عملية باير

الموسوعة الحرة

تُعدّ عملية باير الوسيلة الصناعية الرئيسية لتكرير البوكسيت لإنتاج الألومينا (أكسيد الألومنيوم) ، وقد طوّرها كارل جوزيف باير . يحتوي البوكسيت، وهو أهم خام للألومنيوم ، على 30-60% فقط من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃ ) ، أما الباقي فهو خليط من السيليكا وأكاسيد الحديد المختلفة وثاني أكسيد التيتانيوم . [ 1 ] يجب تنقية أكسيد الألومنيوم بشكل إضافي قبل تكريره إلى ألومنيوم.

وتُعد عملية باير أيضاً المصدر الرئيسي للغاليوم كمنتج ثانوي على الرغم من انخفاض معدلات الاستخلاص.

عملية

مخطط تدفق عمليات باير

خام البوكسيت عبارة عن خليط من أكاسيد الألومنيوم المائية ومركبات عناصر أخرى كالحديد. قد توجد مركبات الألومنيوم في البوكسيت على شكل جبسيت (Al(OH) ₃ )، أو بوهيميت (γ-AlO(OH))، أو دياسبور (α-AlO(OH))؛ وتحدد الأشكال المختلفة لمكون الألومنيوم والشوائب ظروف الاستخلاص. أكاسيد وهيدروكسيدات الألومنيوم مذبذبة ، أي أنها حمضية وقاعدية في آن واحد. ذوبانية أيونات الألومنيوم الثلاثي (Al(III)) في الماء منخفضة جدًا، لكنها تزداد بشكل ملحوظ عند ارتفاع أو انخفاض الرقم الهيدروجيني. في عملية باير، يُسخّن خام البوكسيت في وعاء ضغط مع محلول هيدروكسيد الصوديوم (الصودا الكاوية) عند درجة حرارة تتراوح بين 150 و200 درجة مئوية (302 إلى 392 درجة فهرنهايت) . عند هذه الدرجات الحرارية، يذوب الألومنيوم على شكل ألومينات الصوديوم (بشكل أساسي [Al(OH) ₄ ] ⁻ ) في عملية استخلاص. بعد فصل البقايا بالترشيح، يترسب الجبسيت عند تبريد السائل ثم يُلقح ببلورات هيدروكسيد الألومنيوم الدقيقة من عمليات استخلاص سابقة. قد تستغرق عملية الترسيب عدة أيام دون إضافة بلورات بذرة. [ ٢ ]  

تقوم عملية الاستخلاص ( الهضم ) بتحويل أكسيد الألومنيوم الموجود في الخام إلى ألومينات الصوديوم القابلة للذوبان، NaAlO 2 ، وفقًا للمعادلة الكيميائية التالية :

Al 2 O 3 •2H 2 O+ 2NaOH → 2NaAlO 2 + 3H 2 O

كما تعمل هذه المعالجة على إذابة السيليكا، مما يؤدي إلى تكوين سيليكات الصوديوم  :

2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + H 2 O

أما المكونات الأخرى للبوكسيت فلا تذوب. يُضاف الجير أحيانًا في هذه المرحلة لترسيب السيليكا على شكل سيليكات الكالسيوم . يُصفّى المحلول بترشيح الشوائب الصلبة، عادةً باستخدام مصيدة رمل دوارة وبمساعدة مادة مُرَسِّبة مثل النشا ، لإزالة الجزيئات الدقيقة. تحتوي المخلفات غير الذائبة بعد استخلاص مركبات الألومنيوم، وهي مخلفات البوكسيت ، على أكاسيد الحديد والسيليكا والكالسيوم والتيتانيا وبعض الألومينا غير المتفاعلة. في الأصل، كان يُبرَّد المحلول القلوي ويُعالَج بتمرير غاز ثاني أكسيد الكربون فيه، مما يؤدي إلى ترسيب هيدروكسيد الألومنيوم.

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

لكن في وقت لاحق، أدى ذلك إلى تلقيح المحلول فوق المشبع ببلورات هيدروكسيد الألومنيوم عالي النقاء (Al(OH) 3 )، مما ألغى الحاجة إلى تبريد السائل وكان أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية:

2 H 2 O + NaAlO 2 → Al(OH) 3 + NaOH

يُستخدم جزء من هيدروكسيد الألومنيوم المُنتَج في تصنيع مواد كيميائية لمعالجة المياه، مثل كبريتات الألومنيوم ، وكلوريد الألومنيوم متعدد التكافؤ (PAC ) ، وألومينات الصوديوم؛ كما تُستخدم كمية كبيرة منه كحشو في المطاط والبلاستيك كمادة مثبطة للاشتعال. ويتم تحويل حوالي 90% من الجبسيت المُنتَج إلى أكسيد الألومنيوم ( Al₂O₃ ) عن طريق التسخين في أفران دوارة أو أفران تكليس سريعة التسخين إلى درجة حرارة تبلغ حوالي 1470 كلفن (1200 درجة مئوية؛ 2190 درجة فهرنهايت) .   

