El proceso Bayer es el principal método industrial para refinar la bauxita y producir alúmina (óxido de aluminio) y fue desarrollado por Carl Josef Bayer . La bauxita, el mineral más importante de aluminio , contiene solo entre un 30 y un 60 % de óxido de aluminio ( Al2O3 ) , 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 refinarse para obtener aluminio.
El proceso Bayer también es 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 un 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 (302 a 392 °F). A estas temperaturas, el aluminio se disuelve como aluminato de sodio (principalmente [Al(OH) 4 ] − ) en un proceso de extracción. Después de separar el residuo mediante filtración, la gibbsita se precipita cuando el líquido se enfría y luego se siembra con cristales de hidróxido de aluminio de grano fino de extracciones anteriores. La precipitación puede tardar varios días sin la 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:
Sin embargo, los demás componentes de la bauxita no se disuelven. A veces [¿ cuándo? ] se añade cal en esta etapa para precipitar la sílice como silicato de calcio . La solución se clarifica filtrando las impurezas sólidas, normalmente con una trampa de arena rotatoria y con la ayuda de un floculante como el almidón , para eliminar las partículas finas. Los desechos no disueltos después de extraer los compuestos de aluminio, los relaves de bauxita , contienen óxidos de hierro , sílice , cal , titania y algo de alúmina sin reaccionar. El proceso original consistía en enfriar la solución alcalina y tratarla burbujeando dióxido de carbono a través de ella, un método por el cual precipita el hidróxido de aluminio :
Pero más tarde, esto dio paso a la siembra de la solución sobresaturada con cristales de hidróxido de aluminio de alta pureza (Al(OH) 3 ), lo que eliminó la necesidad de enfriar el líquido y fue más factible 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 policloruro de aluminio (PAC ) o el aluminato de sodio; una cantidad significativa también se utiliza como relleno en caucho y plásticos como retardante del fuego. Alrededor del 90% de la gibbsita producida se convierte en óxido de aluminio , Al2O3 , mediante calentamiento en hornos rotatorios o calcinadores instantáneos de fluidos a una temperatura de aproximadamente 1470 K (1200 °C; 2190 °F) .
La solución de aluminato de sodio sobrante, "gastada", se recicla. Además de mejorar la economía del proceso, el reciclaje acumula impurezas de galio y vanadio en los licores, de modo que se pueden extraer de forma rentable.
Las impurezas orgánicas que se acumulan durante la precipitación de la gibbsita pueden causar varios 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 de 10% de sílice, el proceso Bayer se vuelve antieconómico debido a la formación de silicato de sodio y aluminio insoluble , que reduce el rendimiento, por lo que se debe elegir otro proceso.
Se necesitan entre 1,7 y 3,3 toneladas (3800 y 7200 lb) de bauxita (que corresponden a aproximadamente el 90% del contenido de alúmina de la bauxita) para producir 0,91 toneladas (2000 lb) 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 es de entre 7 y 21 gigajulios por tonelada (0,88 a 2,65 kWh/lb) (según el proceso), de los cuales 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 y sodio con una composición química compleja, y por lo tanto es muy cáustico y una fuente potencial de contaminación. La cantidad de lodo rojo producido es considerable, y esto ha llevado a los 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.
Uno de los usos del barro rojo es la producción de cerámica. El barro rojo se seca y se convierte en un polvo fino que contiene hierro, aluminio, calcio y sodio. Se convierte en un riesgo para la salud cuando algunas plantas utilizan los desechos para producir óxidos de aluminio. [6]
En Estados Unidos, los desechos 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 los desechos 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 accidente en el que se derrumbó la presa occidental de su depósito de lodo rojo. El depósito se llenó con 700.000 metros cúbicos (25 millones de pies cúbicos) de una mezcla de lodo rojo y agua con un pH de 12. La mezcla se vertía en el valle del río Torna e inundaba partes de la ciudad de Devecser y los pueblos de Kolontár y Somlóvásárhely. El incidente provocó 10 muertos, más de cien heridos y contaminación de lagos y ríos. [8]
En 1859, Henri Étienne Sainte-Claire Deville en Francia desarrolló un método para fabricar alúmina calentando bauxita en carbonato de sodio, Na
2CO
3, a 1.200 °C (2.190 °F), lixiviando el aluminato de sodio formado con agua, luego precipitando el hidróxido de aluminio con dióxido de carbono , CO 2 , que luego se filtró y secó. Este proceso se conoce como el proceso Deville . En 1886, se inventó el proceso electrolítico de aluminio Hall-Héroult , y el proceso de cianuración se inventó en 1887.
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 en el teñido de algodón), Bayer descubrió en 1887 que el hidróxido de aluminio que precipitaba de una solución alcalina era cristalino y podía filtrarse y lavarse fácilmente, mientras que el precipitado de un medio ácido por neutralización era gelatinoso y difícil de lavar. [9] El éxito industrial de este proceso hizo que reemplazara al proceso Le Chatelier que se usaba para producir alúmina a partir de bauxita. [9] El proceso Deville fue abandonado en favor del proceso 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 evaporación instantánea y los reactores más grandes disminuyeron la cantidad de calor perdido. [9] La eficiencia se incrementó conectando los autoclaves para hacer que la operación fuera 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}}: CS1 maint: 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 específico de energía promedio es de alrededor de 14,5 GJ por tonelada de alúmina, incluida la energía eléctrica de alrededor de 150 kWh/t Al2O3.