Bayer süreci - Bayer process

Bayer prosesi arıtma ana endüstri yoludur boksit üretmek için alümina (alüminyum oksit) tarafından geliştirilen Carl Josef Bayer . Alüminyumun en önemli cevheri olan boksit, sadece %30-60 oranında alüminyum oksit (Al 2 O 3 ) içerir, geri kalanı silika , çeşitli demir oksitler ve titanyum dioksit karışımıdır . Alüminyum oksit, alüminyum metaline rafine edilmeden önce saflaştırılmalıdır.

İşlem

Bayer prosesi

Boksit cevheri, hidratlı alüminyum oksitlerin ve demir gibi diğer elementlerin bileşiklerinin bir karışımıdır. Boksit alüminyum bileşikler mevcut olabilir gibsit 2 (AI (OH) 3 ), Böhmit (γ-AIO (OH)) ya da diasporanın (α-AIO (OH)); alüminyum bileşenin farklı biçimleri ve safsızlıklar, ekstraksiyon koşullarını belirler. Alüminyum oksitler ve hidroksitler amfoteriktir , yani hem asidik hem de baziktir. Al(III)'ün sudaki çözünürlüğü çok düşüktür ancak yüksek veya düşük pH'da önemli ölçüde artar. Bayer işleminde boksit cevheri, 150 ila 200 °C sıcaklıkta bir sodyum hidroksit çözeltisi (kostik soda) ile birlikte bir basınçlı kap içinde ısıtılır . Bu sıcaklıklarda alüminyum , bir ekstraksiyon işleminde sodyum alüminat (öncelikle [Al(OH) 4 ] - ) olarak çözülür . Kalıntının süzülerek ayrılmasından sonra, sıvı soğutulduğunda gibsit çökeltilir ve daha sonra önceki ekstraksiyonlardan gelen ince taneli alüminyum hidroksit kristalleri ile tohumlanır . Tohum kristalleri eklenmeden çökeltme birkaç gün sürebilir.

Ekstraksiyon işlemi , kimyasal denkleme göre cevherdeki alüminyum oksidi çözünür sodyum alüminat NaAlO 2'ye dönüştürür :

Al 2 O 3 + 2 NaOH → 2 NaAlO 2 + H 2 O

Bu işlem aynı zamanda silikayı çözerek sodyum silikat oluşturur:

2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + H 2 O

Boksitin diğer bileşenleri ise çözünmez. Bazen bu aşamada silisin kalsiyum silikat olarak çökeltilmesi için kireç eklenir . Çözelti, ince parçacıkları uzaklaştırmak için , genellikle bir döner kum tutucu ile ve nişasta gibi bir topaklaştırıcının yardımıyla katı safsızlıkların filtre edilmesiyle berraklaştırılır . Alüminyum bileşikleri ekstrakte edildikten sonra çözünmemiş atık, boksit artıkları , demir oksitler , silika , kalsiya , titanya ve bazı reaksiyona girmemiş alümina içerir. Orijinal işlem, alkali çözeltinin soğutulması ve içinden karbon dioksit köpürterek muamele edilmesiydi, alüminyum hidroksitin çökeldiği bir yöntem :

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

Ancak daha sonra, bu , sıvıyı soğutma ihtiyacını ortadan kaldıran ve ekonomik olarak daha uygun olan yüksek saflıkta alüminyum hidroksit (Al(OH) 3 ) kristali ile aşırı doymuş çözeltinin tohumlanmasına yol açtı :

2 H 2 O + NaAlO 2 → Al(OH) 3 + NaOH

Üretilen alüminyum hidroksitin bir kısmı, alüminyum sülfat , PAC ( Polialüminyum klorür ) veya sodyum alüminat gibi su arıtma kimyasallarının imalatında kullanılır ; önemli bir miktarı da yangın geciktirici olarak kauçuk ve plastiklerde dolgu maddesi olarak kullanılmaktadır. Üretilen gibsit% 90'ı dönüştürülür alüminyum oksit , Al 2 O 3 içinde ısıtılarak, döner fırınlar ya da sıvıyı kalsine 1470 hakkında K. bir sıcaklığa

2 Al(OH) 3Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Artan, 'harcanan' sodyum alüminat çözeltisi daha sonra geri dönüştürülür. Sürecin ekonomisini iyileştirmenin yanı sıra, geri dönüşüm , likörlerde galyum ve vanadyum safsızlıklarını biriktirir , böylece karlı bir şekilde ekstrakte edilebilirler.

