Процесс Байера является основным промышленным способом переработки бокситов для получения глинозема (оксида алюминия) и был разработан Карлом Йозефом Байером . Боксит, важнейшая руда алюминия , содержит всего 30–60% оксида алюминия (Al 2 O 3 ), остальное — смесь кремнезема , различных оксидов железа и диоксида титана . [1] Оксид алюминия должен быть дополнительно очищен, прежде чем его можно будет переработать в алюминий.
Процесс Байера также является основным источником галлия как побочного продукта, несмотря на низкие выходы извлечения.
Бокситовая руда представляет собой смесь гидратированных оксидов алюминия и соединений других элементов, таких как железо. Соединения алюминия в боксите могут присутствовать в виде гиббсита (Al(OH) 3 ), бёмита (γ-AlO(OH)) или диаспора (α-AlO(OH)); различные формы алюминиевого компонента и примесей определяют условия экстракции. Оксиды и гидроксиды алюминия являются амфотерными , что означает, что 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 бокситовая руда нагревается в сосуде под давлением вместе с раствором гидроксида натрия (едкий натр) при температуре от 150 до 200 °C (от 302 до 392 °F). При этих температурах алюминий растворяется в виде алюмината натрия (в основном [Al(OH) 4 ] − ) в процессе экстракции. После отделения остатка фильтрацией гиббсит осаждается, когда жидкость охлаждается, а затем засевается мелкозернистыми кристаллами гидроксида алюминия из предыдущих экстракций. Осаждение может занять несколько дней без добавления засевных кристаллов. [2]
Процесс экстракции ( вываривания ) преобразует оксид алюминия в руде в растворимый алюминат натрия NaAlO2 в соответствии с химическим уравнением :
Эта обработка также растворяет кремний, образуя силикат натрия:
Однако другие компоненты боксита не растворяются. Иногда [ когда? ] на этой стадии добавляют известь , чтобы осадить кремнезем в виде силиката кальция . Раствор очищают путем отфильтровывания твердых примесей, обычно с помощью вращающегося песколовки и с помощью флокулянта, такого как крахмал , для удаления мелких частиц. Нерастворенные отходы после извлечения соединений алюминия, бокситовые хвосты , содержат оксиды железа , кремнезем , кальций , титан и некоторое количество непрореагировавшего глинозема. Первоначальный процесс заключался в том, что щелочной раствор охлаждали и обрабатывали, пропуская через него барботаж диоксида углерода, метод, при котором осаждается гидроксид алюминия :
Однако позднее это уступило место затравке пересыщенного раствора кристаллами высокочистого гидроксида алюминия (Al(OH) 3 ), что исключило необходимость охлаждения жидкости и было более экономически целесообразно:
Часть полученного гидроксида алюминия используется в производстве химикатов для очистки воды, таких как сульфат алюминия , ПАЦ ( полиалюминийхлорид ) или алюминат натрия; значительное количество также используется в качестве наполнителя в резине и пластмассах в качестве антипирена. Около 90% полученного гиббсита преобразуется в оксид алюминия , Al2O3 , путем нагревания во вращающихся печах или флюидных флэш- кальцинаторах до температуры около 1470 К (1200 ° C ; 2190 °F).
Оставшийся, «отработанный» раствор алюмината натрия затем перерабатывается. Помимо улучшения экономичности процесса, переработка накапливает примеси галлия и ванадия в щелоках, так что их можно извлекать с выгодой.
Органические примеси, которые накапливаются в процессе осаждения гиббсита, могут вызывать различные проблемы, например, высокое содержание 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 неэкономичным из-за образования нерастворимого алюмосиликата натрия , что снижает выход, поэтому необходимо выбрать другой процесс.
