Bayerův proces - Bayer process

Proces Bayer je hlavní průmyslové způsoby rafinace bauxitu na výrobu oxidu hlinitého (oxid hlinitý), a byl vyvinut Carl Josef Bayer . Bauxit, nejdůležitější ruda hliníku , obsahuje pouze 30–60% oxidu hlinitého (Al 2 O 3 ), zbytek tvoří směs oxidu křemičitého , různých oxidů železa a oxidu titaničitého . Oxid hlinitý musí být před rafinací na kovový hliník vyčištěn.

Proces

Proces Bayer

Bauxitová ruda je směsí hydratovaných oxidů hliníku a sloučenin jiných prvků, jako je železo. Sloučeniny hliníku v bauxitu mohou být přítomny jako gibbsit 2 (Al (OH) 3 ), böhmit (y-AlO (OH)) nebo diaspora (a-AlO (OH)); různé formy hliníkové složky a nečistot diktují podmínky extrakce. Oxidy a hydroxidy hliníku jsou amfoterní , což znamená, že jsou kyselé i zásadité. Rozpustnost Al (III) ve vodě je velmi nízká, ale podstatně se zvyšuje při vysokém nebo nízkém pH. Při Bayerově procesu se bauxitová ruda zahřívá v tlakové nádobě spolu s roztokem hydroxidu sodného (louh sodný) na teplotu 150 až 200 ° C. Při těchto teplotách je hliník rozpuštěn jako hlinitan sodný (primárně [Al (OH) 4 ] - ) v extrakčním procesu. Po oddělení zbytku filtrací se při ochlazení kapaliny vysráží gibbsit a poté se naočkuje jemnozrnnými krystaly hydroxidu hlinitého z předchozích extrakcí. Srážení může trvat několik dní bez přidání očkovacích krystalů.

Extrakční proces převádí oxid hlinitý v rudě na rozpustný hlinitan sodný NaAlO 2 podle chemické rovnice :

Al 2 O 3 + 2 NaOH → 2 NaAlO 2 + H 2 O

Toto zpracování také rozpouští oxid křemičitý za vzniku křemičitanu sodného:

2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + H 2 O

Ostatní složky bauxitu se však nerozpouštějí. Někdy se v této fázi přidává vápno pro vysrážení oxidu křemičitého jako křemičitanu vápenatého . Roztok se vyčeří odfiltrováním pevných nečistot, obvykle pomocí rotačního lapače písku a pomocí flokulantu, jako je škrob , k odstranění jemných částic. Nerozpuštěný odpad po extrakci sloučenin hliníku, hlušina z bauxitu , obsahuje oxidy železa , oxid křemičitý , vápník , oxid titaničitý a nějaký nezreagovaný oxid hlinitý. Původní proces spočíval v tom, že alkalický roztok byl ochlazen a zpracován probubláváním oxidu uhličitého, což je metoda, při které se vysráží hydroxid hlinitý :

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

Ale později to ustoupilo naočkování přesyceného roztoku krystaly hydroxidu hlinitého (Al (OH) 3 ) s vysokou čistotou , což eliminovalo potřebu chlazení kapaliny a bylo ekonomicky proveditelnější:

2 H 2 O + NaAlO 2 → AI (OH) 3 + NaOH

Část vyrobeného hydroxidu hlinitého se používá při výrobě chemikálií na úpravu vody, jako je síran hlinitý , PAC ( polyaluminiumchlorid ) nebo hlinitan sodný; značné množství se také používá jako plnivo do kaučuku a plastů jako zpomalovač hoření. Asi 90% vyrobeného gibbsitu se převádí na oxid hlinitý , Al 2 O 3 , zahříváním v rotačních pecích nebo fluidních flash kalcinátorech na teplotu asi 1470 K.

2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Zbylý „vyčerpaný“ roztok hlinitanu sodného se poté recykluje. Kromě zlepšení ekonomiky procesu recyklace hromadí nečistoty galia a vanadu v likérech, takže je lze ziskově extrahovat.

Organické nečistoty, které se hromadí během srážení gibbsitu, mohou způsobovat různé problémy, například vysoký obsah nežádoucích materiálů v gibbsitu, změna barvy louhu a gibbsitu, ztráty žíravého materiálu a zvýšená viskozita a hustota zpracování tekutina.

U bauxitů s více než 10% oxidu křemičitého se Bayerův postup stává neekonomickým kvůli tvorbě nerozpustného křemičitanu sodného a hliníku , což snižuje výtěžek, takže je třeba zvolit jiný způsob.

Na výrobu 1 tuny oxidu hlinitého je zapotřebí 1,9-3,6 tun bauxitu. To je způsobeno tím, že většina hliníku v rudě je rozpuštěna v procesu. Spotřeba energie se pohybuje mezi 7 GJ/t až 21 GJ/t (v závislosti na procesu), z nichž většina je tepelná energie. Více než 90% (95–96%) vyrobeného oxidu hlinitého se používá k výrobě hliníku v procesu Hall – Héroult .

Odpad

Červené bahno je odpadní produkt, který vzniká při trávení bauxitu hydroxidem sodným. Má vysoký obsah hydroxidu vápenatého a sodného se složitým chemickým složením, a proto je velmi žíravý a je potenciálním zdrojem znečištění. Množství vyprodukovaného červeného bahna je značné, což vedlo vědce a rafinerie k hledání jeho využití. Jedno takové použití je v keramické výrobě. Červené bahno schne do jemného prášku, který obsahuje železo, hliník, vápník a sodík. Zdravotní riziko se stává, když některé rostliny používají odpad k výrobě oxidů hliníku.

