Proces Bayera

Proces Bayera jest głównym przemysłowym sposobem rafinacji boksytu w celu wytworzenia tlenku glinu (tlenku glinu) i został opracowany przez Carla Josefa Bayera . Boksyt, najważniejsza ruda aluminium , zawiera tylko 30–60% tlenku glinu (Al 2 O 3 ), reszta to mieszanina krzemionki , różnych tlenków żelaza i dwutlenku tytanu . Tlenek glinu musi być dalej oczyszczany, zanim będzie można go rafinować w metaliczne aluminium.

Proces

Diagram przepływu procesu Bayera .

Ruda boksytu jest mieszaniną uwodnionych tlenków glinu i związków innych pierwiastków, takich jak żelazo. Związki glinu w boksycie mogą występować jako gibsyt 2(Al(OH) 3 ), böhmit (γ-AlO(OH)) lub diaspor (α-AlO(OH)); różne formy składnika aluminiowego i zanieczyszczenia dyktują warunki ekstrakcji. Tlenki i wodorotlenki glinu są amfoteryczne , co oznacza, że ​​są zarówno kwasowe, jak i zasadowe. Rozpuszczalność Al(III) w wodzie jest bardzo niska, ale znacznie wzrasta przy wysokim lub niskim pH. W procesie Bayera ruda boksytu jest podgrzewana w naczyniu ciśnieniowym wraz z roztworem wodorotlenku sodu (sodą kaustyczną) w temperaturze od 150 do 200°C. W tych temperaturach aluminium rozpuszcza się jako glinian sodu (głównie [Al(OH) 4 ] - ) w procesie ekstrakcji. Po oddzieleniu pozostałości przez filtrację gibbsyt wytrąca się, gdy ciecz jest schładzana, a następnie zaszczepiana drobnoziarnistymi kryształami wodorotlenku glinu z poprzednich ekstrakcji. Wytrącanie może trwać kilka dni bez dodatku kryształów zaszczepiających.

Proces ekstrakcji ( roztwarzanie ) przekształca tlenek glinu w rudzie w rozpuszczalny glinian sodu, NaAlO 2 , zgodnie z równaniem chemicznym :

Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2O

Ta obróbka rozpuszcza również krzemionkę, tworząc krzemian sodu:

2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O _

Inne składniki boksytu jednak nie rozpuszczają się. Czasami [ kiedy? ] na tym etapie dodaje się wapno w celu wytrącenia krzemionki w postaci krzemianu wapnia . Roztwór klaruje się przez odsączenie zanieczyszczeń stałych, zwykle za pomocą obrotowego osadnika piasku i za pomocą flokulantu, takiego jak skrobia , w celu usunięcia drobnych cząstek. Nierozpuszczone odpady po ekstrakcji związków glinu, odpady boksytu , zawierają tlenki żelaza , krzemionkę , wapń , tlenek tytanu i trochę nieprzereagowanego tlenku glinu. Pierwotny proces polegał na tym, że alkaliczny roztwór był chłodzony i traktowany przez przepuszczanie przez niego dwutlenku węgla, metodą, w której wytrąca się wodorotlenek glinu :

2 NaAlO 2 + 3 H 2 O + CO 2 → 2 Al(OH) 3 + Na 2 CO 3

3 ) o wysokiej czystości , co wyeliminowało potrzebę chłodzenia cieczy i było bardziej ekonomicznie wykonalne:

2 H2O + NaAlO2 → Al(OH) 3 + NaOH

Część produkowanego wodorotlenku glinu jest wykorzystywana do produkcji chemikaliów do uzdatniania wody, takich jak siarczan glinu , PAC ( polichlorek glinu ) lub glinian sodu; znaczna ilość jest również stosowana jako wypełniacz w gumie i tworzywach sztucznych jako środek zmniejszający palność. Około 90% wytworzonego gibsytu jest przekształcane w tlenek glinu , Al2O3 , przez ogrzewanie w piecach obrotowych lub kalcynatorach fluidalnych do temperatury około 1470 K.

