El proceso Bayer es el principal medio industrial de refinar la bauxita para producir alúmina (óxido de aluminio) y fue desarrollado por Carl Josef Bayer . La bauxita, el mineral de aluminio más importante , contiene sólo entre un 30% y un 60% de óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), siendo el resto una mezcla de sílice , varios óxidos de hierro y dióxido de titanio . [1] El óxido de aluminio debe purificarse aún más antes de poder refinarlo y convertirlo en aluminio metálico.
El proceso Bayer es también la principal fuente de galio como subproducto a pesar de los bajos rendimientos de extracción.
El mineral de bauxita es una mezcla de óxidos de aluminio hidratados y compuestos de otros elementos como el hierro. Los compuestos de aluminio en la bauxita pueden estar presentes como gibbsita (Al(OH) 3 ), böhmita (γ-AlO(OH)) o diáspora (α-AlO(OH)); las diferentes formas del componente de aluminio y las impurezas dictan las condiciones de extracción. Los óxidos e hidróxidos de aluminio son anfóteros , lo que significa que son tanto ácidos como básicos. La solubilidad del Al(III) en agua es muy baja pero aumenta sustancialmente a pH alto o bajo. En el proceso Bayer, el mineral de bauxita se calienta en un recipiente a presión junto con una solución de hidróxido de sodio (sosa cáustica) a una temperatura de 150 a 200 °C. A estas temperaturas, el aluminio se disuelve como aluminato de sodio (principalmente [Al(OH) 4 ] − ) en un proceso de extracción. Después de la separación del residuo mediante filtración, la gibbsita precipita cuando se enfría el líquido y luego se siembra con cristales de hidróxido de aluminio de grano fino procedentes de extracciones anteriores. La precipitación puede durar varios días sin adición de cristales semilla. [2]
El proceso de extracción ( digestión ) convierte el óxido de aluminio del mineral en aluminato de sodio soluble, NaAlO 2 , según la ecuación química :
Este tratamiento también disuelve la sílice, formando silicato de sodio:
Los demás componentes de la bauxita, sin embargo, no se disuelven. A veces [ ¿ cuándo? ] En esta etapa se añade cal para precipitar la sílice como silicato de calcio . La solución se clarifica filtrando las impurezas sólidas, comúnmente con una trampa de arena giratoria y con la ayuda de un floculante como almidón , para eliminar las partículas finas. Los residuos no disueltos después de extraer los compuestos de aluminio, relaves de bauxita , contienen óxidos de hierro , sílice , calcia , titania y algo de alúmina sin reaccionar. El proceso original consistía en que la solución alcalina se enfriaba y se trataba burbujeando dióxido de carbono a través de ella, un método mediante el cual precipita hidróxido de aluminio :
Pero más tarde, esto dio paso a sembrar la solución sobresaturada con cristales de hidróxido de aluminio (Al(OH) 3 ) de alta pureza , lo que eliminó la necesidad de enfriar el líquido y fue más viable económicamente:
Parte del hidróxido de aluminio producido se utiliza en la fabricación de productos químicos para el tratamiento del agua, como el sulfato de aluminio , el PAC ( cloruro de polialuminio ) o el aluminato de sodio; Una cantidad significativa también se utiliza como relleno en caucho y plástico como retardante de fuego. Alrededor del 90% de la gibbsita producida se convierte en óxido de aluminio , Al 2 O 3 , calentándola en hornos rotatorios o calcinadores flash fluidos a una temperatura de aproximadamente 1470 K.
A continuación, se recicla la solución de aluminato de sodio sobrante y "gastada". Además de mejorar la economía del proceso, el reciclaje acumula impurezas de galio y vanadio en los licores, de modo que pueden extraerse de forma rentable.
Las impurezas orgánicas que se acumulan durante la precipitación de la gibbsita pueden causar diversos problemas, por ejemplo, altos niveles de materiales indeseables en la gibbsita, decoloración del licor y de la gibbsita, pérdidas del material cáustico y aumento de la viscosidad y densidad del fluido de trabajo.
Para las bauxitas que tienen más del 10% de sílice, el proceso Bayer se vuelve antieconómico debido a la formación de silicato de aluminio y sodio insoluble , lo que reduce el rendimiento, por lo que se debe elegir otro proceso.
