Процесс Байера
 | Для улучшения этой статьи по химии желательно: |
 | Это заготовка статьи о науке. Помогите Википедии, дополнив её. |
Проце́сс Ба́йера — основной промышленный способ получения глинозёма (оксида алюминия) из бокситов. Разработан Карлом Йозефом Байером. Бокситы, важнейшая алюминиевая руда, содержат 30—60 % оксида алюминия (Al2O3), остальное — смесь кремнезёма, различных оксидов железа и диоксида титана[1]. Оксид алюминия необходимо очистить перед получением из него алюминия.
Процесс Байера также является основным источником галлия в качестве побочного продукта, несмотря на низкий выход при извлечении.
Процесс
[править | править код]
Бокситовая руда представляет собой смесь гидратированных оксидов алюминия и соединений других элементов, например, железа. Соединения алюминия в бокситах могут присутствовать в виде гиббсита (Al(OH)3), бёмита (γ-AlO(OH)) или диаспора (α-AlO(OH)); различные формы алюминиевого компонента и примеси диктуют условия извлечения. Оксиды и гидроксиды алюминия амфотерны, то есть обладают как кислотными, так и основными свойствами. 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 автоклаве вместе с раствором гидроксида натрия (едкий натр) при температуре от 150 °C (302 °F) до 200 °C (392 °F). При этих температурах алюминий растворяется в виде алюмината натрия (в основном [Al(OH)4]−) в процессе выщелачивания. После отделения остатка фильтрованием, гиббсит осаждается при охлаждении жидкости, а затем затравливается мелкодисперсными кристаллами гидроксида алюминия из предыдущих экстракций. Без добавления затравки осаждение может занять несколько дней[2].
Процесс выщелачивания (варка) превращает оксид алюминия в руде в растворимый алюминат натрия, NaAlO2, в соответствии с химическим уравнением:
- Al(OH)3+ NaOH → NaAlO2 + 2 H2O
Эта обработка также растворяет кремнезем, образуя силикат натрия:
- 2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O
Однако другие компоненты боксита не растворяются. Иногда на этой стадии добавляют известь для осаждения кремнезема в виде силиката кальция. Раствор осветляют фильтрованием твердых примесей, обычно с помощью вращающегося песочного уловителя и с помощью флокулянта, такого как крахмал, для удаления мелких частиц. Нерастворенный остаток после извлечения соединений алюминия, бокситовые хвосты, содержит оксиды железа, кремнезем, кальций, титан и некоторое количество непрореагировавшего глинозема. Первоначальный процесс заключался в том, что щелочной раствор охлаждали и обрабатывали, пропуская через него диоксид углерода, метод, с помощью которого осаждается гидроксид алюминия:
- 2 NaAlO2 + 3 H2O + CO2 → 2 Al(OH)3 + Na2CO3
Но позже этот способ уступил место засеву пересыщенного раствора высокочистым кристаллом гидроксида алюминия (Al(OH)3), что устранило необходимость охлаждения жидкости и было более экономичным:
- 2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH
Часть полученного гидроксида алюминия используется в производстве химикатов для очистки воды, таких как сульфат алюминия, ПАХ (полиоксихлорид алюминия) или алюминат натрия; значительное количество также используется в качестве наполнителя в резине и пластмассах в качестве антипирена. Около 90% производимого гиббсита превращается в оксид алюминия, Al2O3, путем нагревания во вращающихся печах или кальцинаторах с псевдоожиженным слоем до температуры около 1470 K (1200 °C).
Оставшийся «отработанный» раствор алюмината натрия затем рециркулируется. Помимо улучшения экономичности процесса, рециркуляция накапливает примеси галлия и ванадия в маточных растворах, так что их можно выгодно извлечь.
Органические примеси, которые накапливаются во время осаждения гиббсита, могут вызывать различные проблемы, например, высокий уровень нежелательных веществ в гиббсите, обесцвечивание раствора и гиббсита, потери едкого вещества, 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 выбирать другой процесс.
3800 фунтов (1,7 тонны)-7200 фунтов (3,3 тонны) боксита (что соответствует примерно 90% содержания глинозема в боксите) требуется для производства 2000 фунтов (0,91 тонны) оксида алюминия. Это связано с тем, что большая часть алюминия в руде растворяется в процессе.[2] Потребление энергии составляет от 7 до 21 ГДж (от 2 до 6 МВт*ч) на тонну (в зависимости от процесса), большая часть которой приходится на тепловую энергию.[3][4] Более 90% (95-96%) производимого оксида алюминия используется в процессе Холла-Эру (англ.) для производства алюминия.[5]
Отходы
[править | править код]Красный шлам — отходы, образующиеся при выщелачивании бокситов гидроксидом натрия. Он имеет высокое содержание кальция и гидроксида натрия со сложным химическим составом и, соответственно, является очень едким и потенциальным источником загрязнения. Количество образующегося красного шлама значительно, и это побудило ученых и переработчиков искать способы его использования. Он привлек внимание как возможный источник ванадия. Из-за низкого выхода при извлечении большая часть галлия попадает в оксид алюминия в качестве примеси и в красный шлам.
