تولید پودر آلومینا و هیدروکسید آلومینیوم

تولید پودر آلومینا و هیدروکسید آلومینیوم

فرآیند بایر

فرآیند بایر (Bayer Process) برای تولید پودر تجاری آلومینا به کار می رود. البته روش های شیمیایی دیگری وجود داشته که خلوص بالاتر را می دهد که از جمله آن ها می توان به کلسینه نمودن نمک کمپلکس آلومینیم اشاره نمود. در فرآیند بایر بوکسیت بعد از خرد شدن تا ابعاد مش ۶۰ تا ۱۰۰ جهت حذف ناخالصی های رسی مورد شستشو قرار می گیرد. پودر بوکسیت شستشو داده شده به همراه محلول هیدرواکسید سدیم (۱۳۰ تا ۳۵۰ گرم Na2O بر لیتر) وارد محفظه اتوکلاو در فشار ۵ تا ۳۰ اتمسفر و دمای ۱۷۰ تا ۲۴۰ درجه سانتی گراد شده و تحت واکنش قرار می گیرد. بدین ترتیب عمل حل شدن به مدت ۲ تا ۸ ساعت تحت شرایط تلاطم مکانیکی انجام گرفته که در نتیجه آن یون های سدیم و AlO2 شکل می گیرد:

Al(OH)3+NaOH→AlO2+Na++2H2O

AlO(OH)+OH+H2O→[AlO(OH)2]

به عبارتی هیدرواکسیدهای آلومینیم در هیدرواکسید سدیم حل شده و نمک آلومینیم NaAl(OH)4 شکل می گیرد در حالی که ناخالصی های همراه بوکسیت مانند TiO2، SiO2 و Fe2O3 و غیره به صورت ترکیبات کمپلکس مانند SiO2.Fe(OH)3 در آمده و در تغلیظ کننده های ثقلی به صورت لجن قرمز ته نشین می شود. بوکسیت های حاوی گیبسیت به علت قابلیت انحلال بالاتر می توان عملیات انحلال را با محلول سود با غلظت کمتر، در دمای پایین تر و در زمان کوتاه تری نسبت به بوکسیت های حاوی بوهمیت γ-AlO(OH) و دیاسپور α-AlO(OH) انجام داد. جدول زیر شرایط لیچینگ بوکسیت با سود سوز آور را با توجه به نوع مینرال تشکیل دهنده نشان می دهد:

کانه دما (oC) فشار (KPa) g/lit NaOH زمان
گیبسیت ۱۴۰ ۴۰۰ ۱۴۰ ۱
بوهمیت ۱۸۰ ۸۰۰ ۳۵۰-۶۰۰ ۲-۴
دیاسپور ۱۸۰ ۸۰۰ ۳۵۰-۶۰۰ ۲-۴

به طور کلی هر اندازه غلظت سود بیشتر باشد سرعت انحلال بالاتر بوده اما در مراحل بعدی جهت رسوب دهی لازم است محلول را رقیق نمود زیرا غلظت بالای سود مشکلاتی در جابجایی حجم زیادی از محلول و فیلتراسیون ایجاد می نماید. معمولا مصرف محلول سود تجاری مقرون به صرفه نبوده و محلول سود مصرفی به واسطه واکنش بین کربنات سدیم و هیدرواکسید کلسیم در همان اتوکلاو انحلال بوکسیت به صورت در جا تولید می شود:

Na2CO3+Ca(OH)2→۲ NaOH+CaCO3

برای تولید Ca(OH)2 به محلول لیچ مقدار کافی آهک اضافه می شود تا محلول با غلظت ۱۴۰ گرم بر لیتر NaOH حاصل شود.

