1概況

所謂的拜耳法是因為是它是K.J.拜耳在1889-1892年提出而得名的,一百年來它已經有了許多改進,但仍然習慣地沿用著拜耳法這外名字。
拜耳法用在處理低硅鋁土礦,特別是用在處理三水鋁石型鋁土礦時,流程簡單,作業方便,產品質量高,其經濟效果遠非其它方法所能比美,目前全世界生產的氧化鋁和氫氧化鋁,有90%以上是用拜耳法生產的。
拜耳法包括兩個主要的過程,也就拜耳提出的兩項專利,一項是他發現氧化鈉與氧化鋁摩爾比為1.8的鋁酸鈉溶液在常溫下,只要添加氫氧化鋁作為晶種,不斷攪拌,溶液中的氧化鋁便可以呈氫氧化鋁徐徐析出,直到其中氧化鈉與氧化鋁的摩爾比提高至6,已經析出了大部分氫氧化鋁溶液,在加熱時,又可以溶出鋁土礦中的氧化鋁水和物,這也就是利用種分母液溶出鋁土礦的過程,交替使用這兩個過程就能夠一批批地處理鋁土礦,從中得出純的氫氧化鋁產品,構成所謂的拜耳法循環。
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2原理

在加熱到一定溫度下,苛性鹼溶液溶出鋁土礦中的氧化鋁:
Al2O3 ·H2O+2NaOH+(3 - n)H2O → 2NaAl(OH)4
所得的鋁酸鈉溶液在稀釋和冷卻的情況下分解並析出氫氧化鋁:
NaAl(OH)4 === Al(OH)3+NaOH
前一過程叫溶出,后一過程叫分解。分解后含苛性鹼的母液再返回溶出新的鋁土礦。

3過程概述

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。隨著粒徑逐漸變小,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。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氫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 → 2 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。
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后,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-埃羅過程電解製取金屬鋁。

4生產工藝

拜耳法主要分為溶出、分解和煅燒三個階段,主要由破碎和濕磨、鋁土礦溶出、赤泥分離與洗滌、鋁酸鈉溶液加種子分解、鋁分解母液蒸發、氧化鋁生產中碳酸鈉苛化回收、氫氧化鋁煅燒等過程組成。
用拜耳法生產1t 氧化鋁一般需用礦石1.7~3.4t,鹼耗(NaOH)60~150kg,電耗200~350kW·H ,總能耗7.4~32.6GJ。
拜耳法生產工藝流程圖

  拜耳法生產工藝流程圖

5適用性

根據鋁土礦中硅礦物在溶出過程中的產物(水合鋁硅酸鈉Na2O·Al2O3·1.7SiO2·H2O)的組成,每溶出1份(質量)SiO2 ,便會損失1份Al2O3和0.6份Na2O。工業生產要求氧化鋁的總回收率必須在80%以上,處理過程中氧化鋁的機械損失按3%~5%計,則氧化鋁的理論溶出率應大於83%~85%。因此,拜耳法適用於處理鋁硅比大於6~7的一水軟鋁石型鋁土礦或一水硬鋁石型鋁土礦。對三水鋁石型鋁土礦只需考慮其可反應的氧化硅量。對中等品位的鋁土礦則以採用拜耳一燒結聯合法較為經濟。

6發展歷史

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。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,其最重要的改進有兩點,一是發現只要添加氫氧化鋁晶種,氫氧化鋁會從稀釋后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。拜耳法提出后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。

7發展前景

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,隨著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。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
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