拜耳法

维基百科,自由的百科全书
跳到导航 跳到搜索

拜耳法英语:Bayer process)是一种工业上广泛使用的从铝土矿生产氧化铝的化工过程。1887年由奥地利工程师卡尔·约瑟夫·拜耳英语Carl Josef Bayer发明,其基本原理是用浓氢氧化钠溶液将氢氧化铝转化为铝酸钠,通过稀释和添加氢氧化铝晶种使氢氧化铝重新析出,剩余的氢氧化钠溶液重新用于处理下一批铝土矿,实现了连续化生产。今日,世界上95%的铝业公司都在使用拜耳法生产氧化铝。

背景[编辑]

铝土矿是最重要的一种铝矿石,其中主要有三种含铝物质:三水铝石(Al(OH)3)、一水硬铝石(α-AlO(OH))和勃姆石(γ-AlO(OH)),总的含铝量为40%-75%。此外,还含有针铁矿赤铁矿、高岭土(含二氧化硅)和少量的二氧化钛[1] 拜耳法的目的就是除去铝土矿中的铁、硅、钛等杂质,将几种含铝物质转化为氧化铝。

过程概述[编辑]

拜耳过程简单流程图,蓝色代表铝的成分,红色球球代表铁、硅等杂质

粉碎[编辑]

拜耳法的第一个过程是用粉碎机将铝土矿的矿石粉碎成直径为30毫米左右的颗粒,然后用水冲洗掉颗粒表面的粘土等杂质。冲洗过的这些颗粒与重复利用的,氢氧化钠浓度为30%-40%的拜耳法余液相混合,借助球磨形成固体粒径在300微米以下的悬浊液。随着粒径逐渐变小,铝土矿的比表面积大大增加,这有助于加快后续化学反应的速度。

溶出[编辑]

铝土矿和高浓度氢氧化钠溶液形成的悬浮液随后进入反应釜,通过提高温度和压力使铝土矿中的氧化铝和氢氧化钠反应,生成可以溶解的铝酸钠(NaAl(OH)4),这被称为溶出,其方程式如下:

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 NaAl(OH)4

反应釜的温度和压力根据铝土矿的组成决定。对于含三水铝石较多的铝土矿,可在常压下,150度进行反应,而对于一水硬铝石和勃姆石含量多的,则需要在加压进行反应,常用条件为200到250度,30到40个大气压。 在和氢氧化钠反应时,铝土矿中所含的铁的各种氧化物、氧化钙和二氧化钛基本不会和氢氧化钠反应,形成了固体沉淀,留在反应釜底部,它们会被过滤掉,形成的滤渣呈红色,被称作赤泥,而铝土矿中含有的二氧化硅杂质则会和氢氧化钠反应,生成同样溶于水的硅酸钠。

SiO2 + 2 NaOH → 2 Na2SiO3+H2O

为了除去硅酸钠,拜耳法是通过缓慢加热溶液,促使二氧化硅、氧化铝和氢氧化钠生成方钠石结构水合铝硅酸钠,沉淀下来,然后过滤除掉,这样一来,就只有铝酸钠留在上清液中。

析出氢氧化铝[编辑]

热的溶液进入冷却装置中,加水稀释同时逐渐冷却,铝酸钠会发生水解,生成氢氧化铝,此时加入纯的氧化铝粉末,会析出白色的氢氧化铝固体。

NaAl(OH)4 → Al(OH)3 + NaOH

有的厂家对这一步进行了改进,通入过量二氧化碳帮助产生氢氧化铝。

NaAl(OH)4 + CO2→ Al(OH)3 + NaHCO3

过滤掉生成的氢氧化铝后,剩余的浓度仍然较高的氢氧化钠溶液会循环利用,用于处理另一批铝土矿,溶出氢氧化铝。已经生产出的氢氧化铝则在1000°C以上煅烧,可以分解成氧化铝:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

具体煅烧温度依据所需氧化铝的晶型和粒径来决定。生产的氧化铝随后可通过霍尔-埃鲁法电解制取金属铝。

发展历史与前景[编辑]

奥伊考氧化铝厂赤泥堆场决堤事件的卫星照片

1855年法国化学家路易·勒夏特列首先提出了将铝土矿和碳酸钠的Na2CO3混合物加热到1200°C,形成铝酸钠,之后将二氧化碳通入铝酸钠的溶液产生氢氧化铝的办法[2]。1880年代俄国纤维工业需要大量氧化铝作媒染剂,在圣彼得堡工作的德国化学家卡尔·约瑟夫·拜耳提出了拜耳法并申请了专利[3],其最重要的改进有两点,一是发现只要添加氢氧化铝晶种,氢氧化铝会从稀释后的碱液中慢慢沉淀出来;二是剩余碱液可以回收,提高浓度重新处理新的铝土矿,实现了连续生产。拜耳法提出后不久就取代了勒夏特列的办法,并和霍尔-埃罗过程连用,极大地提高了铝的产量。

拜耳法的经济效益由几点决定,一是铝土矿中所含三水铝石的比例,所含三水铝石越多,能源的消耗就越小;二是铝土矿中的铝硅比例,拜耳法将二氧化硅转化为水合铝硅酸钠,这一过程中损失了氧化铝和氢氧化钠,随着铝硅含量高的铝土矿储量逐渐匮乏,这一过程中损失的氧化铝和氢氧化钠也逐渐升高,已有研究者和公司提出了拜耳法结合烧结法的改进方案[4]。此外拜耳法会导致部分氢氧化钠进入赤泥,给赤泥带来了强腐蚀性,其PH高达11-12,这带来了严重的环境问题,比如2010年匈牙利艾卡炼铝厂赤泥堆场决堤,储存的赤泥冲入七个村庄,造成惨剧[5]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Harris, Chris; McLachlan, R. (Rosalie); Clark, Colin. Micro reform – impacts on firms: aluminium case study. Melbourne: Industry Commission. 1998. ISBN 0-646-33550-2. 
  2. ^ Christian Vargel. corrosion of aluminium. Elesvier. 2004: 3–4. 
  3. ^ Bayer, Karl Josef, German Patent 43,977 (August 03, 1 888).
  4. ^ Peter Smith (PDF). [2012-11-06]. (原始内容 (PDF)存档于2012年9月5日). 
  5. ^ Day, Matthew. Hungary threatened by 'ecological catastrophe' as toxic sludge escapes factory. Telegraph. 2010-10-05 [2012-11-06].