Proceso Bayer - Bayer process

El proceso Bayer es el principal medio industrial para refinar la bauxita para producir alúmina (óxido de aluminio) y fue desarrollado por Carl Josef Bayer . La bauxita, el mineral más importante de aluminio , contiene sólo 30-60% de óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), el resto es una mezcla de sílice , varios óxidos de hierro y dióxido de titanio . El óxido de aluminio debe purificarse antes de que pueda refinarse a metal de aluminio.

Proceso

El proceso de Bayer

El mineral de bauxita es una mezcla de óxidos de aluminio hidratados y compuestos de otros elementos como el hierro. Los compuestos de aluminio en la bauxita pueden estar presentes como gibbsita 2 (Al (OH) 3 ), böhmita (γ-AlO (OH)) o diáspora (α-AlO (OH)); las diferentes formas del componente de aluminio y las impurezas dictan las condiciones de extracción. Los óxidos e hidróxidos de aluminio son anfóteros , lo que significa que son tanto ácidos como básicos. La solubilidad del Al (III) en agua es muy baja pero aumenta sustancialmente a pH alto o bajo. En el proceso Bayer, el mineral de bauxita se calienta en un recipiente a presión junto con una solución de hidróxido de sodio (sosa cáustica) a una temperatura de 150 a 200 ° C. A estas temperaturas, el aluminio se disuelve como aluminato de sodio (principalmente [Al (OH) 4 ] - ) en un proceso de extracción. Después de la separación del residuo por filtración, la gibbsita se precipita cuando el líquido se enfría y luego se siembra con cristales de hidróxido de aluminio de grano fino de extracciones anteriores. La precipitación puede tardar varios días sin la adición de cristales semilla.

El proceso de extracción convierte el óxido de aluminio en el mineral en aluminato de sodio soluble, NaAlO 2 , de acuerdo con la ecuación química :

Al 2 O 3 + 2 NaOH → 2 NaAlO 2 + H 2 O

Este tratamiento también disuelve la sílice, formando silicato de sodio:

2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + H 2 O

Los otros componentes de la bauxita, sin embargo, no se disuelven. A veces se agrega cal en esta etapa para precipitar la sílice como silicato de calcio . La solución se clarifica filtrando las impurezas sólidas, comúnmente con una trampa de arena giratoria y con la ayuda de un floculante como el almidón , para eliminar las partículas finas. Los desechos no disueltos después de la extracción de los compuestos de aluminio, los relaves de bauxita , contienen óxidos de hierro , sílice , calcia , titania y algo de alúmina sin reaccionar. El proceso original consistía en enfriar la solución alcalina y tratarla burbujeando dióxido de carbono a través de ella, un método mediante el cual el hidróxido de aluminio precipita :

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

Pero más tarde, esto dio paso a la siembra de la solución sobresaturada con cristal de hidróxido de aluminio (Al (OH) 3 ) de alta pureza , lo que eliminó la necesidad de enfriar el líquido y fue más económicamente factible:

2 H 2 O + NaAlO 2 → Al (OH) 3 + NaOH

Parte del hidróxido de aluminio producido se utiliza en la fabricación de productos químicos para el tratamiento del agua, como el sulfato de aluminio , PAC ( cloruro de polialuminio ) o aluminato de sodio; también se utiliza una cantidad significativa como relleno en caucho y plásticos como retardante del fuego. Aproximadamente el 90% de la gibbsita producida se convierte en óxido de aluminio , Al 2 O 3 , mediante el calentamiento en hornos rotatorios o calcinadores flash fluidos a una temperatura de aproximadamente 1470 K.

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

A continuación, se recicla la solución sobrante de aluminato de sodio "gastada". Además de mejorar la economía del proceso, el reciclaje acumula impurezas de galio y vanadio en los licores, por lo que se pueden extraer de forma rentable.

Las impurezas orgánicas que se acumulan durante la precipitación de la gibbsita pueden causar varios problemas, por ejemplo, altos niveles de materiales indeseables en la gibbsita, decoloración del licor y de la gibbsita, pérdidas de material cáustico y aumento de la viscosidad y densidad del trabajo. líquido.

Para las bauxitas que tienen más del 10% de sílice, el proceso de Bayer se vuelve antieconómico debido a la formación de silicato de aluminio y sodio insoluble , que reduce el rendimiento, por lo que se debe elegir otro proceso.

