Proces Bayera

Proces Bayera – proces technologiczny opracowany w 1887 r. przez austriackiego chemika Carla Josefa Bayera. Proces ten w połączeniu z procesem Halla-Héroulta jest wykorzystywany do wytwarzania metalicznego glinu.

Proces ten zasadniczo można podzielić na trzy części:

Proces Bayera

Ekstrakcja

Minerały zawierające glin, a występujące w rudzie boksytu (głównie gibbsyt, bemit i diaspor), są poddawane selektywnej ekstrakcji od nierozpuszczalnych składników występujących w rudzie (głównie tlenków np: krzemu, żelaza itp.), poprzez rozpuszczenie ich w roztworze wodorotlenku sodu (NaOH). Reakcje te mogą zachodzić ze względu na amfoteryczny charakter tlenku glinu.

Gibbsyt:

Al2O3 + 2Na+ + OH− → 2 [Al(OH)4]−+ Na+
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 +H2O

Bemit oraz Diaspor:

AlO(OH) + Na+ + OH− + H2O → Al(OH)4− + Na+

Ogólnie:

Al2O3·nH2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + (n+1)H2O
AlOnH(2n−3) + NaOH → NaAlO2 +(n−1)H2O

W zależności od jakości rudy, może ona być poddana zabiegowi wstępnego przemywania wodą w celu usunięcia rozpuszczalnych zanieczyszczeń. Rudę uzupełnia się dodatkiem wapna palonego CaO. W procesie kruszenia oraz mielenia w młynach rurowych dąży się do redukcji wielkości ziaren rudy, poprawia to szybkość procesów ekstrakcji. Uzyskany proszek łączy się z roztworem wodorotlenku sodu NaOH w urządzeniu ekstrakcyjnym. Parametry panujące w ekstryfikatorze (stężenie, temperatura, ciśnienie) ustalane są indywidualnie w zależności od składu rudy boksytu. Rudy z wysoką zawartością gibbsytu [Al(OH)3] mogą być przetwarzane w temperaturze 140 °C z uwagi na dość dobrą rozpuszczalność w roztworze NaOH. Bemit [AlO(OH)] wykazuje znikomą rozpuszczalność, stąd wynika konieczność przeprowadzania procesu w temperaturze 210–240 °C (gibbsyt ulega przemianie w bemit w temperaturze 190–210 °C tracąc przy tym związaną wodę). Ciśnienie nie wpływa znacząco na przebieg procesu ekstrakcji, jednak jest ono definiowane ciśnieniem pary wodnej w aktualnych warunkach reakcyjnych. Przy temperaturze 240 °C ciśnienie wynosi w przybliżeniu 35 atmosfer.

Wyższa temperatura, w jakiej zachodziłaby reakcja, teoretycznie powinna przyspieszać proces ekstrakcji, w rzeczywistości jednak niesie ze sobą wiele niekorzystnych zjawisk włączając w to problem korozji instalacji oraz możliwości rozpuszczania w roztworze wodorotlenku sodu innych tlenków niż tlenek glinu. Po procesie ekstrakcji nierozpuszczalne składniki rudy zostają odseparowane w osadnikach. Pozostały roztwór poddawany jest procesom filtracji w celu uzyskania jak największej czystości. Nierozpuszczalny osad zwany „czerwonym szlamem” (ze względu na zabarwienie wywołane przez tlenki żelaza) jest przemywany wodą w celu odzyskania NaOH, która jest zawracana do obiegu głównego procesu.

Wytrącanie

Krystaliczny wodorotlenek glinu jest otrzymywany w reakcji hydrolizy glinianu sodu:

Al(OH)4− + Na+ → Al(OH)3↓ + Na+ + OH−
NaAlO2 + 2 H2O → NaOH + Al(OH)3↓

Jest to proces odwrotny do ekstrakcji z tą różnicą, że proces ten jest kontrolowany poprzez wprowadzanie zarodków krystalizacji (kryształków Al(OH)3), doborze odpowiedniej temperatury, jak i szybkości chłodzenia. Kryształy o odpowiedniej wielkości są oddzielane, a te o zbyt małej wielkości są zawracane do krystalizacji i służą jako zarodki krystalizacji.

Kalcynacja

Wodorotlenek glinu Al(OH)3 jest przeprowadzany w tlenek glinu Al2O3 w procesie kalcynacji:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

Zachodzi on w temperaturze powyżej 1110 °C i przeprowadzany jest w piecach obrotowych lub stacjonarnych[1]. Powstająca woda jest usuwana w trakcie procesu ogrzewania.

Wynikiem procesu Bayera jest tlenek glinu Al2O3 używany jako substrat do produkcji metalicznego glinu w procesie elektrolizy Halla-Héroulta.

Przypisy

  1. ↑ L. Keith Hudson, Chanakya Misra, Anthony J. Perrotta, Karl Wefers, F. S. Williams: Aluminum Oxide. W: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Veinheim: Wiley-VCH Verlag, 2005. DOI: 10.1002/14356007.a01_557.

Bibliografia

  • Allen S. Russell: Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill, 1997.
  • Lech Pajdowski: Chemia ogólna. Warszawa: PWN, 2003.
  • P. W. Atkins: Podstawy chemii fizycznej. Warszawa: PWN, 2003.
  • H.C. Berg: Random Walks in Biology. Princeton: 1977.
  • Jerzy Dereń: Chemia ciała stałego. PWN, 1975.

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie

ProcesBayera.png
Schemat Procesu Bayera