Se necesitan entre 1,9 y 3,6 toneladas de bauxita (correspondiente a aproximadamente el 90% del contenido de alúmina de la bauxita) para producir 1 tonelada de óxido de aluminio. Esto se debe a que la mayor parte del aluminio del mineral se disuelve en el proceso. [2] El consumo de energía oscila entre 7 GJ/tonelada y 21 GJ/tonelada (dependiendo del proceso), de la cual la mayor parte es energía térmica. [3] [4] Más del 90% (95-96%) del óxido de aluminio producido se utiliza en el proceso Hall-Héroult para producir aluminio. [5]
El lodo rojo es el producto de desecho que se produce en la digestión de la bauxita con hidróxido de sodio. Tiene un alto contenido de hidróxido de calcio e hidróxido de sodio con una composición química compleja y, en consecuencia, es muy cáustico y una fuente potencial de contaminación. La cantidad de lodo rojo que se produce es considerable, y esto ha llevado a científicos y refinadores a buscarle usos. Ha recibido atención como una posible fuente de vanadio . Debido al bajo rendimiento de extracción, gran parte del galio termina en el óxido de aluminio como impureza y en el lodo rojo.
Un uso del barro rojo es en la producción de cerámica. El barro rojo se seca hasta formar un polvo fino que contiene hierro, aluminio, calcio y sodio. Se convierte en un riesgo para la salud cuando algunas plantas utilizan los residuos para producir óxidos de aluminio. [6]
En Estados Unidos, los residuos se eliminan en grandes embalses , una especie de depósito creado por una presa. Los embalses suelen estar revestidos con arcilla o revestimientos sintéticos. Estados Unidos no aprueba el uso de estos residuos debido al peligro que suponen para el medio ambiente. La EPA identificó altos niveles de arsénico y cromo en algunas muestras de lodo rojo. [7]
El 4 de octubre de 2010, la planta de alúmina de Ajka en Hungría sufrió un incidente en el que se derrumbó la presa occidental de su depósito de lodo rojo. El depósito se llenó con 700.000 m 3 de una mezcla de barro rojo y agua con un pH de 12. La mezcla se vertió en el valle del río Torna e inundó partes de la ciudad de Devecser y los pueblos de Kolontár y Somlóvásárhely. El incidente provocó 10 muertos, más de un centenar de heridos y contaminación de lagos y ríos. [8]
En 1859, Henri Étienne Sainte-Claire Deville en Francia desarrolló un método para producir alúmina calentando bauxita en carbonato de sodio, Na 2 CO 3 , a 1200 °C, lixiviando el aluminato de sodio formado con agua y luego precipitando hidróxido de aluminio con dióxido de carbono . CO 2 , que luego se filtró y secó. Este proceso se conoce como proceso de Deville . En 1886, se inventó el proceso electrolítico del aluminio de Hall-Héroult y en 1887 se inventó el proceso de cianuración .
El proceso Bayer fue inventado en 1888 por Carl Josef Bayer . [9] Trabajando en San Petersburgo, Rusia, para desarrollar un método para suministrar alúmina a la industria textil (se usaba como mordiente para teñir algodón), Bayer descubrió en 1887 que el hidróxido de aluminio que precipitaba de una solución alcalina era cristalino y podía ser Se filtró y lavó fácilmente, mientras que el precipitado del medio ácido por neutralización era gelatinoso y difícil de lavar. [9] El éxito industrial de este proceso hizo que reemplazara el proceso Le Chatelier que se utilizaba para producir alúmina a partir de bauxita. [9] El proceso de Deville fue abandonado en favor del proceso de Bayer, que marca el nacimiento del campo moderno de la hidrometalurgia .
Los aspectos de ingeniería del proceso se mejoraron para reducir el costo a partir de 1967 en Alemania y Checoslovaquia . [9] Esto se hizo aumentando la recuperación de calor y utilizando grandes autoclaves y tanques de precipitación. [9] Para utilizar la energía de manera más efectiva, se utilizaron intercambiadores de calor y tanques de flash y reactores más grandes redujeron la cantidad de calor perdido. [9] La eficiencia se incrementó al conectar los autoclaves para hacer la operación más eficiente. [9]
Hoy en día, el proceso produce casi todo el suministro mundial de alúmina como paso intermedio en la producción de aluminio.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )La energía requerida por el Proceso Bayer depende en gran medida de la calidad de la materia prima. El consumo medio específico de energía es de unos 14,5 GJ por tonelada de alúmina, incluida una energía eléctrica de unos 150 kWh/t Al2O3.