2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Pozostały „zużyty” roztwór glinianu sodu jest następnie poddawany recyklingowi. Oprócz poprawy ekonomiczności procesu, recykling powoduje akumulację galem i wanadem w ługach, dzięki czemu można je z zyskiem wydobywać.

Zanieczyszczenia organiczne, które gromadzą się podczas wytrącania gibsytu, mogą powodować różne problemy, na przykład wysoki poziom niepożądanych materiałów w gibsycie, odbarwienie ługu i gibsytu, straty materiału żrącego oraz zwiększoną lepkość i gęstość płynu roboczego.

W przypadku boksytów zawierających więcej niż 10% krzemionki proces Bayera staje się nieekonomiczny z powodu tworzenia się nierozpuszczalnego krzemianu glinowo-sodowego , co zmniejsza wydajność, dlatego należy wybrać inny proces.

Do wyprodukowania 1 tony tlenku glinu potrzeba 1,9-3,6 ton boksytu. Wynika to z faktu, że większość aluminium w rudzie rozpuszcza się w procesie. Zużycie energii wynosi od 7 GJ/t do 21 GJ/t (w zależności od procesu), z czego większość to energia cieplna. Ponad 90% (95-96%) wyprodukowanego tlenku glinu jest wykorzystywane w procesie Halla-Héroulta do produkcji aluminium.

Marnować

Czerwony szlam jest produktem odpadowym powstającym podczas fermentacji boksytu wodorotlenkiem sodu. Ma wysoką zawartość wodorotlenku wapnia i sodu oraz złożony skład chemiczny, w związku z czym jest bardzo żrący i stanowi potencjalne źródło zanieczyszczeń. Ilość produkowanego czerwonego błota jest znaczna, co skłoniło naukowców i rafinerie do poszukiwania jego zastosowań. Jednym z takich zastosowań jest produkcja ceramiki. Czerwone błoto wysycha na drobny proszek, który zawiera żelazo, glin, wapń i sód. Staje się zagrożeniem dla zdrowia, gdy niektóre zakłady wykorzystują odpady do produkcji tlenków glinu.

W Stanach Zjednoczonych odpady są składowane w dużych spichlerzach , rodzaju zbiornika utworzonego przez zaporę. Piętnastki są zwykle wyłożone gliną lub syntetycznymi wkładkami. USA nie aprobują wykorzystania odpadów ze względu na zagrożenie, jakie stwarzają dla środowiska. EPA zidentyfikowała wysokie poziomy arsenu i chromu w niektórych próbkach czerwonego błota.

Awaria fabryki tlenku glinu Ajka

Główny artykuł: wypadek w fabryce tlenku glinu w Ajce

W dniu 4 października 2010 r. W fabryce tlenku glinu Ajka na Węgrzech doszło do incydentu, w wyniku którego zawaliła się zachodnia tama zbiornika czerwonego błota. Zbiornik napełniono 700 000 m 3 mieszaniny czerwonego błota i wody o pH 12. Mieszanina została uwolniona do doliny rzeki Torna i zalała części miasta Devecser oraz wsie Kolontár i Somlóvásárhely. Incydent spowodował śmierć 10 osób, ponad sto obrażeń i zanieczyszczenie jezior i rzek.

Historia procesu Bayera

Proces Bayera został wynaleziony w 1888 roku przez Carla Josefa Bayera . Pracując w Sankt Petersburgu w Rosji nad opracowaniem metody dostarczania tlenku glinu do przemysłu tekstylnego (był on używany jako zaprawa do barwienia bawełny), Bayer odkrył w 1887 r., Że wodorotlenek glinu, który wytrącił się z roztworu alkalicznego, był krystaliczny i można go było łatwo przefiltrować i przemyto, natomiast wytrącony z kwaśnego środowiska przez zobojętnienie był galaretowaty i trudny do przemycia. Przemysłowy sukces tego procesu spowodował, że zastąpił on proces Le Chatelier, który był używany do produkcji tlenku glinu z boksytu.