Ve Spojených státech je odpad ukládán do velkých nádrží , jakési nádrže vytvořené přehradou. Odtoky jsou typicky vyloženy hlínou nebo syntetickými vložkami. USA neschvalují použití odpadu kvůli nebezpečí, které představuje pro životní prostředí. EPA identifikovala vysoké hladiny arsenu a chromu v některých vzorcích červeného bahna.

Nehoda závodu Ajka oxidu hlinitého

Hlavní článek: Nehoda závodu na aluminu Ajka

4. října 2010 došlo v maďarské továrně na oxid hlinitý Ajka k incidentu, kdy se zřítila západní hráz její rudé bahenní nádrže. Nádrž byla naplněna 700 000 m 3 směsi červeného bahna a vody o pH 12. Směs byla vypuštěna do údolí řeky Torna a zaplavila části města Devecser a vesnic Kolontár a Somlóvásárhely. Incident si vyžádal 10 mrtvých, více než stovku zranění a kontaminaci jezer a řek.

Historie Bayerova procesu

Bayerův proces vynalezl v roce 1888 Carl Josef Bayer . Při práci v Petrohradu v Rusku vyvinul způsob dodávání oxidu hlinitého do textilního průmyslu (používal se jako mořidlo při barvení bavlny). Bayer v roce 1887 zjistil, že hydroxid hlinitý, který se vysráží z alkalického roztoku, je krystalický a lze jej snadno filtrovat a promyje se, zatímco srážení z kyselého média neutralizací bylo želatinové a těžko omyvatelné. Průmyslový úspěch tohoto procesu způsobil, že nahradil proces Le Chatelier, který byl použit k výrobě oxidu hlinitého z bauxitu.

Inženýrské aspekty procesu byly vylepšeny, aby se snížily náklady počínaje rokem 1967 v Německu a Československu . Toho bylo dosaženo zvýšením rekuperace tepla a použitím velkých autoklávů a srážecích nádrží. K efektivnějšímu využití energie byly použity výměníky tepla a bleskové nádrže a větší reaktory snižovaly množství ztraceného tepla. Efektivita byla zvýšena připojením autoklávů k zefektivnění provozu.

O několik let dříve vyvinula společnost Henri Étienne Sainte-Claire Deville ve Francii způsob výroby oxidu hlinitého zahříváním bauxitu v uhličitanu sodném Na 2 CO 3 při 1200 ° C, vyluhováním hlinitanu sodného vytvořeného vodou a poté vysrážením hydroxidu hlinitého pomocí uhlíku oxid uhličitý , CO 2 , který byl poté filtrován a sušen. Tento proces (známý jako proces Deville ) byl opuštěn ve prospěch procesu Bayer.

Tento proces začal získávat na důležitosti v metalurgii spolu s vynálezem Hall -Héroultova elektrolytického hliníkového procesu, vynalezeného jen o rok dříve v roce 1886. Spolu s kyanidačním procesem vynalezeným v roce 1887 znamená Bayerův proces zrod moderního oboru hydrometalurgie .

Dnes tento proces produkuje téměř všechny světové dodávky oxidu hlinitého jako mezistupeň výroby hliníku.

Viz také

Reference

  1. ^ Harris, Chris; McLachlan, R. (Rosalie); Clark, Colin (1998). Mikro reforma - dopady na firmy: případová studie hliníku . Melbourne: Průmyslová komise. ISBN 978-0-646-33550-6.
  2. ^ a b Hind, Andrew R .; Bhargava, Suresh K .; Grocott, Stephen C. (leden 1999). „Povrchová chemie pevných látek Bayerova procesu: přehled“. Koloidy a povrchy A: Fyzikálně chemické a technické aspekty . 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). „Energie v úpravě oxidu hlinitého: Nastavení nových limitů“. Světelné kovy 2015 . s. 131–136. doi : 10,1007/978-3-319-48248-4_24 . ISBN 978-3-319-48610-9.Správa CS1: více jmen: seznam autorů ( odkaz )
  4. ^ „Energetická účinnost“ . energie požadovaná Bayerovým procesem velmi závisí na kvalitě suroviny. průměrná měrná spotřeba energie je kolem 14,5 GJ na tunu oxidu hlinitého, včetně elektrické energie kolem 150 kWh/t Al2O3
  5. ^ „Proces tavení hliníku“ . Výroba hliníku . aluminiumproduction.com . Citováno 12. dubna 2018 .
  6. ^ Hind, Andrew R .; Bhargava, Suresh K .; Grocott, Stephen C. (1999). „Povrchová chemie pevných látek Bayer Process: recenze“. Koloidy a povrchy A: Fyzikálně chemické a technické aspekty . 146 (1–3): 359–374. doi : 10,1016/S0927-7757 (98) 00798-5 .
  7. ^ „TENORM: Odpady z výroby bauxitu a oxidu hlinitého“ . www.epa.gov . Spojené státy Agentura pro ochranu životního prostředí. 22. dubna 2015 . Citováno 12. dubna 2018 .
  8. ^ Ruyters, Stefan; Mertens, Jelle; Vassilieva, Elvira; Dehandschutter, Boris; Poffijin, Andre; Smolders, Erik (2011). „Nehoda červeného bahna v Ajce (Maďarsko): Toxicita rostlin a biologická dostupnost stopových kovů v půdě kontaminované červeným bahnem“ (PDF) . Environmentální věda a technologie . 45 (4): 1616–1622. doi : 10,1021/es104000m . PMID  21204523 .
  9. ^ a b c d e f g „Bayer's Process for Alumina Production: A Historical Production“ (PDF) . scs.illinois.edu . Fathi Habashi, Laval University . Citováno 6. dubna 2018 .