Одно из применений красного шлама — производство керамики. Красный шлам высыхает до состояния мелкого порошка, содержащего железо, алюминий, кальций и натрий. Он становится опасным для здоровья, когда некоторые заводы используют отходы для производства оксидов алюминия.[6]
В США отходы сбрасываются в большие водохранилища, созданные плотинами. Водохранилища обычно облицованы глиняными или синтетическими прокладками. США не одобряют использование отходов из-за опасности, которую они представляют для окружающей среды. EPA выявило высокий уровень мышьяка и хрома в некоторых образцах красного шлама.[7]
Авария на глинозёмном заводе в Айке
[править | править код]4 октября 2010 года на глинозёмном заводе в Айке в Венгрии произошла авария, в результате которой обрушилась западная дамба резервуара с красным шламом. Резервуар был заполнен 700 000 m3 смеси красного шлама и воды с pH 12. Смесь была выпущена в долину реки Торна и затопила части города Девечер, а также деревни Колонтар и Шомловашархей. В результате инцидента погибли 10 человек, более ста получили ранения, а также были загрязнены озера и реки.[8]
История
[править | править код]В 1859 году Анри Этьен Сент-Клер Девиль во Франции разработал метод получения глинозема путём нагревания боксита в карбонате натрия, Na2CO3 при 1200 °C, выщелачивания образовавшегося алюмината натрия водой, а затем осаждения гидроксида алюминия диоксидом углерода, CO2, который затем фильтровали и сушили. Этот процесс известен как процесс Девилля-Пешине (англ.). В 1886 году был изобретён электролитический процесс Холла-Эру, а в 1887 году был изобретён процесс цианирования.
Процесс Байера был изобретен в 1888 году Карлом Йозефом Байером.[9] Работая в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода получения глинозема для текстильной промышленности (он использовался в качестве протравы при крашении хлопка), Байер в 1887 году обнаружил, что гидроксид алюминия, осажденный из щелочного раствора, был кристаллическим и мог быть легко отфильтрован и промыт, в то время как осажденный из кислой среды путем нейтрализации был студенистым и трудно промывался.[9] Промышленный успех этого процесса привел к тому, что он заменил процесс Девилля-Пешине,[9] что ознаменовало рождение современной области гидрометаллургия.
Инженерные аспекты процесса были усовершенствованы для снижения затрат, начиная с 1967 года в Германии и Чехословакии.[9] Это было сделано за счет увеличения рекуперации тепла и использования больших автоклавов и отстойников.[9] Для более эффективного использования энергии использовались теплообменники и флэш-танки, а реакторы большего размера уменьшали количество теряемого тепла.[9] Эффективность была повышена за счет соединения автоклавов для повышения эффективности работы.[9]
В настоящее время процесс Байера обеспечивает почти весь мировой объем производства глинозема в качестве промежуточного этапа в производстве алюминия.
Примечания
[править | править код]- ↑ Harris, Chris. Micro reform – impacts on firms: aluminium case study / Harris, Chris, McLachlan, R. (Rosalie), Clark, Colin. — Melbourne : Industry Commission, 1998. — ISBN 978-0-646-33550-6.
- ↑ 1 2 Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (January 1999). The surface chemistry of Bayer process solids: a review. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 146 (1–3): 359–374. doi:10.1016/S0927-7757(98)00798-5.
- ↑ Alessio Angelo Scarsella, Sonia Noack, Edgar Gasafi, Cornelis Klett, Andreas Koschnick. Energy in Alumina Refining: Setting New Limits // Light Metals 2015. — 2015. — P. 131–136. — ISBN 978-3-319-48610-9. — doi:10.1007/978-3-319-48248-4_24.
- ↑ Energy efficiency. — «energy required by the Bayer Process is very much dependent on the quality of the raw material . average specific energy consumption is around 14.5 GJ per tonne of alumina, including electrical energy of around 150 kWh/t Al2O3».
- ↑ The Aluminum Smelting Process. Aluminum Production. aluminumproduction.com. Дата обращения: 12 апреля 2018.
- ↑ Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (1999). The Surface Chemistry of Bayer Process Solids: A Review. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 146 (1–3): 359–374. doi:10.1016/S0927-7757(98)00798-5.
- ↑ TENORM: Bauxite and Alumina Production Wastes. www.epa.gov. United States Environmental Protection Agency (22 апреля 2015). Дата обращения: 12 апреля 2018.
- ↑ Ruyters, Stefan; Mertens, Jelle; Vassilieva, Elvira; Dehandschutter, Boris; Poffijin, Andre; Smolders, Erik (2011). The Red Mud Accident in Ajka (Hungary): Plant Toxicity and Trace Metal Bioavailability in Red Mud Contaminated Soil (PDF). Environmental Science & Technology. 45 (4): 1616–1622. Bibcode:2011EnST...45.1616R. doi:10.1021/es104000m. PMID 21204523.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Bayer's Process for Alumina Production: A Historical Production. scs.illinois.edu. Fathi Habashi, Laval University. Дата обращения: 6 апреля 2018.
См. также
[править | править код]Литература
[править | править код]- Habashi, F. (2005). A short history of hydrometallurgy. Hydrometallurgy. 79 (1–2): 15–22. Bibcode:2005HydMe..79...15H. doi:10.1016/j.hydromet.2004.01.008.