Processus Bayer - Bayer process

Le procédé Bayer est le principal moyen industriel de raffinage de la bauxite pour produire de l' alumine (oxyde d'aluminium) et a été développé par Carl Josef Bayer . La bauxite, le minerai d' aluminium le plus important , ne contient que 30 à 60 % d'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3 ), le reste étant un mélange de silice , de divers oxydes de fer et de dioxyde de titane . L'oxyde d'aluminium doit être purifié avant de pouvoir être raffiné en aluminium métallique.

Traiter

Le procédé Bayer

Le minerai de bauxite est un mélange d'oxydes d'aluminium hydraté et de composés d'autres éléments tels que le fer. Les composés d'aluminium dans la bauxite peuvent être présents sous forme de gibbsite 2(Al(OH) 3 ), de böhmite (γ-AlO(OH)) ou de diaspora (α-AlO(OH)); les différentes formes du composant aluminium et les impuretés dictent les conditions d'extraction. Les oxydes et hydroxydes d'aluminium sont amphotères , c'est-à-dire qu'ils sont à la fois acides et basiques. La solubilité de l'Al(III) dans l'eau est très faible mais augmente considérablement à pH élevé ou faible. Dans le procédé Bayer, le minerai de bauxite est chauffé dans un récipient sous pression avec une solution d' hydroxyde de sodium (soude caustique) à une température de 150 à 200 °C. À ces températures, l' aluminium est dissous sous forme d'aluminate de sodium (principalement [Al(OH) 4 ] ) dans un processus d'extraction. Après séparation du résidu par filtration, la gibbsite est précipitée lorsque le liquide est refroidi puis ensemencée avec des cristaux d'hydroxyde d'aluminium à grains fins issus des extractions précédentes. La précipitation peut prendre plusieurs jours sans ajout de germes cristallins.

Le procédé d'extraction convertit l'oxyde d'aluminium du minerai en aluminate de sodium soluble, NaAlO 2 , selon l' équation chimique :

Al 2 O 3 + 2 NaOH → 2 NaAlO 2 + H 2 O

Ce traitement dissout également la silice, formant du silicate de sodium :

2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + H 2 O

Les autres composants de la bauxite, cependant, ne se dissolvent pas. Parfois, de la chaux est ajoutée à ce stade pour précipiter la silice sous forme de silicate de calcium . La solution est clarifiée en filtrant les impuretés solides, généralement avec un dessableur rotatif et à l'aide d'un floculant tel que l' amidon , pour éliminer les fines particules. Les déchets non dissous après l'extraction des composés d'aluminium, les résidus de bauxite , contiennent des oxydes de fer , de la silice , du calcaire , de l' oxyde de titane et de l'alumine n'ayant pas réagi. Le processus original consistait à refroidir la solution alcaline et à la traiter en y faisant barboter du dioxyde de carbone, une méthode par laquelle l'hydroxyde d'aluminium précipite :

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

Mais plus tard, cela a cédé la place à l'ensemencement de la solution sursaturée avec des cristaux d'hydroxyde d'aluminium de haute pureté (Al(OH) 3 ), ce qui a éliminé le besoin de refroidir le liquide et était plus économiquement réalisable :

2 H 2 O + NaAlO 2 → Al(OH) 3 + NaOH

Une partie de l'hydroxyde d'aluminium produit est utilisée dans la fabrication de produits chimiques de traitement de l'eau tels que le sulfate d'aluminium , le PAC ( chlorure de polyaluminium ) ou l'aluminate de sodium ; une quantité importante est également utilisée comme charge dans le caoutchouc et les plastiques comme ignifuge. Environ 90 % de la gibbsite produite est convertie en oxyde d'aluminium , Al 2 O 3 , par chauffage dans des fours rotatifs ou des calcinateurs à fluide éclair à une température d'environ 1470 K.

2 Al(OH) 3Al 2 O 3 + 3 H 2 O

La solution d'aluminate de sodium "usée" restante est ensuite recyclée. En plus d'améliorer l'économie du procédé, le recyclage accumule les impuretés de gallium et de vanadium dans les liqueurs, de sorte qu'elles peuvent être extraites de manière rentable.

Les impuretés organiques qui s'accumulent au cours de la précipitation de la gibbsite peuvent causer divers problèmes, par exemple, des niveaux élevés de matières indésirables dans la gibbsite, une décoloration de la liqueur et de la gibbsite, des pertes de matière caustique et une augmentation de la viscosité et de la densité du produit de travail. fluide.

