바이어법

Bayer process

바이엘 공정은 알루미나(산화 알루미늄)를 생산하기 위해 보크사이트를 정제하는 주요 산업 수단이며 칼 요제프 바이엘에 의해 개발되었습니다.알루미늄의 가장 중요한 광석인 보크사이트는 30-60%의 산화알루미늄(AlO23)만을 함유하고 있으며, 나머지는 실리카, 다양한 산화철 및 [1]이산화티타늄의 혼합물입니다.산화 알루미늄을 알루미늄 금속으로 정제하려면 먼저 정제해야 합니다.

과정

바이어 공정 흐름도.

보크사이트 광석은 수화 알루미늄 산화물과 철과 같은 다른 원소의 혼합물이다.보크사이트의 알루미늄 화합물은 깁사이트 2(Al(OH)),3 뵈마이트(β-AlO(OH)) 또는 디아스포어(α-AlO(OH))로 존재할 수 있으며 알루미늄 구성 요소의 다양한 형태와 불순물이 추출 조건을 결정합니다.산화 알루미늄과 수산화물은 양성 물질로 산성과 염기성을 모두 갖습니다.물에서 Al(III)의 용해도는 매우 낮지만 높은 pH 또는 낮은 pH에서는 상당히 증가한다.바이엘 공정에서는 보크사이트 광석을 수산화나트륨 용액(가성소다)과 함께 압력용기 내에서 150~200℃의 온도에서 가열한다.이러한 온도에서 알루미늄은 추출 과정에서 알루민산나트륨(주로 [Al(OH)])4−으로 용해됩니다.여과로 잔류물을 분리한 후 액체를 냉각할 때 기브사이트를 침전시키고, 그 후 이전의 추출물로부터 미세한 수산화알루미늄 결정으로 씨를 뿌린다.강수량은 씨앗 결정을 [2]첨가하지 않으면 며칠이 걸릴 수 있다.

추출 과정(소화)은 화학 방정식에 따라 광석의 산화 알루미늄을 수용성 알루민산나트륨(NaAlO2)으로 변환합니다.

AlO23 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + HO2

또한 이 처리에서는 실리카를 용해하여 규산나트륨을 형성합니다.

2 NaOH + SiO2 → NaSiO23 + HO2

그러나 보크사이트의 다른 성분들은 녹지 않는다.때때로[when?] 이 단계에서 석회가 첨가되어 규산칼슘으로 실리카를 침전시킨다.용액은 일반적으로 회전식 모래 트랩을 사용하여 고체 불순물을 걸러내고 녹말과 같은 응집제를 사용하여 미세 입자를 제거합니다.알루미늄 화합물을 추출한 후 분해되지 않은 폐기물(보크사이트 테일링)에는 산화철, 실리카, 칼시아, 티타니아 및 일부 미반응 알루미나가 포함되어 있습니다.원래 공정은 알칼리성 용액을 냉각하고 이를 통해 이산화탄소를 기포화시켜 처리하는 것이었습니다. 이 방법은 수산화 알루미늄을 침전시키는 방식입니다.

22 NaAlO + 32 HO + CO2 → 2 Al(OH)3 + NaCO23

그러나 나중에 이것은 고순도 수산화 알루미늄(Al(OH)3 결정으로 과포화 용액을 시딩하는 것으로 바뀌어 액체를 냉각할 필요가 없어졌고 경제적으로도 더 가능했습니다.

22 HO + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH

생산되는 수산화 알루미늄 중 일부는 황산 알루미늄, PAC(폴리알루미늄 염화물) 또는 알루민산나트륨과 같은 수처리 화학 물질의 제조에 사용되며, 상당량은 고무 및 플라스틱의 충전재로도 난연제로 사용됩니다.생산된 깁사이트의 약 90%는 회전식 가마 또는 유체 플래시 캘리너에서 약 1470K의 온도로 가열하여 산화알루미늄, AlO로23 변환됩니다.

2 Al(OH)3 → AlO23 + 32 HO

남은 '스펜트' 알루민산나트륨 용액은 재활용됩니다.재활용은 공정의 경제성 향상과는 별도로 갈륨과 바나듐 불순물이 액체에 축적되어 수익성 있게 추출할 수 있다.

기브사이트의 침전 중에 축적되는 유기 불순물은 예를 들어 기브사이트 내의 바람직하지 않은 물질의 높은 수준, 액체와 기브사이트의 변색, 가성 물질의 손실, 작동 유체의 점도와 밀도 증가 등 다양한 문제를 일으킬 수 있다.

10% 이상의 실리카를 가진 보크사이트의 경우, Bauxite 공정이 불용성 알루미늄 규산나트륨의 형성에 의해 비경제적이 되어 수율이 감소하므로 다른 공정을 선택해야 합니다.

산화알루미늄 1t을 생산하려면 1.9~3.6t의 보크사이트가 필요하다.그 이유는 광석의 알루미늄 대부분이 이 [2]과정에서 용해되었기 때문입니다.소비전력은 7GJ/tonne~21GJ/tonne(공정에 따라 다름)이며, 그 중 대부분이 열에너지입니다.[3][4]생산되는 산화 알루미늄의 90% 이상(95-96%)이 홀에서 사용됩니다.알루미늄 [5]생산을 위한 Héroult 공정.