محلول لیچ به دست آمده را سرد می کنند تا حالت فوق اشباع پیدا کند. محلول را همزمان با آب رقیق می کنند تا واکنش بالا در جهت عکس صورت گرفته و رسوب Al(OH)3 شکل گیرد. برای تسریع در تشکیل رسوب مقداری مواد جوانه زا مانند هیدرواکسید آلومینیم خالص اضافه می شود تا نقش هسته گذاری یا جوانه زا را داشته باشد. در مواردی گاز دی اکسید کربن نیز از محلول عبور داده شده که در این صورت عمل رسوب هیدرواکسید آلومینیم طبق واکنش زیر صورت می پذیرد:

۲NaAlO2+CO2+3H2O → NaCO3+2Al(OH)3

رسوب ایجاد شده پودر متبلور سفید رنگ از نوع آلومینای هیدراته بوده و دارای ۶۵ درصد آلومینا و ۳۶ درصد آب مولکولی و حداکثر ۰٫۴ درصد اکسید سدیم می باشد و بسته به میزان pH هیدرواکسید رسوب نموده از نظر ساختار کریستالی متفاوت است. در pH>9 رسوب هیدرواکسیدی شامل تک کریستال گیبسیت و در pH<9 مخلوطی از گیبسیت و بوهمیت خواهد بود. رسوب هیدرواکسید مورد فیلتراسیون، شستشو، خشک کردن و آسیا نمودن قرار گرفته به طوری که دانه بندی ۱۰ تا ۱۰۰ میکرون و خلوص ۹۹٫۵ درصد حاصل شود. برای این منظور تدابیر زیر در نظر گرفته می شود:

۱- رسوب گیری از محلول آلومینات سدیم در دماهای پایین

۲- رسوب گیری از محلول آلومینات سدیم رقیق

۳- رسوب گیری از طریق خنثی سازی محلول آلومینات با H2SO4، CO2 و NaHCO3

۴- رسوب گیری از محلول نمک آلومینیم به کمک ترکیبات قلیایی مانند NH3 و یا آمین ها (اندازه ذرات کمتر از یک میکرون با سطح ویژه ۶۰ متر مربع بر گرم)

پودر هیدروکسید آلومینیم را می توان به وسیله واکنش بین محلول های AlCl3.6H2O و NH4OH با pH=8.5 – 9.5 به دست آورد که با شستشو با آب کلرید آمونیوم حذف می شود. با اضافه کردن α-Al2O3 خالص به محلول AlCl3 به عنوان جوانه زا واکنش رسوب تسریع می شود:

AlCl3.6H2O+3NH4OH= Al(OH)3+3NH4Cl+6H2O

هیدرواکسید آلومینیم بسته به نوع مینرال اصلی تشکیل دهنده آن در دماهای مختلفی مورد کلسیناسیون قرار می گیرد. به طوری که برای گیبسیت دمای ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد، دیاسپور ۴۵۰ درجه سانتی گراد و بوهمیت ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد می باشد. اما از آن جایی که قسمت اعظم هیدرواکسید رسوب نموده از نوع گیبسیت می باشد معمولا عملیات حرارتی تکلیس در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد انجام می گیرد تا اینکه با جدا شدن آب ساختمانی اکسید آلومینیم از نوع α-Al2O3 با خلوص ۹۹٫۵ درصد شکل بگیرد. پودر آلومینای به دست آمده از نوع α-Al2O3 کمترین سطح ویژه را داشته، نسبتا درشت دانه بوده و از دمای اطاق تا نقطه ذوب هیچ گونه تغییر فازی از خود نشان نمی دهد. ناخالصی های در پودر آلومینای فرآیند بایر معمولا دارای ترکیب درصد زیر هستند:

۰٫۰۲ SiO2, 0.04 Fe2O3, 0.035 CaO, 0.45 Na2O, 0.11 MgO

بسته به پارامتر های فرآیند دو نوع آلومینای کم سدیم و سدیم دار حاصل می شود که در حالت کم سدیم مقدار Na2O تا ۰٫۰۲ درصد کاهش یافته و خلوص آن به ۹۹٫۸ درصد می رسد. حضور Na2O به صورت آلومینات سدیم در آلومینا قابلیت سایندگی آن را کاهش می دهد. با انجام یک عملیات حرارتی در ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد مقدار زیادی از اکسید سدیم بخار می شود.