Gibsitin çökelmesi sırasında biriken organik kirlilikler, örneğin gibsitte yüksek düzeyde istenmeyen maddeler, sıvının ve gibsitin renginin değişmesi, kostik malzemenin kaybı ve çalışma viskozitesinin ve yoğunluğunun artması gibi çeşitli sorunlara neden olabilir. sıvı.

%10'dan fazla silika içeren boksitler için, Bayer işlemi , verimi azaltan, çözünmeyen sodyum alüminyum silikat oluşumu nedeniyle ekonomik olmaz , bu nedenle başka bir işlem seçilmelidir.

1 ton alüminyum oksit üretmek için 1.9-3.6 ton boksit gerekir. Bu, cevherdeki alüminyumun büyük bir kısmının proseste çözülmesinden kaynaklanmaktadır. Enerji tüketimi 7 GJ/ton ile 21 GJ/ton arasındadır (prosese bağlı olarak), bunun çoğu termal enerjidir. Üretilen alüminyum oksidin %90'dan fazlası (%95-96) Hall-Héroult prosesinde alüminyum üretmek için kullanılır.

Atık

Kırmızı çamur , boksitin sodyum hidroksit ile parçalanması sonucu oluşan atık üründür. Karmaşık bir kimyasal bileşime sahip yüksek kalsiyum ve sodyum hidroksit içeriğine sahiptir ve buna bağlı olarak çok yakıcıdır ve potansiyel bir kirlilik kaynağıdır. Üretilen kırmızı çamur miktarı oldukça fazladır ve bu, bilim adamlarını ve rafinerileri bunun için kullanım aramaya yöneltmiştir. Böyle bir kullanım seramik üretimindedir. Kırmızı çamur, demir, alüminyum, kalsiyum ve sodyum içeren ince bir toz halinde kurur. Bazı bitkiler atıkları alüminyum oksit üretmek için kullandığında bu bir sağlık riski haline gelir.

Amerika Birleşik Devletleri'nde atık, bir baraj tarafından oluşturulan bir tür rezervuar olan büyük barajlarda bertaraf ediliyor. Barajlar tipik olarak kil veya sentetik astarlarla kaplanır. ABD, çevre için oluşturduğu tehlike nedeniyle atıkların kullanılmasını onaylamamaktadır. EPA, bazı kırmızı çamur örneklerinde yüksek düzeyde arsenik ve krom tespit etti.

Ajka alümina tesisi kazası

4 Ekim 2010'da Macaristan'daki Ajka alümina fabrikasında kırmızı çamur rezervuarının batı barajının çöktüğü bir olay yaşandı . Hazne 700.000 m ile doldurulmuştur 3 Karışım üst vadisi ve Devecser şehrinin sular parça ve köy Kolontár ve Somlóvásárhely serbest bırakıldı 12 bir pH değerine sahip kırmızı çamur ve suyun bir karışımından oluşur. Olay, 10 ölüm, yüzden fazla yaralanma ve göllerde ve nehirlerde kirlenme ile sonuçlandı.

Bayer sürecinin tarihi

Bayer süreci 1888'de Carl Josef Bayer tarafından icat edildi . Rusya, Saint Petersburg'da tekstil endüstrisine alümina tedarik etmek için bir yöntem geliştirmek için çalışırken ( pamuk boyamada mordan olarak kullanıldı ), Bayer 1887'de alkali çözeltiden çökelen alüminyum hidroksitin kristal olduğunu ve kolayca filtrelenebileceğini keşfetti. yıkanmış, asit ortamından nötrleştirme ile çökelen jelatinimsiydi ve yıkanması zordu. Bu işlemin endüstriyel başarısı, boksitten alümina üretmek için kullanılan Le Chatelier işleminin yerini almasına neden oldu.