낭비하다

붉은 진흙은 수산화나트륨으로 보크사이트를 소화할 때 생성되는 폐기물이다.칼슘과 수산화나트륨 함량이 높고 화학조성이 복잡하여 부식성이 매우 높고 오염원일 가능성이 있습니다.생산되는 붉은 진흙의 양은 상당하며, 이로 인해 과학자들과 정유사들은 붉은 진흙의 용도를 모색하고 있다.그러한 용도 중 하나는 세라믹 생산이다.붉은 진흙은 철분, 알루미늄, 칼슘, 나트륨을 포함한 고운 가루로 건조된다.일부 공장에서 폐기물을 사용하여 [6]산화알루미늄을 생성하면 건강상의 위험이 됩니다.

미국에서는 폐기물이 댐에 의해 만들어진 일종의 저수지인 대형 압류물로 처리된다.압류물은 일반적으로 점토 또는 합성 라이너로 정렬되어 있습니다.미국은 환경에 대한 위험 때문에 폐기물의 사용을 승인하지 않는다.EPA는 일부 적색 진흙 [7]샘플에서 높은 수준의 비소와 크롬을 확인했다.

아즈카 알루미나 공장 사고

주요 기사:아즈카 알루미나 공장 사고

2010년 10월 4일 헝가리의 아즈카 알루미나 공장은 붉은 진흙 저장소의 서쪽 댐이 무너지는 사고를 겪었다.저수지는 pH 12의 붉은 진흙과 물의 혼합물로 700,000m가3 채워져 있었다.이 혼합물은 토르나 강 계곡으로 흘러나와 데베체르 시와 콜론타르 마을과 솜로바사르리 마을 일부에 홍수가 났다.이 사고로 10명의 사망자와 100명 이상의 부상자, 그리고 호수와 [8]강이 오염되었다.

바이어 공정의 역사

바이엘 공정은 1888년 칼 [9]요제프 바이엘에 의해 발명되었다.러시아 상트페테르부르크에서 섬유 산업에 알루미나를 공급하는 방법을 개발하기 위해 일하던 바이엘은 1887년 알칼리성 용액에서 침전된 수산화 알루미늄이 결정성이며 쉽게 여과되고 씻길 수 있는 반면 중성화에 의해 산성 매체에서 침전된 것을 발견했다.Lization은 젤라틴질이고 [9]씻기 어려웠다.이 공정의 산업적 성공은 보크사이트에서 [9]알루미나를 생산하는 데 사용되었던 르 샤틀리에 공정을 대체하게 했습니다.

1967년 독일과 [9]체코슬로바키아에서 시작된 비용 절감을 위해 공학적 측면을 개선하였다.이는 열 회수를 늘리고 대형 고압기와 강수 [9]탱크를 사용하여 수행되었습니다.에너지를 보다 효과적으로 사용하기 위해 열 교환기와 플래시 탱크가 사용되었고 대형 원자로는 열 [9]손실량을 줄였다.오토클레이브를 연결하여 효율을 [9]높였습니다.

몇 년 전 프랑스의 앙리 에티엔 생트-클레르 드빌은 탄산나트륨(NaCO23)에서 보크사이트를 1200°C로 가열하고 물로 형성된 알루민산나트륨을 침출시킨 후 이산화탄소에2 의해 수산화알루미늄을 침전시켜 알루미나를 만드는 방법을 개발했다.이 공정(데빌 공정으로 알려져 있음)은 바이엘 공정을 위해 포기되었습니다.

이 과정은 홀의 발명과 함께 야금학의 중요성을 띠기 시작했다.에룰트 전해 알루미늄 공정은 불과 1년 전인 1886년에 발명되었습니다.1887년에 발명된 청화 공정과 함께, 바이엘 공정은 현대 하이드로메탈리의 탄생을 기념합니다.

오늘날 이 공정은 알루미늄 생산의 중간 단계로 전 세계 거의 모든 알루미나를 생산합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Harris, Chris; McLachlan, R. (Rosalie); Clark, Colin (1998). Micro reform – impacts on firms: aluminium case study. Melbourne: Industry Commission. ISBN 978-0-646-33550-6.
  2. ^ a b 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.
  3. ^ Alessio Angelo Scarsella, Sonia Noack, Edgar Gasafi, Cornelis Klett, Andreas Koschnick (2015). "Energy in Alumina Refining: Setting New Limits". Light Metals 2015. pp. 131–136. doi:10.1007/978-3-319-48248-4_24. ISBN 978-3-319-48610-9.{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  4. ^ "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
  5. ^ "The Aluminum Smelting Process". Aluminum Production. aluminumproduction.com. Retrieved 12 April 2018.
  6. ^ 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.
  7. ^ "TENORM: Bauxite and Alumina Production Wastes". www.epa.gov. United States Environmental Protection Agency. 2015-04-22. Retrieved 12 April 2018.
  8. ^ 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.
  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. Retrieved 6 April 2018.