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:

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

AlO_nH_(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

↑ 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

[Hudson-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.

[1]