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バイエル法は、ボーキサイトを精製してアルミナ（酸化アルミニウム）を生産する 主要な工業的手段であり、カール・ヨーゼフ・バイエルによって開発されました。アルミニウムの最も重要な鉱石であるボーキサイトには、30～60％の酸化アルミニウム（Al 2 O 3）しか含まれておらず、残りはシリカ、さまざまな酸化鉄、および二酸化チタンの混合物です。[1]酸化アルミニウムは、アルミニウムに精製する前にさらに精製する必要があります。
バイエル法は、抽出収率が低いにもかかわらず、副産物としての ガリウムの主な供給源でもあります。
プロセス
ボーキサイト鉱石は、水和酸化アルミニウムと鉄などの他の元素の化合物の混合物です。ボーキサイト中のアルミニウム化合物は、ギブサイト(Al(OH) 3 )、ベーマイト(γ-AlO(OH))、またはダイアスポア(α-AlO(OH)) として存在する可能性があり、アルミニウム成分と不純物の異なる形態が抽出条件を決定します。アルミニウムの酸化物と水酸化物は両性であり、酸性と塩基性の両方の性質を持ちます。Al(III) の水への溶解度は非常に低いですが、pH が高くても低くても大幅に増加します。バイエル法では、ボーキサイト鉱石を圧力容器内で水酸化ナトリウム溶液 (苛性ソーダ)とともに150 ～ 200 °C (302 ～ 392 °F) の温度で加熱します。これらの温度では、アルミニウムは抽出プロセスでアルミン酸ナトリウム（主に[Al(OH) 4 ] − ）として溶解します。ろ過によって残留物を分離した後、液体を冷却し、前回の抽出から得られた細粒の水酸化アルミニウム結晶を種として加えると、ギブサイトが沈殿します。種結晶を加えないと、沈殿には数日かかる場合があります。[2]
抽出プロセス（蒸解）により、鉱石中の酸化アルミニウムが化学式に従って可溶性のアルミン酸ナトリウム（NaAlO 2 ）に変換されます。
- Al(OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O
この処理によりシリカも溶解し、ケイ酸ナトリウムが形成されます。
- 2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 + H 2 O
しかし、 ボーキサイトの他の成分は溶解しません。この段階で石灰が加えられ、シリカがケイ酸カルシウムとして沈殿します。溶液は、一般に回転式砂トラップとデンプンなどの凝集剤を使用して固体不純物を濾過し、微粒子を除去することで清澄化されます。アルミニウム化合物を抽出した後の溶解しない廃棄物であるボーキサイト尾鉱には、酸化鉄、シリカ、カルシア、チタニア、および未反応のアルミナが含まれています。元のプロセスは、アルカリ溶液を冷却し、二酸化炭素を吹き込むことで処理する方法で、この方法で水酸化アルミニウムが沈殿します。
- 2 NaAlO 2 + 3 H 2 O + CO 2 → 2 Al(OH) 3 + Na 2 CO 3
しかし後に、過飽和溶液に高純度の水酸化アルミニウム (Al(OH) 3 ) 結晶を添加するようになり、液体を冷却する必要がなくなり、より経済的に実現可能になりました。
- 2H2O +NaAlO2 → Al(OH) 3 + NaOH
生産される水酸化アルミニウムの一部は、硫酸アルミニウム、PAC（ポリ塩化アルミニウム）、アルミン酸ナトリウムなどの水処理薬品の製造に使用されます。また、かなりの量がゴムやプラスチックの充填材として難燃剤として使用されます。生産されるギブサイトの約90％は、ロータリーキルンまたは流動フラッシュ焼成炉で約1,470 K（1,200 °C、2,190 °F）の温度に 加熱することにより、酸化アルミニウム（Al 2 O 3 ）に変換されます。
残った「使用済み」のアルミン酸ナトリウム溶液はリサイクルされます。プロセスの経済性が向上するだけでなく、リサイクルによって液体中のガリウムとバナジウムの不純物が蓄積され、収益性の高い抽出が可能になります。
ギブサイトの沈殿中に蓄積する有機不純物は、ギブサイト内の望ましくない物質の高レベル化、液体およびギブサイトの変色、苛性物質の損失、作動流体の粘度および密度の増加など、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。
シリカ含有量が 10% を超えるボーキサイトの場合、不溶性のケイ酸アルミニウムナトリウムが生成されて収量が減少するため、バイヤー法は非経済的となり、別の方法を選択する必要があります。
0.91トン（2,000ポンド）の酸化アルミニウムを生産するには、1.7～3.3トン（3,800～7,200ポンド）のボーキサイト（ボーキサイトのアルミナ含有量の約90％に相当）が必要です。これは、鉱石中のアルミニウムの大部分がプロセス中に溶解されるためです。[2]エネルギー消費量は1トンあたり7～21ギガジュール（0.88～2.65 kWh/ポンド）（プロセスによって異なります）で、そのほとんどは熱エネルギーです。[3] [4]生産された酸化アルミニウムの90％以上（95～96％）は、アルミニウムを生産するためにホール・エルー法で使用されます。[5]
無駄
赤泥は、ボーキサイトを水酸化ナトリウムで分解する際に生成される廃棄物です。カルシウムと水酸化ナトリウムの含有量が高く、化学組成が複雑なため、非常に腐食性が高く、汚染源となる可能性があります。生成される赤泥の量は相当な量であるため、科学者や精錬業者は赤泥の用途を模索しています。赤泥はバナジウムの供給源として注目されています。抽出収率が低いため、ガリウムの多くは不純物として酸化アルミニウムと赤泥に混ざってしまいます。
