拜耳法
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
[編輯]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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粉碎
[編輯]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
[編輯]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的水合鋁硅酸鈉，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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ Harris, Chris; McLachlan, R. (Rosalie); Clark, Colin. Micro reform – impacts on firms: aluminium case study. Melbourne: Industry Commission. 1998. ISBN 0-646-33550-2.
- ^ Christian Vargel. corrosion of aluminium. Elesvier. 2004: 3-4.
- ^ Bayer, Karl Josef, German Patent 43,977 (August 03, 1 888).
- ^ Peter Smith (PDF). [2012-11-06]. （原始內容 (PDF)存檔於2012年9月5日）.
- ^ 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）.
- Habashi, F. A short history of hydrometallurgy. Hydrometallurgy. 2005, 79: 15–22. doi:10.1016/j.hydromet.2004.01.008.
- François Cardarelli. Materials Handbook: A Concise Desktop Reference. Springer. 2008: 166–168.