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拜耳法

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拜耳法(英語:Bayer process)是一種工業上廣泛使用的從鋁土礦生產氧化鋁的化工過程。1887年由奧地利工程師卡爾·約瑟夫·拜耳英語Carl Josef Bayer發明,其基本原理是用濃氫氧化鈉溶液將氫氧化鋁轉化為鋁酸鈉,通過稀釋和添加氫氧化鋁晶種使氫氧化鋁重新析出,剩餘的氫氧化鈉溶液重新用於處理下一批鋁土礦,實現了連續化生產。今日,世界上95%的鋁業公司都在使用拜耳法生產氧化鋁。

背景

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鋁土礦是最重要的一種鋁礦石,其中主要有三種含鋁物質:三水鋁石(Al(OH)3)、一水硬鋁石(α-AlO(OH))和勃姆石(γ-AlO(OH)),總的含鋁量為40%-75%。此外,還含有針鐵礦赤鐵礦、高嶺土(含二氧化硅)和少量的二氧化鈦[1] 拜耳法的目的就是除去鋁土礦中的鐵、硅、鈦等雜質,將幾種含鋁物質轉化為氧化鋁。

過程概述

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拜耳過程簡單流程圖,藍色代表鋁的成分,紅色球球代表鐵、硅等雜質

粉碎

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拜耳法的第一個過程是用粉碎機將鋁土礦的礦石粉碎成直徑為30毫米左右的顆粒,然後用水沖洗掉顆粒表面的粘土等雜質。沖洗過的這些顆粒與重複利用的,氫氧化鈉濃度為30%-40%的拜耳法余液相混合,藉助球磨形成固體粒徑在300微米以下的懸濁液。隨着粒徑逐漸變小,鋁土礦的比表面積大大增加,這有助於加快後續化學反應的速度。

溶出

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鋁土礦和高濃度氫氧化鈉溶液形成的懸浮液隨後進入反應釜,通過提高溫度和壓力使鋁土礦中的氧化鋁和氫氧化鈉反應,生成可以溶解的鋁酸鈉(NaAl(OH)4),這被稱為溶出,其方程式如下:

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 NaAl(OH)4

反應釜的溫度和壓力根據鋁土礦的組成決定。對於含三水鋁石較多的鋁土礦,可在常壓下,150度進行反應,而對於一水硬鋁石和勃姆石含量多的,則需要在加壓進行反應,常用條件為200到250度,30到40個大氣壓。 在和氫氧化鈉反應時,鋁土礦中所含的鐵的各種氧化物、氧化鈣和二氧化鈦基本不會和氫氧化鈉反應,形成了固體沉澱,留在反應釜底部,它們會被過濾掉,形成的濾渣呈紅色,被稱作赤泥,而鋁土礦中含有的二氧化硅雜質則會和氫氧化鈉反應,生成同樣溶於水的硅酸鈉。

SiO2 + 2 NaOH → Na2SiO3+H2O

為了除去硅酸鈉,拜耳法是通過緩慢加熱溶液,促使二氧化硅、氧化鋁和氫氧化鈉生成方鈉石結構水合鋁硅酸鈉,沉澱下來,然後過濾除掉,這樣一來,就只有鋁酸鈉留在上清液中。

析出氫氧化鋁

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熱的溶液進入冷卻裝置中,加水稀釋同時逐漸冷卻,鋁酸鈉會發生水解,生成氫氧化鋁,此時加入純的氧化鋁粉末,會析出白色的氫氧化鋁固體。

NaAl(OH)4 → Al(OH)3 + NaOH

有的廠家對這一步進行了改進,通入過量二氧化碳幫助產生氫氧化鋁。

NaAl(OH)4 + CO2→ Al(OH)3 + NaHCO3

過濾掉生成的氫氧化鋁後,剩餘的濃度仍然較高的氫氧化鈉溶液會循環利用,用於處理另一批鋁土礦,溶出氫氧化鋁。已經生產出的氫氧化鋁則在1000°C以上煅燒,可以分解成氧化鋁:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

具體煅燒溫度依據所需氧化鋁的晶型和粒徑來決定。生產的氧化鋁隨後可通過霍爾-埃魯法電解製取金屬鋁。

發展歷史與前景

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1855年法國化學家路易·勒夏特列首先提出了將鋁土礦和碳酸鈉的Na2CO3混合物加熱到1200°C,形成鋁酸鈉,之後將二氧化碳通入鋁酸鈉的溶液產生氫氧化鋁的辦法[2]。1880年代俄國纖維工業需要大量氧化鋁作媒染劑,在聖彼得堡工作的德國化學家卡爾·約瑟夫·拜耳提出了拜耳法並申請了專利[3],其最重要的改進有兩點,一是發現只要添加氫氧化鋁晶種,氫氧化鋁會從稀釋後的鹼液中慢慢沉澱出來;二是剩餘鹼液可以回收,提高濃度重新處理新的鋁土礦,實現了連續生產。拜耳法提出後不久就取代了勒夏特列的辦法,並和霍爾-埃羅過程連用,極大地提高了鋁的產量。

拜耳法的經濟效益由幾點決定,一是鋁土礦中所含三水鋁石的比例,所含三水鋁石越多,能源的消耗就越小;二是鋁土礦中的鋁硅比例,拜耳法將二氧化硅轉化為水合鋁硅酸鈉,這一過程中損失了氧化鋁和氫氧化鈉,隨着鋁硅含量高的鋁土礦儲量逐漸匱乏,這一過程中損失的氧化鋁和氫氧化鈉也逐漸升高,已有研究者和公司提出了拜耳法結合燒結法的改進方案[4]。此外拜耳法會導致部分氫氧化鈉進入赤泥,給赤泥帶來了強腐蝕性,其PH高達11-12,這帶來了嚴重的環境問題,比如2010年匈牙利艾卡煉鋁廠赤泥堆場決堤,儲存的赤泥沖入七個村莊,造成慘劇[5]

參見

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參考文獻

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  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]. (原始內容 (PDF)存檔於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]. (原始內容存檔於2019-06-17).