Для производства 0,91 тонны (2000 фунтов) оксида алюминия требуется 1,7–3,3 тонны (3800–7200 фунтов) 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 гигаджоуля на тонну (от 0,88 до 2,65 кВт·ч/фунт) (в зависимости от процесса), большая часть которой приходится на тепловую энергию. [3] [4] Более 90% (95–96%) произведенного оксида алюминия используется в процессе Холла–Эру для производства алюминия. [5]
Красный шлам — это отходы, которые получаются при вываривании бокситов с гидроксидом натрия. Он имеет высокое содержание кальция и гидроксида натрия со сложным химическим составом и, соответственно, является очень едким и потенциальным источником загрязнения. Количество производимого красного шлама значительно, и это побудило ученых и нефтепереработчиков искать ему применение. Он привлек внимание как возможный источник ванадия . Из-за низкого выхода извлечения большая часть галлия оказывается в оксиде алюминия в качестве примеси и в красном шламе.
Одним из применений красного шлама является производство керамики. Красный шлам высыхает в мелкий порошок, содержащий железо, алюминий, кальций и натрий. Он становится опасным для здоровья, когда некоторые заводы используют отходы для производства оксидов алюминия. [6]
В Соединенных Штатах отходы размещаются в больших водохранилищах , своего рода резервуарах, созданных плотиной. Водохранилища обычно облицованы глиной или синтетическими материалами. США не одобряют использование отходов из-за опасности, которую они представляют для окружающей среды. Агентство по охране окружающей среды выявило высокие уровни мышьяка и хрома в некоторых образцах красного шлама. [7]
4 октября 2010 года на глиноземном заводе Айка в Венгрии произошел инцидент , в результате которого обрушилась западная плотина резервуара красного шлама. Резервуар был заполнен 700 000 кубических метров (25 миллионов кубических футов) смеси красного шлама и воды с pH 12. Смесь была сброшена в долину реки Торна и затопила части города Девечер и деревни Колонтар и Шомловашархей. В результате инцидента погибло 10 человек, более ста получили ранения, а также произошло загрязнение озер и рек. [8]
В 1859 году во Франции Анри Этьен Сент-Клер Девиль разработал метод получения глинозема путем нагревания бокситов в карбонате натрия Na
2СО
3, при 1200 °C (2190 °F), выщелачивание образовавшегося алюмината натрия водой, затем осаждение гидроксида алюминия диоксидом углерода , CO 2 , который затем фильтровали и высушивали. Этот процесс известен как процесс Девиля . В 1886 году был изобретен электролитический процесс получения алюминия Холла-Эру , а в 1887 году был изобретен процесс цианирования .
Процесс Байера был изобретен в 1888 году Карлом Йозефом Байером . [9] Работая в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода поставки глинозема для текстильной промышленности (он использовался в качестве протравы при крашении хлопка), Байер обнаружил в 1887 году, что гидроксид алюминия, который осаждался из щелочного раствора, был кристаллическим и его можно было легко отфильтровать и промыть, в то время как гидроксид алюминия, осаждавшийся из кислой среды путем нейтрализации, был желатиновым и его было трудно промыть. [9] Промышленный успех этого процесса привел к тому, что он заменил процесс Ле-Шателье, который использовался для производства глинозема из бокситов. [9] Процесс Девиля был заброшен в пользу процесса Байера, что ознаменовало рождение современной области гидрометаллургии .
Инженерные аспекты процесса были улучшены для снижения стоимости, начиная с 1967 года в Германии и Чехословакии . [9] Это было сделано путем увеличения рекуперации тепла и использования больших автоклавов и осадительных резервуаров. [9] Для более эффективного использования энергии использовались теплообменники и испарительные резервуары, а более крупные реакторы уменьшили количество потерянного тепла. [9] Эффективность была увеличена путем соединения автоклавов, чтобы сделать работу более эффективной. [9]
Сегодня этот процесс обеспечивает почти весь мировой запас глинозема в качестве промежуточного этапа в производстве алюминия.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Энергия, необходимая для процесса Байера, во многом зависит от качества сырья. Среднее удельное потребление энергии составляет около 14,5 ГДж на тонну глинозема, включая электроэнергию около 150 кВтч/т Al2O3.