赤泥の用途の一つは陶磁器の製造です。赤泥は乾燥すると鉄、アルミニウム、カルシウム、ナトリウムを含む細かい粉末になります。一部の工場ではこの廃棄物を使って酸化アルミニウムを生産するため、健康上のリスクとなります。[6]
米国では、廃棄物はダムによって作られた貯水池のような大きな貯水池に処分される。貯水池は通常、粘土または合成ライナーで裏打ちされている。米国は、廃棄物が環境に及ぼす危険性のため、廃棄物の使用を承認していない。EPAは、いくつかの赤泥サンプルに高濃度のヒ素とクロムが含まれていることを特定した。[7]
アジカアルミナ工場の事故
2010年10月4日、ハンガリーのアイカアルミナ工場で、赤泥貯水池の西側ダムが決壊する事故が発生した。貯水池には、赤泥とpH12の混合水70万立方メートル（2500万立方フィート）が溜まっていた。混合水はトルナ川の谷に流れ込み、デヴェチェル市の一部とコロンタール村、ソムロヴァーサールヘイ村を浸水させた。この事故で10人が死亡、100人以上が負傷、湖や川が汚染された。[8]
歴史
1859年、フランスのアンリ・エティエンヌ・サントクレール・ドヴィルは、ボーキサイトを炭酸ナトリウム（Na）で加熱してアルミナを製造する方法を開発した。
2CO
3、1,200 °C (2,190 °F)で、水で生成されたアルミン酸ナトリウムを浸出させ、次に二酸化炭素(CO 2 ) によって水酸化アルミニウムを沈殿させ、それを濾過して乾燥させる。このプロセスはドゥヴィル法として知られている。1886年にホール・エルー電解アルミニウム法が発明され、 1887年にシアン化法が発明された。
バイエル法は1888年にカール・ヨゼフ・バイヤーによって発明されました。[9]ロシアのサンクトペテルブルクで繊維産業にアルミナを供給する方法（綿を染色する際の媒染剤として使用）を開発していたバイエルは、1887年に、アルカリ溶液から沈殿した水酸化アルミニウムは結晶性で簡単に濾過して洗浄できるのに対し、酸性媒体から中和するとゲル状になり洗浄が難しいことを発見しました。[9]この方法は産業的に成功したため、ボーキサイトからアルミナを製造するのに使用されていたルシャトリエ法に取って代わりました。[9]ドゥビル法はバイヤー法に取って代わられ、現代の湿式冶金分野の誕生となりました。
1967年以降、ドイツとチェコスロバキアではコスト削減のため、プロセスの技術的側面が改善された。[9]これは、熱回収を増やし、大型のオートクレーブと沈殿タンクを使用することで行われた。 [9]エネルギーをより効率的に使用するために、熱交換器とフラッシュタンクが使用され、より大きな反応器によって熱損失量が削減された。[9]オートクレーブを接続して操作をより効率的にすることで、効率が向上した。[9]
現在、このプロセスはアルミニウム生産の中間段階として、世界のほぼすべてのアルミナ供給量を生産しています。
参照
参考文献
- ^ ハリス、クリス、マクラクラン、R.（ロザリー）、クラーク、コリン（1998）。ミクロ改革 - 企業への影響：アルミニウムのケーススタディ。メルボルン：産業委員会。ISBN 978-0-646-33550-6。
- ^ ab Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (1999年1月). 「バイエル法固体の表面化学: レビュー」.コロイドと表面A: 物理化学的および工学的側面. 146 (1–3): 359–374. doi :10.1016/S0927-7757(98)00798-5.
- ^ Alessio Angelo Scarsella、Sonia Noack、Edgar Gasafi、Cornelis Klett、Andreas Koschnick (2015)。「アルミナ精錬におけるエネルギー：新たな限界の設定」。Light Metals 2015。pp. 131–136。doi : 10.1007 /978-3-319-48248-4_24。ISBN 978-3-319-48610-9。
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ 「エネルギー効率」。
バイエル法に必要なエネルギーは、原料の品質に大きく依存します。平均エネルギー消費量は、アルミナ1トンあたり約14.5 GJで、電気エネルギーはAl2O3あたり約150 kWh/tです。
- ^ 「アルミニウム製錬プロセス」。アルミニウム生産。aluminumproduction.com 。 2018年4月12日閲覧。
- ^ Hind, Andrew R.; Bhargava, Suresh K.; Grocott, Stephen C. (1999). 「バイエル法固体の表面化学: レビュー」.コロイドと表面 A: 物理化学的および工学的側面. 146 (1–3): 359–374. doi :10.1016/S0927-7757(98)00798-5.
- ^ 「TENORM: ボーキサイトおよびアルミナ製造廃棄物」www.epa.gov。米国環境保護庁。2015-04-22 。 2018年4月12日閲覧。
- ^ Ruyters, Stefan; Mertens, Jelle; Vassilieva, Elvira; Dehandschutter, Boris; Poffijin, Andre; Smolders, Erik (2011). 「アイカ（ハンガリー）の赤泥事故：赤泥汚染土壌における植物毒性と微量金属のバイオアベイラビリティ」（PDF）。環境科学技術。45（4）：1616–1622。書誌コード：2011EnST...45.1616R。doi：10.1021/es104000m。PMID 21204523。
- ^ abcdefg 「バイエルのアルミナ製造プロセス: 歴史的な製造」(PDF)。scs.イリノイ.edu。ファティ・ハバシ、ラヴァル大学。2018 年4 月 6 日に取得。