Pour les bauxites ayant plus de 10 % de silice, le procédé Bayer devient peu économique en raison de la formation de silicate d'aluminium et de sodium insoluble , ce qui réduit le rendement, il faut donc choisir un autre procédé.

1,9 à 3,6 tonnes de bauxite sont nécessaires pour produire 1 tonne d'oxyde d'aluminium. Cela est dû au fait que la majorité de l'aluminium dans le minerai est dissous dans le processus. La consommation d'énergie est comprise entre 7 GJ/tonne et 21 GJ/tonne (selon le procédé), dont la majeure partie est de l'énergie thermique. Plus de 90 % (95-96 %) de l'oxyde d'aluminium produit est utilisé dans le procédé Hall-Héroult pour produire de l'aluminium.

Déchets

La boue rouge est le déchet produit lors de la digestion de la bauxite avec de l'hydroxyde de sodium. Il a une teneur élevée en calcium et en hydroxyde de sodium avec une composition chimique complexe, et est donc très caustique et une source potentielle de pollution. La quantité de boue rouge produite est considérable, ce qui a conduit les scientifiques et les raffineurs à rechercher des utilisations. L'une de ces utilisations est la production de céramique. La boue rouge sèche en une fine poudre qui contient du fer, de l'aluminium, du calcium et du sodium. Cela devient un risque pour la santé lorsque certaines usines utilisent les déchets pour produire des oxydes d'aluminium.

Aux États-Unis, les déchets sont stockés dans de grandes retenues , sorte de réservoir créé par un barrage. Les bassins de retenue sont généralement revêtus d'argile ou de revêtements synthétiques. Les États-Unis n'approuvent pas l'utilisation des déchets en raison du danger qu'ils représentent pour l'environnement. L'EPA a identifié des niveaux élevés d'arsenic et de chrome dans certains échantillons de boue rouge.

Accident de l'usine d'alumine d'Ajka

Le 4 octobre 2010, l'usine d'alumine d'Ajka en Hongrie a connu un incident au cours duquel le barrage ouest de son réservoir de boues rouges s'est effondré. Le réservoir a été rempli de 700 000 m 3 d'un mélange de boue rouge et d'eau d'un pH de 12. Le mélange a été déversé dans la vallée de la rivière Torna et a inondé des parties de la ville de Devecser et des villages de Kolontár et Somlóvásárhely. L'incident a fait 10 morts, plus d'une centaine de blessés et la contamination des lacs et des rivières.

Histoire du processus Bayer

Le procédé Bayer a été inventé en 1888 par Carl Josef Bayer . Travaillant à Saint-Pétersbourg, en Russie, pour développer une méthode de fourniture d'alumine à l'industrie textile (elle était utilisée comme mordant dans la teinture du coton), Bayer a découvert en 1887 que l'hydroxyde d'aluminium qui précipitait à partir d'une solution alcaline était cristallin et pouvait être facilement filtré et lavé, tandis que celui précipité du milieu acide par neutralisation était gélatineux et difficile à laver. Le succès industriel de ce procédé l'a amené à remplacer le procédé Le Chatelier qui servait à produire de l'alumine à partir de la bauxite.

Les aspects techniques du processus ont été améliorés pour réduire le coût à partir de 1967 en Allemagne et en Tchécoslovaquie . Cela a été fait en augmentant la récupération de chaleur et en utilisant de grands autoclaves et des réservoirs de précipitation. Pour utiliser plus efficacement l'énergie, des échangeurs de chaleur et des réservoirs de détente ont été utilisés et des réacteurs plus grands ont réduit la quantité de chaleur perdue. L'efficacité a été augmentée en connectant les autoclaves pour rendre le fonctionnement plus efficace.

Quelques années plus tôt, Henri Étienne Sainte-Claire Deville en France a mis au point un procédé de fabrication d'alumine en chauffant de la bauxite dans du carbonate de sodium, Na 2 CO 3 , à 1200 °C, en lixiviant l'aluminate de sodium formé avec de l'eau, puis en précipitant l'hydroxyde d'aluminium par du carbone dioxyde de carbone , CO 2 , qui a ensuite été filtré et séché. Ce procédé (appelé procédé Deville ) a été abandonné au profit du procédé Bayer.

Le procédé a commencé à prendre de l'importance en métallurgie avec l'invention du procédé d'aluminium électrolytique Hall-Héroult, inventé un an plus tôt en 1886. Avec le procédé de cyanuration inventé en 1887, le procédé Bayer marque la naissance du domaine moderne de l' hydrométallurgie. .

Aujourd'hui, le processus produit la quasi-totalité de l'alumine mondiale en tant qu'étape intermédiaire dans la production d'aluminium.

Voir également

Les références

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