Inżynieryjne aspekty procesu zostały udoskonalone w celu obniżenia kosztów począwszy od 1967 roku w Niemczech i Czechosłowacji . Dokonano tego poprzez zwiększenie odzysku ciepła oraz zastosowanie dużych autoklawów i zbiorników opadowych. Aby efektywniej wykorzystać energię, wymienniki ciepła i zbiorniki odgazowujące, a większe reaktory zmniejszyły ilość traconego ciepła. Zwiększono wydajność poprzez podłączenie autoklawów w celu zwiększenia wydajności pracy.

Kilka lat wcześniej Henri Étienne Sainte-Claire Deville we Francji opracował metodę wytwarzania tlenku glinu przez ogrzewanie boksytu w węglanie sodu, Na2CO3 , w temperaturze 1200°C, ługowanie utworzonego glinianu sodu wodą, a następnie wytrącanie wodorotlenku glinu węglem dwutlenku węgla , CO2 , który następnie przesączono i wysuszono. Proces ten (znany jako proces Deville'a ) został porzucony na rzecz procesu Bayera.

Proces ten zaczął zyskiwać na znaczeniu w metalurgii wraz z wynalezieniem procesu elektrolitycznego aluminium Halla-Héroulta, wynalezionego zaledwie rok wcześniej w 1886 r. Wraz z procesem cyjanizacji wynalezionym w 1887 r. Proces Bayera oznacza narodziny nowoczesnej dziedziny hydrometalurgii .

Obecnie proces ten wytwarza prawie całą światową podaż tlenku glinu jako etap pośredni w produkcji aluminium.

Zobacz też

  1. Bibliografia   _ McLachlan, R. (Rosalie); Clark, Colin (1998). Mikroreforma – wpływ na firmy: studium przypadku aluminium . Melbourne: Komisja Przemysłu. ISBN 978-0-646-33550-6 .
  2. ^ a b Hind, Andrew R .; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (styczeń 1999). „Chemia powierzchni ciał stałych procesowych firmy Bayer: przegląd”. Koloidy i powierzchnie A: Aspekty fizykochemiczne i inżynierskie . 146 (1–3): 359–374. doi : 10.1016/S0927-7757(98)00798-5 .
  3. ^   Alessio Angelo Scarsella, Sonia Noack, Edgar Gasafi, Cornelis Klett, Andreas Koschnick (2015). „Energia w rafinacji tlenku glinu: wyznaczanie nowych granic”. Metale lekkie 2015 . s. 131–136. doi : 10.1007/978-3-319-48248-4_24 . ISBN 978-3-319-48610-9 . {{ cite book }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  4. ^ „Efektywność energetyczna” . Energia wymagana w procesie Bayera jest w dużym stopniu zależna od jakości surowca. średnie jednostkowe zużycie energii wynosi około 14,5 GJ na tonę tlenku glinu, w tym energia elektryczna około 150 kWh/t Al2O3
  5. ^ „Proces wytapiania aluminium” . Produkcja aluminium . aluminiumprodukcja.com . Źródło 12 kwietnia 2018 r .
  6. ^ Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (1999). „Chemia powierzchni ciał stałych procesu Bayera: przegląd”. Koloidy i powierzchnie A: Aspekty fizykochemiczne i inżynierskie . 146 (1–3): 359–374. doi : 10.1016/S0927-7757(98)00798-5 .
  7. ^ „TENORM: Odpady produkcyjne boksytu i tlenku glinu” . www.epa.gov . Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych. 2015-04-22 . Źródło 12 kwietnia 2018 r .
  8. Bibliografia   _ Mertens, Jelle; Wasiliewa, Elwira; Dehandschutter, Boris; Poffijin, Andre; Tli się, Erik (2011). „Wypadek z czerwonym błotem w Ajka (Węgry): toksyczność roślin i biodostępność metali śladowych w glebie skażonej czerwonym błotem” (PDF) . Nauka o środowisku i technologia . 45 (4): 1616-1622. Bibcode : 2011EnST...45.1616R . doi : 10.1021/es104000m . PMID 21204523 .
  9. ^ a b c d e f g „Proces Bayera do produkcji tlenku glinu: produkcja historyczna” (PDF) . scs.illinois.edu . Fathi Habashi z Uniwersytetu Laval . Źródło 6 kwietnia 2018 r .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bayer_process&oldid=1128563721 ”