2 آل(OH) 3 → آل 2 يا 3 + 3 ح 2 يا

ثم يُعاد تدوير محلول ألومينات الصوديوم المتبقي. وإلى جانب تحسين اقتصاديات العملية، تُسهم إعادة التدوير في تراكم شوائب الغاليوم والفاناديوم في المحاليل، مما يُتيح استخلاصها بشكل مربح .

قد تتسبب الشوائب العضوية التي تتراكم أثناء ترسيب الجبسيت في مشاكل مختلفة، على سبيل المثال المستويات العالية من المواد غير المرغوب فيها في الجبسيت، وتغير لون السائل والجبسيت، وفقدان المواد الكاوية، وزيادة لزوجة وكثافة سائل التشغيل.

بالنسبة للبوكسيت الذي يحتوي على أكثر من 10٪ من السيليكا، تصبح عملية باير غير اقتصادية بسبب تكوين سيليكات الصوديوم والألومنيوم غير القابلة للذوبان ، مما يقلل من الإنتاجية، لذلك يجب اختيار عملية أخرى.

يتطلب إنتاج 0.91 طن (2000 رطل) من أكسيد الألومنيوم ما بين 1.7 و3.3 طن (3800-7200 رطل) من البوكسيت (ما يعادل حوالي 90% من محتوى الألومينا فيه) . ويعود ذلك إلى ذوبان معظم الألومنيوم الموجود في الخام خلال العملية. [ 2 ] يتراوح استهلاك الطاقة بين 7 و21 جيجا جول لكل طن (0.88 إلى 2.65 كيلوواط ساعة/رطل) (بحسب العملية)، ومعظمها طاقة حرارية. [ 3 ] [ 4 ] يُستخدم أكثر من 90% (95-96%) من أكسيد الألومنيوم المُنتَج في عملية هول-هيرولت لإنتاج الألومنيوم. [ 5 ]   

يضيع

الطين الأحمر هو ناتج ثانوي ينتج عن عملية هضم البوكسيت باستخدام هيدروكسيد الصوديوم. يتميز بمحتوى عالٍ من الكالسيوم وهيدروكسيد الصوديوم، وتركيب كيميائي معقد، مما يجعله مادة كاوية للغاية ومصدرًا محتملاً للتلوث. تُنتج كميات كبيرة من الطين الأحمر، الأمر الذي دفع العلماء ومصافي النفط إلى البحث عن استخدامات له. وقد حظي باهتمام خاص كمصدر محتمل للفاناديوم . ونظرًا لانخفاض مردود الاستخلاص، ينتهي المطاف بمعظم الغاليوم في أكسيد الألومنيوم كشوائب، وكذلك في الطين الأحمر.

يُستخدم الطين الأحمر في صناعة السيراميك. يجف الطين الأحمر ليصبح مسحوقًا ناعمًا يحتوي على الحديد والألومنيوم والكالسيوم والصوديوم. ويُصبح خطرًا على الصحة عندما تستخدم بعض المصانع هذه المخلفات لإنتاج أكاسيد الألومنيوم. [ 6 ]

في الولايات المتحدة، تُتخلص من النفايات في أحواض كبيرة ، وهي نوع من الخزانات التي تُنشأ بواسطة السدود. وعادةً ما تُبطّن هذه الأحواض بالطين أو بطانات صناعية. ولا تُجيز الولايات المتحدة استخدام هذه النفايات لما تُشكّله من خطر على البيئة. وقد رصدت وكالة حماية البيئة الأمريكية مستويات عالية من الزرنيخ والكروم في بعض عينات الطين الأحمر. [ 7 ]

حادث في مصنع أجكا للألومينا

آثار الانسكاب

في الرابع من أكتوبر/تشرين الأول عام 2010، شهد مصنع أجكا للألومينا في المجر حادثة انهيار السد الغربي لخزان الطين الأحمر. كان الخزان ممتلئًا بـ 700 ألف متر مكعب (25 مليون قدم مكعب) من خليط الطين الأحمر والماء بدرجة حموضة 12. تسرب الخليط إلى وادي نهر تورنا، مما أدى إلى فيضان أجزاء من مدينة ديفيتشر وقريتي كولونتار وسوملوفاسارهيلي. أسفر الحادث عن 10 وفيات وأكثر من مئة إصابة، بالإضافة إلى تلوث البحيرات والأنهار. [ 8 ] 

تاريخ

في عام 1859، طور هنري إتيان سانت كلير دوفيل في فرنسا طريقة لصنع الألومينا عن طريق تسخين البوكسيت في كربونات الصوديوم، Na2 COفي الخطوة الثالثة ، عند1200درجة مئوية (2190درجة فهرنهايت)، يتم ترشيح ألومينات الصوديوم المتكونة بالماء، ثم ترسيب هيدروكسيد الألومنيوم باستخدامثاني أكسيد الكربون(CO₂)، والذي يُرشح ويُجفف بعد ذلك. تُعرف هذه العملية باسمعملية ديفيل-بيشيني. في عام 1886،تم اختراععملية هول-هيرولت التحليلية للألومنيومعملية السيانيد.  

