Процесс Байера является основным промышленным способом переработки боксита для производства глинозема (оксида алюминия) и был разработан Карлом Йозефом Байером . Боксит, важнейшая алюминиевая руда , содержит лишь 30–60% оксида алюминия (Al 2 O 3 ), остальное представляет собой смесь кремнезема , различных оксидов железа и диоксида титана . [1] Оксид алюминия необходимо дополнительно очистить, прежде чем его можно будет переработать в металлический алюминий.
Процесс Байера также является основным источником галлия в качестве побочного продукта, несмотря на низкие выходы экстракции.
Бокситовая руда представляет собой смесь гидратированных оксидов алюминия и соединений других элементов, например железа. Соединения алюминия в боксите могут присутствовать в виде гиббсита (Al(OH) 3 ), бемита (γ-AlO(OH)) или диаспора (α-AlO(OH)); различные формы алюминиевого компонента и примесей определяют условия экстракции. Оксиды и гидроксиды алюминия амфотерны , то есть они являются как кислотными, так и основными. Растворимость Al(III) в воде очень низкая, но существенно увеличивается как при высоком, так и при низком pH. В процессе Байера бокситовую руду нагревают в сосуде под давлением вместе с раствором гидроксида натрия (каустической соды) при температуре от 150 до 200 °С. При этих температурах алюминий растворяется в виде алюмината натрия (в первую очередь [Al(OH) 4 ] - ) в процессе экстракции. После отделения остатка фильтрованием при охлаждении жидкости выпадает в осадок гиббсит, а затем засевается мелкозернистыми кристаллами гидроксида алюминия из предыдущих экстракций. Без добавления затравочных кристаллов осаждение может занять несколько дней. [2]
Процесс экстракции ( разложения ) превращает оксид алюминия в руде в растворимый алюминат натрия NaAlO 2 в соответствии с химическим уравнением :
Эта обработка также растворяет кремнезем, образуя силикат натрия:
Однако другие компоненты боксита не растворяются. Иногда [ когда? На этом этапе добавляется известь для осаждения кремнезема в виде силиката кальция . Раствор осветляется путем отфильтровывания твердых примесей, обычно с помощью вращающегося пескоуловителя и с помощью флокулянта, такого как крахмал , для удаления мелких частиц. Нерастворенные отходы после извлечения соединений алюминия, бокситовые хвосты , содержат оксиды железа , кремнезем , кальций , диоксид титана и некоторое количество непрореагировавшего глинозема. Первоначальный процесс заключался в том, что щелочной раствор охлаждался и обрабатывался барботированием через него диоксида углерода - метод, при котором гидроксид алюминия осаждается :
Но позже это сменилось затравкой пересыщенного раствора кристаллом гидроксида алюминия (Al(OH) 3 ) высокой чистоты, что устраняло необходимость охлаждения жидкости и было более экономически целесообразным:
Некоторая часть производимого гидроксида алюминия используется в производстве химикатов для очистки воды, таких как сульфат алюминия , PAC ( хлорид полиалюминия ) или алюминат натрия; значительное количество также используется в качестве наполнителя резины и пластмасс в качестве антипирена. Около 90% производимого гиббсита преобразуется в оксид алюминия Al 2 O 3 путем нагревания во вращающихся печах или печах мгновенного обжига до температуры около 1470 К.
Оставшийся «израсходованный» раствор алюмината натрия затем перерабатывается. Помимо повышения экономичности процесса, рециркуляция приводит к накоплению в растворах примесей галлия и ванадия , благодаря чему их можно извлечь с прибылью.
Органические примеси, которые накапливаются во время осаждения гиббсита, могут вызывать различные проблемы, например, высокие уровни нежелательных материалов в гиббсите, изменение цвета раствора и гиббсита, потери каустического материала, а также повышенную вязкость и плотность рабочей жидкости.
Для бокситов, содержащих более 10% кремнезема, процесс Байера становится нерентабельным из-за образования нерастворимого алюмосиликата натрия , что снижает выход, поэтому необходимо выбрать другой процесс.
