einigen Versuchen in dieser Richtung beschäftigt und will mir erlauben, dieselben in Folgendem mitzutheilen. Kocht man nämlich den – sein gepulverten – Kryolith mit gebranntem und gelöschtem Kalk, im Verhältniß von 1 Aequivalent Kryolith und 6 Aequivalenten gebranntem Kalk (von nicht ganz reinem natürlich entsprechend mehr), d. i. 238 Gewichtstheile Kryolith und 168 Gewichtstheile Aetzkalk oder einfacher 3 Theile von ersterem und 2 Theile des letzteren, so erhält man unlösliches Fluorcalcium und in Lösung ein Natronaluminat, dessen Zusammensetzung der des Kryoliths entspricht. Die folgende Formel drückt diese Zersetzung aus: Al²Fl³ + 3 NaFl und 6 CaO geben 6 CaFl und Al²O³ + 3 NaO. Diese Umwandlung geht mit großer Leichtigkeit vor sich. Man läßt nun die Lösung sich durch Absetzen klären, decantirt die klare Lauge ab und wäscht den Rückstand einigemale aus. Die ersten Waschungen vereinigt man mit der abgegossenen Lauge, die letzteren und schwächeren benutzt man anstatt Wasser bei einer neuen Operation. In Lösung hat man nun also das Natronaluminat und es handelt sich jetzt darum, die Thonerde vom Natron zu trennen. Zu diesem Behuf kocht man die Lösung mit gleicher Menge Kryolith, als vorher in Angriff genommen war; besser ist es aber noch, einen Ueberschuß des letzteren anzuwenden, da, wie man sehen wird, dieser Ueberschuß keineswegs verloren geht, sondern vollständig wieder gewonnen, die bezweckte Trennung jedoch wesentlich dadurch gefördert wird. Wird nämlich die Lösung des Thonerde-Natrons mit der entsprechenden Menge Kryolith gekocht, so erhält man, wenn die Zersetzung gehörig vor sich gegangen ist, als Endproducte wiederum Fluornatrium und auf der anderen Seite Thonerde nach folgender Formel: Al³O³ + 3 NaO und Al² Fl³ + 3 NaFl geben 2 Al²O³ und 6 NaFl. Diese Operation ist durchaus nicht schwierig; sie erfordert indeß etwas mehr Aufmerksamkeit als die erste Zersetzung des Kryoliths mit dem Kalk. Die Thonerde nämlich, die auf diesem nassen Wege gebildet wird, ist sehr fein vertheilt. In dem Maaße nun, als bei zunehmender Zersetzung des bei dieser zweiten Operation angewandten Kryoliths die Menge der Thonerde, auf die durch oben angegebene Formel erklärte Weise vermehrt wird, umhüllt die fein vertheilte Thonerde den noch übrigen Kryolith, der, weit schwerer, noch dazu zu Boden sinkt. Dadurch wird die völlige Umwandlung des noch vorhandenen Aluminiumfluorids im zugesetzten Kryolith und des in der Lauge befindlichen Aetznatrons in Thonerde und resp. Fluornatrium erschwert. Ein Gehalt der Lauge an Aetznatron, als Beweis, daß die Zersetzung noch nicht völlig vor sich gegangen ist, gibt sich leicht dadurch zu erkennen, daß auf Zusatz von Salmiaklösung zu einer abfiltrirten Probe der Lauge und Erhitzen derselben sich Ammoniak entwickelt und Thonerde niedergeschlagen wird. So lange dieß also noch der Fall, ist die Zersetzung noch nicht völlig vor sich gegangen. Um diesem Uebelstande entgegen zu wirken und die völlige Zersetzung zu beschleunigen, ist es einmal gut, bei dieser zweiten Operation den Kryolith im Ueberschuß anzuwenden. Sodann aber ist es erforderlich, die Flüssigkeit fortwährend in Bewegung zu erhalten, damit der Kryolith am Niedersinken verhindert wird und stets mit der Lauge in gehöriger Berührung und Wechselwirkung bleibt. Bei meinen Versuchen im Kleinen bewerkstelligte ich dieß durch öfteres Umrühren mit einem Glasstabe oder Spatel. Im Großen würde diese Operation, durch menschliche Hände ausgeführt, natürlich kostspielig seyn. Eine mechanische Rührvorrichtung, wie sie ja in der Praxis öfter vorkommt, anzubringen, ist jedoch eine höchst einfache Sache und kann hier, da dieselbe je nach den Verhältnissen einzurichten ist, wohl darüber hinweggegangen werden. Auch eine erforderliche Einrichtung, um den Kryolith gehörig fein zu mahlen, braucht hier wohl nicht näher angeführt zu werden. Je feiner übrigens der Kryolith gemahlen ist, desto leichter geht natürlich die Zersetzung vor sich; ich mache daher hier darauf aufmerksam, daß dabei nichts versäumt werde, weil dadurch bei der angeführten Umwandlung in Thonerde und Fluornatrium erheblich an Zeit erspart, die Ausbeute also vermehrt wird. Die Erhitzung der Flüssigkeit wird je nach Umständen mit Dampf oder durch directe Feuerung vortheilhaft zu bewerkstelligen seyn. Als Material zu den Gefäßen würde wohl kaum ein anderes genommen werden können als Blei, da Eisen, wegen der dadurch so sehr leicht eintretenden Verunreinigung der Thonerde, die doch sorgfältig vermieden werden muß, sich durchaus nicht dazu eignet, an andere Gefäße aber wohl kaum zu denken ist. Hat man nun auf die oben angegebene Weise gefunden, daß die Umwandlung in Thonerde und Fluornatrium völlig vor sich gegangen ist, so läßt man die Lauge sich klären, zieht die klare Lösung des