Durchbruch bei hochreinem Magnesium: Aluminiumverunreinigungen mit einer Ofenmaße entfernen

Forscher der Xi'an Jiaotong-Universität haben eine neuartige Magnesiumreinigungsstrategie entwickelt, die Aluminiumverunreinigungen unter industriellen Bedingungen effizient und kostengünstig entfernt und so die Produktion von hochreinem Magnesium mit niedrigem Aluminiumgehalt in großem Maßstab ermöglicht. Die Technologie wird bereits in kommerziellen Produktionslinien eingesetzt.

Magnesium ist ein wichtiges strategisches Metall mit breiten Anwendungsmöglichkeiten im Leichttransport, in der High-End-Metallreduktion (z. B. Titan, Zirkonium) und in biomedizinischen Geräten. Ungefähr 80 % des weltweiten Primärmagnesiums werden über den silikothermischen Prozess hergestellt, der Kosten- und Größenvorteile bietet, aber mit hohen und schwankenden Verunreinigungen – insbesondere Aluminium – zu kämpfen hat. Der Aluminiumgehalt kann je nach Produktionscharge zwischen 21 und 845 mg/kg variieren, was einem >32-fachen Schwankungsgrad über fünf Reinheitsgrade entspricht. Diese Instabilität schränkt die Verwendung von Magnesium in Titan in Elektronikqualität, Zirkonium in Nuklearqualität und medizinischen Implantaten ein und schmälert gleichzeitig die Rentabilität der Hersteller.

Im Jahr 2023 identifizierte das Team die Ursache: Bei der silikothermischen Reduktion liegt Aluminium überwiegend als gasförmiges Aluminiumfluorid (AlF3) vor, das mit Magnesium cokondensiert. Nach der Analyse der Kalkablagerungen an den Ofenwänden stellten sie die Hypothese auf, dass Kalziumoxid (CaO) Aluminium wirksam entfernen könnte.

Erstautor Zheng Rui (Doktorand an der Xi'an Jiaotong-Universität) bestätigte, dass die Zugabe von CaO den Aluminiumgehalt von ~109,5 mg/kg auf nur 6,3 mg/kg senkte – eine Entfernungseffizienz von über 90 %. In Zusammenarbeit mit dem großen Rohmagnesiumproduzenten Teda Coal Chemical und unter Nutzung der auf Magnesium basierenden Pilotbasis für neue Materialien der Provinz Shaanxi validierte das Team die Methode schnell industriell. Nach einer iterativen Optimierung ersetzten sie CaO durch kalzinierten Dolomit (eine Mischung aus CaO und MgO), einem kostengünstigeren, wiederverwertbaren Material, das üblicherweise bei der Magnesiumverhüttung verwendet wird. Der Magnesiumanteil, der dem hochreinen Mg9998-Standard (Ultra-Low-Aluminium) entspricht, stieg von nahezu 0 % auf 83,3 %, was aus „zufälligem Erfolg“ eine „stabile Produktion“ machte.

Die Kostenanalyse zeigt, dass diese Reinigungsmethode die Kosten im Vergleich zur Hauptstrom-Vakuumdestillation um etwa 96 % senkt und einen praktischen Weg für die kostengünstige Produktion von hochreinem Magnesium mit niedrigem Aluminiumgehalt in großem Maßstab bietet.

„Die wirtschaftlichen Vorteile sind erheblich, aber was uns noch mehr begeistert, ist die Kettenreaktion entlang der gesamten Wertschöpfungskette“, sagt Prof. Shan Zhiwei, korrespondierender Autor der in Nature Materials veröffentlichten Studie. „Aluminium in Magnesium ist nicht immer metallisch – einige liegen in Form von Verbindungen wie AlF3 vor. Diese wirken als ‚unsichtbare Unruhestifter‘, die sich auf nachgelagerte Produkte übertragen.“

Beispielsweise wird bei der Herstellung von Titanschwämmen (entscheidend für Titan in Elektronikqualität) Magnesium als Reduktionsmittel verwendet. Wenn rohes Magnesium unkontrolliertes Aluminium enthält, geht das Aluminium in Titan über und lässt sich nur sehr schwer entfernen, wodurch das Titan in Spanqualität zerstört wird. Bei biomedizinischen Anwendungen kann sich ein hoher Aluminiumgehalt in abbaubaren Magnesium-Knochenschrauben im menschlichen Körper ansammeln und das Alzheimer-Risiko erhöhen. „Die Reduzierung von Aluminium ist auch für medizinische Geräte ein großer Vorteil“, betont Shan.