ابتكر كارل جوزيف باير عملية باير عام 1888. [ 9 ] أثناء عمله في سانت بطرسبرغ بروسيا لتطوير طريقة لتزويد صناعة النسيج بالألومينا (حيث كانت تُستخدم كمادة مثبتة في صباغة القطن)، اكتشف باير عام 1887 أن هيدروكسيد الألومنيوم المترسب من المحلول القلوي كان بلوريًا ويمكن ترشيحه وغسله بسهولة، بينما كان المترسب من الوسط الحمضي عن طريق التعادل هلاميًا ويصعب غسله. [ 9 ] أدى النجاح الصناعي لهذه العملية إلى استبدالها بعملية ديفيل-بيشيني، [ 9 ] مما شكل ميلاد مجال علم استخلاص المعادن بالماء الحديث .

تم تحسين الجوانب الهندسية للعملية لخفض التكلفة بدءًا من عام 1967 في ألمانيا وتشيكوسلوفاكيا . [ 9 ] وقد تم ذلك من خلال زيادة استعادة الحرارة واستخدام أجهزة تعقيم كبيرة الحجم وخزانات ترسيب. [ 9 ] وللاستخدام الأمثل للطاقة، تم استخدام مبادلات حرارية وخزانات تبخير سريع، كما ساهمت المفاعلات الأكبر حجمًا في تقليل كمية الحرارة المفقودة. [ 9 ] وتم رفع الكفاءة عن طريق ربط أجهزة التعقيم لزيادة كفاءة التشغيل. [ 9 ]

اليوم، تنتج هذه العملية تقريباً كل إمدادات الألومينا في العالم كخطوة وسيطة في إنتاج الألومنيوم.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هاريس، كريس؛ ماكلاكلان، ر. (روزالي)؛ كلارك، كولين (1998). الإصلاح الجزئي - آثاره على الشركات: دراسة حالة الألومنيوم . ملبورن: لجنة الصناعة. ISBN 978-0-646-33550-6.
  2. 1 2 هند، أندرو ر.؛ بهارجافا، سوريش ك.؛ جروكوت، ستيفن س. (يناير 1999). "الكيمياء السطحية للمواد الصلبة في عملية باير: مراجعة". الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 146 ( 1-3 ): 359-374 . doi : 10.1016/S0927-7757(98)00798-5 .
  3. ↑ أليسيو أنجيلو سكارسيلا، سونيا نواك، إدغار غاسافي، كورنيليس كليت، أندرياس كوشنيك (2015). "الطاقة في تكرير الألومينا: وضع حدود جديدة". المعادن الخفيفة 2015. ص 131-136 . doi : 10.1007/978-3-319-48248-4_24 . ISBN  978-3-319-48610-9.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  4. ↑ "كفاءة الطاقة" . تعتمد الطاقة المطلوبة لعملية باير بشكل كبير على جودة المواد الخام. يبلغ متوسط ​​استهلاك الطاقة النوعي حوالي 14.5 جيجا جول لكل طن من الألومينا، بما في ذلك الطاقة الكهربائية التي تبلغ حوالي 150 كيلوواط ساعة/طن من Al2O3.
  5. ↑ "عملية صهر الألومنيوم" . إنتاج الألومنيوم . Aluminiumproduction.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أبريل 2018 .
  6. ↑ هند، أندرو ر.؛ بهارجافا، سوريش ك.؛ جروكوت، ستيفن س. (1999). "الكيمياء السطحية للمواد الصلبة في عملية باير: مراجعة". الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 146 ( 1-3 ): 359-374 . doi : 10.1016/S0927-7757(98)00798-5 .
  7. ↑ "TENORM: مخلفات إنتاج البوكسيت والألومينا" . وكالة حماية البيئة الأمريكية . وكالة حماية البيئة الأمريكية. 22 أبريل 2015. تاريخ الاطلاع: 12 أبريل 2018 .
  8. ↑ رويترز، ستيفان؛ ميرتنز، جيلي؛ فاسيليفا، إلفيرا؛ ديهاندشتر، بوريس؛ بوفيجين، أندريه؛ سمولدرز، إريك (2011). "حادثة الطين الأحمر في أيكا (المجر): سمية النباتات والتوافر الحيوي للمعادن النزرة في التربة الملوثة بالطين الأحمر" (ملف PDF) . العلوم والتكنولوجيا البيئية . 45 (4): 1616-1622 . Bibcode : 2011EnST...45.1616R . doi : 10.1021/es104000m . PMID 21204523 . 
  9. 1 2 3 4 5 6 7 "عملية باير لإنتاج الألومينا: إنتاج تاريخي" (ملف PDF) . scs.illinois.edu . فتحي حبشي، جامعة لافال . تاريخ الاطلاع: 6 أبريل 2018 .