Для производства 1 т оксида алюминия требуется 1,9-3,6 т боксита (что соответствует примерно 90% содержания глинозема в боксите). Это связано с тем, что большая часть алюминия в руде растворяется в процессе. [2] Потребление энергии составляет от 7 до 21 ГДж/тонну (в зависимости от процесса), большая часть которого приходится на тепловую энергию. [3] [4] Более 90% (95-96%) производимого оксида алюминия используется в процессе Холла-Эру для производства алюминия. [5]
Красный шлам – это отход, образующийся при сбраживании боксита гидроксидом натрия. Он имеет высокое содержание гидроксидов кальция и натрия, имеет сложный химический состав и, соответственно, очень едкий и является потенциальным источником загрязнения. Количество производимого красного шлама является значительным, и это побудило ученых и нефтепереработчиков искать ему применение. Он привлек внимание как возможный источник ванадия . Из-за низкого выхода экстракции большая часть галлия попадает в оксид алюминия в виде примеси и в красный шлам.
Одним из применений красной глины является производство керамики. Красная грязь высыхает в мелкий порошок, содержащий железо, алюминий, кальций и натрий. Это становится риском для здоровья, когда некоторые заводы используют отходы для производства оксидов алюминия. [6]
В Соединенных Штатах отходы складируются в большие водохранилища , своего рода резервуары, созданные плотинами. Водохранилища обычно облицованы глиняными или синтетическими футеровками. США не одобряют использование отходов из-за опасности, которую они представляют для окружающей среды. Агентство по охране окружающей среды обнаружило высокие уровни мышьяка и хрома в некоторых образцах красного шлама. [7]
4 октября 2010 года на глиноземном заводе Айка в Венгрии произошел инцидент , когда обрушилась западная дамба резервуара с красным шламом. Резервуар был заполнен 700 000 м 3 смеси красного шлама и воды с pH 12. Смесь попала в долину реки Торна и затопила части города Девечер и деревень Колонтар и Шомловашархей. В результате инцидента 10 человек погибли, более сотни получили ранения, а также произошло загрязнение озер и рек. [8]
В 1859 году Анри Этьен Сент-Клер Девиль во Франции разработал метод получения глинозема путем нагревания боксита в карбонате натрия Na 2 CO 3 при 1200 °C, выщелачивания образовавшегося алюмината натрия водой и последующего осаждения гидроксида алюминия диоксидом углерода . CO 2 , который затем фильтровали и сушили. Этот процесс известен как процесс Девиля . В 1886 году был изобретен процесс электролитического получения алюминия Холла-Эру , а в 1887 году — процесс цианирования .
Процесс Байера был изобретен в 1888 году Карлом Йозефом Байером . [9] Работая в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода снабжения глиноземом текстильной промышленности (он использовался в качестве протравы при крашении хлопка), Байер в 1887 году обнаружил, что гидроксид алюминия, выпавший в осадок из щелочного раствора, является кристаллическим и может быть легко фильтруется и промывается, тогда как осадок, выпавший из кислой среды при нейтрализации, был желеобразным и его трудно отмыть. [9] Промышленный успех этого процесса привел к тому, что он заменил процесс Ле Шателье, который использовался для производства глинозема из бокситов. [9] От процесса Девиля отказались в пользу процесса Байера, который знаменует собой рождение современной области гидрометаллургии .
Инженерные аспекты процесса были улучшены для снижения стоимости, начиная с 1967 года в Германии и Чехословакии . [9] Это было достигнуто за счет увеличения рекуперации тепла и использования больших автоклавов и отстойников. [9] Для более эффективного использования энергии использовались теплообменники и расширительные баки, а реакторы большего размера уменьшали количество потерь тепла. [9] Эффективность была увеличена за счет подключения автоклавов для повышения эффективности работы. [9]
Сегодня этот процесс производит почти весь мировой запас глинозема в качестве промежуточного этапа производства алюминия.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Энергия, необходимая для процесса Байера, во многом зависит от качества сырья. средний удельный расход энергии составляет около 14,5 ГДж на тонну глинозема, в том числе электроэнергии около 150 кВтч/т Al2O3.