در ضمن فرآیند تکلیس محصولات واسطه ای مانند θ-Al2O3 در ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد شکل گرفته که کنترل کننده مکانیزم جوانه زنی و رشد می باشد اما در دماهای بالاتر به α-Al2O3 تبدیل می شود. با حضور α-Al2O3 اولیه دمای انتقال θ-Al2O3 کاهش یافته و سرعت انتقال آن را افزایش می دهد. مطالعات اشعه X نشان می دهد که در ابتدا تک کریستال دی هیدرات تشکیل شده که با حرارت دادن در دمای ۲۹۰ درجه سانتی گراد به η-Al2O3  و در دمای ۸۰۰ درجه سانتی گراد به θ-Al2O3 تبدیل می شود که در منحنی ترموگراف این واکنش به صورت تغییر در شیب منحنی ظاهر می شود و در نهایت در دمای ۱۲۸۵ درجه سانتی گراد به α-Al2O3 تبدیل می شود.

اگر آهن موجود در بوکسیت به شکل سیدریت باشد (FeCO3) در NaOH حل شده و به سختی ته نشین می شود؛ بنابراین لازم است این ابتدا اکسیده شده و طی عمل لیچ به فریک (Fe2O3) تبدیل شود. سیلیس به شکل کوارتز یا رس در بوکسیت حضور دارد. در شکل کوارتز غیر قابل حل بوده ولی به شکل سیلیکات (سیلیس فعال) محلول بوده و در طی انحلال با Al و NaOH تلفیق شده، تشکیل آلومینوسیلیکات هیدراته نامحلول داده و ته نشین می گردد که تلفات Al2O3 را به همراه دارد. برای رسوب کامل سیلیکات ها افزایش آهک توصیه شده زیرا تشکیل سیلیکات کلسیم نامحلول می دهد. بنا به دلایل گفته شده سیلیس فعال موجود در کانی نباید از ۵% فراتر رود در غیر این صورت باعث افزایش مصورف سود سوزآور شده و میزان تولید آلومینا نیز کاهش می یابد. از طرفی نیاز به تکنیک های پیچیده تری داشته که منجر به افزایش هزینه تولید می شود. جدول زیر آنالیز بوکسیت اولیه، لجن قرمز و آلومینای فرآوری شده را نشان می دهد:

آنالیز بوکسیت اولیه ، لجن قرمز و آلومینای فرآوری شده

آلومینای کلسینه شده (%) گل قرمز خشک شده در۱۰۵ درجه سانتی گراد بوکسیت (%) ترکیب شیمیایی
۹۹٫۵ ۱۴ ۵۷٫۸ Al2O3
۰٫۰۵ ۷٫۶ ۳٫۵ SiO2
۰٫۰۴ ۵۷٫۶ ۲۴٫۳ Fe2O3
۵٫۷ ۲٫۵ TiO2
۰٫۱۸ ۷٫۴ Na2O
۰٫۱۸ ۷٫۷ L.O.I

شکل زیر فرآیند بایر را به طور شماتیک نشان می دهد. پودر آلومینای بایر در مقایسه با آلومینای تولید شده از سایر روش ها مانند روش اکسالون آمونیوم (با ناخالصی ۲۰۰ ppm و سطح ویژه ۶ متر مربع بر گرم) ناخالصی بیشتری داشته و درشت تر است.

Bayer process ،فرآیند بایر

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

مهدی کلانتر، سرامیک های سازه ای دما بالا، انتشارات دانشگاه یزد، ۱۳۸۷٫

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

شروع چت
چه کمکی می تونم بکنم؟
سلام
چه کمکی از دستمون بر میاد؟