Entgegen der landläufigen Meinung, dass „Aluminium in Rohmagnesium für aluminiumhaltige Magnesiumlegierungen keine Rolle spielt“, zeigen die neuesten unveröffentlichten Experimente des Teams, dass selbst Spuren von Aluminium (<0,01 Gew.-%) die Korrosionsbeständigkeit von reinem Magnesium erheblich beeinträchtigen. „Wir bereiten diese Erkenntnis vor – wir glauben, dass der gesamte Bereich der Magnesiumlegierungen davon profitieren wird“, sagt Shan. Über die Gewinnmargen hinaus verbessert die Technologie die nachgelagerten Titan-, Elektronik- und biomedizinischen Industrien und führt wahrscheinlich zu Überarbeitungen der Industriestandards.

Der Schlüssel zur Bewältigung dieser industriellen Herausforderung war die richtige Einstellung. Das Team bemerkte eine rätselhafte Anomalie: Magnesium, das am selben Tag produziert wurde, wies stark schwankende Aluminiumwerte auf, obwohl Rohstoffe, Bediener und Prozessbedingungen stabil waren. „Das ergab keinen logischen Sinn“, erinnert sich Shan.

Dieses „Warum“ trieb sie in die Produktion. Ein altes Sprichwort besagt: „Für das tödlichste Gift liegt das Gegenmittel in sieben Schritten.“ In der Forschung verbergen sich die Lösungen der frustrierendsten industriellen Probleme oft in den banalsten Produktionsdetails. Die Arbeiter kämpften täglich mit einer harten Kalkschicht, die sich an der Mündung von Magnesiumreduktionsreaktoren bildete – wie Kalk in einem Wasserkocher. Diese „lästigen Ablagerungen“ mussten jeden Tag manuell entfernt werden, was arbeitsintensiv war und die Wärmeübertragung beeinträchtigte. Als das Team die Waage analysierte, fanden sie eine stabile „Kalzium-Aluminium-Fluor-Oxid“-Verbindung.

In Kombination mit ihrem Vorwissen, dass Aluminiumverunreinigungen als AlF3 ankommen, war die Erkenntnis verblüffend: Wenn der Zunder bereits Kalzium, Fluor, Aluminium und Sauerstoff konzentriert, könnten sie dann absichtlich Kalziumoxid verwenden, um Aluminium aus AlF3 „einzufangen“, es in eine stabile Zunderverbindung umzuwandeln und dadurch Aluminium vom Magnesium zu trennen? So wie man Eisenspäne mit einem Magneten anzieht, wurde CaO zum wichtigsten „Aluminiumadsorbens“. Das Prinzip scheint einfach, aber erst nach einem Jahrzehnt mechanistischer Studien und industrieller Erfahrung konnte das Team den Hinweis erkennen, der in der verachteten Ofenskala verborgen war.

Was sie am meisten begeisterte, war der Moment der Klarheit: Die Waage, die die Arbeiter hassten und die sie stundenlang abkratzten, enthielt tatsächlich das Kerngeheimnis zur Lösung von Aluminiumschwankungen. Davon inspiriert hat das Team den Ansatz zur Kontrolle anderer Verunreinigungen im Magnesium erweitert und ein neues Paradigma für die Metallreinigung geschaffen.

Prof. Shan betont, dass das beeindruckendste Ergebnis dieser Forschung nicht ein einzelner technischer Durchbruch, sondern die „Gegenmittel in sieben Schritten“-Mentalität ist – das Finden von Antworten in der Fabrikhalle und das Suchen nach Lösungen aus dem Problem selbst. Diese Methodik kann bei ähnlichen industriellen Technologieherausforderungen hilfreich sein.