Sürecin mühendislik yönleri, 1967'de Almanya ve Çekoslovakya'da başlayarak maliyeti düşürmek için geliştirildi . Bu, ısı geri kazanımını artırarak ve büyük otoklavlar ve çökeltme tankları kullanılarak yapıldı. Enerjiyi daha verimli kullanmak için ısı eşanjörleri ve flaş tankları kullanıldı ve daha büyük reaktörler kaybedilen ısı miktarını azalttı. Operasyonu daha verimli hale getirmek için otoklavlar bağlanarak verimlilik artırıldı.

Birkaç yıl önce, Henri Étienne Sainte-Claire Deville Fransa sodyum karbonat boksitin ısıtılarak alümina yapmak için bir yöntem geliştirdi, Na 2 CO 3 , 1200 ° C'de, sodyum alüminat liç sonra alüminyum hidroksit çökeltilmesi, su ile oluşturulan karbon dioksit , CO 2 , daha sonra filtre edildi ve kurutuldu. Bu süreç ( Deville süreci olarak bilinir ) Bayer süreci lehine terk edildi.

Süreç, 1886'da sadece bir yıl önce icat edilen Hall-Héroult elektrolitik alüminyum işleminin icadıyla birlikte metalurjide önem kazanmaya başladı . 1887'de icat edilen siyanürleme işlemiyle birlikte , Bayer işlemi modern hidrometalurji alanının doğuşuna işaret ediyor. .

Bugün, süreç, alüminyum üretiminde bir ara adım olarak neredeyse dünyanın tüm alümina arzını üretmektedir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Harris, Chris; McLachlan, R. (Rosalie); Clark, Colin (1998). Mikro reform – firmalar üzerindeki etkiler: alüminyum vaka çalışması . Melbourne: Sanayi Komisyonu. ISBN'si 978-0-646-33550-6.
  2. ^ a b Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (Ocak 1999). "Bayer proses katılarının yüzey kimyası: bir inceleme". Kolloidler ve Yüzeyler A: Fizikokimyasal ve Mühendislik Yönleri . 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). "Alümina Rafinasyonunda Enerji: Yeni Limitler Belirleme". Hafif Metaller 2015 . s. 131–136. doi : 10.1007/978-3-319-48248-4_24 . ISBN'si 978-3-319-48610-9.CS1 bakımı: birden çok ad: yazar listesi ( bağlantı )
  4. ^ "Enerji verimliliği" . Bayer Prosesinin gerektirdiği enerji, büyük ölçüde hammaddenin kalitesine bağlıdır. ortalama spesifik enerji tüketimi, yaklaşık 150 kWh/t Al2O3 elektrik enerjisi dahil olmak üzere, ton alümina başına yaklaşık 14,5 GJ'dir.
  5. ^ "Alüminyum Eritme İşlemi" . Alüminyum Üretimi . alüminyumprodüksiyon.com . 12 Nisan 2018 alındı .
  6. ^ Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (1999). "Bayer Proses Katılarının Yüzey Kimyası: Bir İnceleme". Kolloidler ve Yüzeyler A: Fizikokimyasal ve Mühendislik Yönleri . 146 (1-3): 359-374. doi : 10.1016/S0927-7757(98)00798-5 .
  7. ^ "TENORM: Boksit ve Alümina Üretim Atıkları" . www.epa.gov . Birleşik Devletler Çevre Koruma Ajansı. 2015-04-22 . 12 Nisan 2018 alındı .
  8. ^ Ruyters, Stefan; Mertens, Jelle; Vasilieva, Elvira; Dehandschutter, Boris; Poffijin, Andre; Smolders, Erik (2011). "Ajka'daki Kırmızı Çamur Kazası (Macaristan): Kırmızı Çamurla Kirlenmiş Toprakta Bitki Toksisitesi ve İz Metal Biyoyararlanımı" (PDF) . Çevre Bilimi ve Teknolojisi . 45 (4): 1616-1622. doi : 10.1021/es104000m . PMID  21204523 .
  9. ^ a b c d e f g "Bayer'in Alümina Üretimi Süreci: Tarihsel Bir Üretim" (PDF) . scs.illinois.edu . Fathi Habashi, Laval Üniversitesi . Erişim tarihi: 6 Nisan 2018 .