Se requieren 1,9-3,6 toneladas de bauxita para producir 1 tonelada de óxido de aluminio. Esto se debe a que la mayor parte del aluminio del mineral se disuelve en el proceso. El consumo de energía oscila entre 7 GJ / tonelada y 21 GJ / tonelada (según el proceso), de los cuales la mayor parte es energía térmica. Más del 90% (95-96%) del óxido de aluminio producido se utiliza en el proceso Hall-Héroult para producir aluminio.

Desperdicio

El barro rojo es el producto de desecho que se produce en la digestión de la bauxita con hidróxido de sodio. Tiene un alto contenido de hidróxido de calcio y sodio con una composición química compleja y, por lo tanto, es muy cáustico y una fuente potencial de contaminación. La cantidad de lodo rojo que se produce es considerable, y esto ha llevado a científicos y refinadores a buscar usos para él. Uno de esos usos es en la producción de cerámica. El barro rojo se seca en un polvo fino que contiene hierro, aluminio, calcio y sodio. Se convierte en un riesgo para la salud cuando algunas plantas utilizan los desechos para producir óxidos de aluminio.

En Estados Unidos, los desechos se depositan en grandes embalses , una especie de embalse creado por una presa. Los embalses suelen estar revestidos con arcilla o revestimientos sintéticos. Estados Unidos no aprueba el uso de los desechos debido al peligro que representan para el medio ambiente. La EPA identificó altos niveles de arsénico y cromo en algunas muestras de lodo rojo.

Accidente de la planta de alúmina Ajka

El 4 de octubre de 2010, la planta de alúmina de Ajka en Hungría tuvo un incidente en el que se derrumbó la presa occidental de su depósito de lodo rojo. El embalse se llenó con 700.000 m 3 de una mezcla de barro rojo y agua con un pH de 12. La mezcla se vertió en el valle del río Torna e inundó partes de la ciudad de Devecser y los pueblos de Kolontár y Somlóvásárhely. El incidente provocó 10 muertos, más de un centenar de heridos y contaminación en lagos y ríos.

Historia del proceso Bayer

El proceso Bayer fue inventado en 1888 por Carl Josef Bayer . Trabajando en San Petersburgo, Rusia para desarrollar un método para suministrar alúmina a la industria textil (se usaba como mordiente en el teñido de algodón), Bayer descubrió en 1887 que el hidróxido de aluminio que precipitaba de la solución alcalina era cristalino y podía filtrarse y filtrarse fácilmente. lavado, mientras que el precipitado del medio ácido por neutralización era gelatinoso y difícil de lavar. El éxito industrial de este proceso hizo que sustituyera al proceso de Le Chatelier que se utilizaba para producir alúmina a partir de bauxita.

Los aspectos de ingeniería del proceso se mejoraron para disminuir el costo a partir de 1967 en Alemania y Checoslovaquia . Esto se hizo aumentando la recuperación de calor y utilizando grandes autoclaves y tanques de precipitación. Para utilizar la energía de forma más eficaz, se utilizaron intercambiadores de calor y tanques flash y los reactores más grandes redujeron la cantidad de calor perdido. La eficiencia se incrementó conectando los autoclaves para hacer la operación más eficiente.

Unos años antes, Henri Étienne Sainte-Claire Deville en Francia desarrolló un método para fabricar alúmina calentando bauxita en carbonato de sodio, Na 2 CO 3 , a 1200 ° C, lixiviando el aluminato de sodio formado con agua y luego precipitando hidróxido de aluminio por carbono. dióxido , CO 2 , que después se filtró y se secó. Este proceso (conocido como proceso Deville ) fue abandonado a favor del proceso Bayer.

El proceso comenzó a cobrar importancia en la metalurgia junto con la invención del proceso de aluminio electrolítico Hall-Héroult, inventado apenas un año antes en 1886. Junto con el proceso de cianuración inventado en 1887, el proceso de Bayer marca el nacimiento del campo moderno de la hidrometalurgia. .

Hoy en día, el proceso produce casi todo el suministro de alúmina del mundo como paso intermedio en la producción de aluminio.

Ver también

Referencias

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  4. ^ "Eficiencia energética" . La energía requerida por el Proceso Bayer depende en gran medida de la calidad de la materia prima. el consumo energético específico medio es de alrededor de 14,5 GJ por tonelada de alúmina, incluida una energía eléctrica de unos 150 kWh / t Al2O3
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