Fluornatriums ab und wäscht die rückständige Thonerde aus. Die ersten Waschwasser vereinigt man mit der Lösung des Fluornatriums, die folgenden benutzt man anstatt Wasser, ähnlich wie oben bereits angeführt, bei einer folgenden Operation. Die also gereinigte Thonerde löst man in der erforderlichen Menge Schwefelsäure, die ja leicht nach der angewandten Menge des Kryoliths berechnet werden kann. 1 Aequivalent Kryolith = 238 Gewichtstheilen liefert 1 Aequivalent Thonerde = 78,8 Gewichtstheilen. Man erhält also fast genau ein Drittel des Kryoliths an Thonerde, aus 100 Pfd. Kryolith also etwa 33 Pfd. und diese 33 Pfd. Thonerde würden etwa 90 Pfd. englische Schwefelsäure, wie sie im Handel vorkommt und als 1 1/2 = atomisches Hydrat betrachtet werden kann, zur Sättigung erfordern. Die Schwefelsäure muß dabei natürlich mit Wasser angemessen verdünnt werden. Der im Ueberschuß zugesetzte Kryolith bleibt dabei ungelöst; man kann ihn also vollständig wieder gewinnen, indem man die Lösung der schwefelsauren Thonerde abgießt und ihn einigemale abwäscht und dann trocknet. – Die Lösung der schwefelsauren Thonerde wird alsdann abgeraucht und in das käufliche Salz verwandelt, wie es jetzt ja vielfach als „Sulphat“ in der Färberei verwendet wird. Die Lösung des Fluornatriums wird mit der entsprechenden Menge gebrannten und gelöschten Kalks gekocht und dadurch in Aetznatron verwandelt, welche Lauge alsdann von dem unlöslichen Fluorcalcium durch Absetzenlassen dieses letzteren und Abdecantiren gewonnen wird. Durch theilweises oder vollständiges Eindampfen der Lauge erhält man entweder Natronlauge oder festes Aetznatron. Ein möglichst reiner und namentlich eisenfreier Kalk ist jedenfalls wünschenswerth, um eine Verunreinigung der schwefelsauren Thonerde, die für deren Anwendung in der Färberei sehr nachtheilig ist, zu vermeiden. Sonst ist diese Methode gewiß zu empfehlen; ich habe bei meinen Versuchen die schwefelsaure Thonerde sehr eisenfrei, wie auch die Natronlauge fast absolut frei von Thonerde erhalten. Ein geringer Eisengehalt der Thonerde rührte vom Kryolith her, der ja bekanntlich häufig durch aus Schwefelkies entstandenes Eisenoxyd etwas verunreinigt ist. Eine solche Verunreinigung muß natürlich möglichst vermieden und entfernt werden. Ich muß an dieser Stelle den Angaben Tissier's widersprechen, der angibt, man erhalte bei der Umwandlung des Kryoliths mittelst Kalk in Natronaluminat nur ein Drittel des Aluminiums als Thonerde. Ich habe bei meinen Versuchen die ganze Menge des Natrons und fast genau die ganze Menge der Thonerde erhalten, die der Rechnung nach aus den in Angriff genommenen Mengen des Kryoliths hätte erhalten werden müssen. Behandelt man den Kryolith mit nur der Hälfte des Kalks, die zur völligen Umwandlung desselben in Natronaluminat nöthig ist, so wird zunächst die Hälfte des Kryoliths in Natronaluminat verwandelt. Bei fortgesetztem Kochen wird alsdann das anfangs gebildete Natron wieder in Fluornatrium verwandelt und die Thonerde abgeschieden, in der Weise, wie oben angegeben. Man könnte beide Operationen also zu einer einzigen vereinigen, was auf den ersten Blick einfacher erscheint. Indessen in der Praxis dürfte dieß weniger zu empfehlen seyn. Denn einmal läßt sich, wenn der Kalk nicht rein ist, die Lösung des Thonerde-Natrons leicht rein erhalten, wenn man sie von dem Rückstande abgießt. Bei der nachherigen Umwandlung des Natronaluminats in Thonerde und Fluornatrium bekommt man die Thonerde also rein, während sie nach jener Methode mit den vorhandenen Verunreinigungen des Kalks zusammenbleibt. Sodann aber bleibt in diesem Falle die Thonerde auch mit dem gebildeten Fluorcalcium im Rückstande und bei dem Ausziehen der Thonerde mit Schwefelsäure liegt die Befürchtung nahe, daß einmal die schwefelsaure Thonerde leichter verunreinigt wird, andererseits aber auch die Schwefelsäure das fein vertheilte Fluorcalcium theilweise zersetzt und dadurch Verluste entstehen. Zudem hat man im ersteren Falle die Lösung der schwefelsauren Thonerde nur von überschüssig zugesetztem Kryolith zu trennen, der sich aber seines specifischen Gewichtes wegen leichter absetzt: man kann also die Lösung nach dem Absetzen desselben leicht abgießen und den Rückstand abwaschen. Im anderen Falle hat man aber die Lösung von dem fein vertheilten Fluorcalcium zu trennen, was jedenfalls schwieriger ist, da sich dasselbe nicht so gut absetzt wie Kryolith. Jede Arbeit aber, wodurch die saure Flüssigkeit verunreinigt werden könnte, wie z.B. ein Aufbringen der Masse auf Spitzbeutel etc. etc., ist nicht allein umständlich, sondern für die Zwecke der Anwendung der schwefelsauren Thonerde sorgfältig zu vermeiden. Die zuerst angegebene Methode der Zersetzung des Kryoliths mit Aetzkalk ist deßhalb der letzteren entschieden vorzuziehen.