Il Processo Bayer



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Il Processo Bayer


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2Cenni storici


L’alluminio è con l’ 8% in peso al terzo posto tra gli elementi più presenti sulla crosta terrestre , contro il 46,7% dell’ossigeno, il 27% del silicio, 5% del ferro, 2% del magnesio, 0.1% del rame, 0.04% dello zinco e 0.04% dello stagno. Non è presente in natura come elemento puro ma solo in combinazione con altri elementi nei minerali.

L’alluminio (dal latino allumen ) prese il nome dal minerale allume KAl(SO4)2 scoperto in Egitto nel 1807 dal ricercatore inglese H.Davy (1778 - 1829). Nel 1825 il fisico e chimico danese Hans Christian Oberstedt (1777 - 1851) sviluppò una tecnica per l’estrazione dell’ alluminio dal cloruro di alluminio (AlCl3) tramite riduzione con amalgama di potassio. Nel 1827 il chimico tedesco Friedrich Wöhler (1800 – 1882) migliorò la tecnica di Oberstedt usando per la riduzione del AlCl3 il potassio invece dell’amalgama di potassio

( AlCl3 + 3K → Al + 3KCl) e riuscì a produrre delle sferette di alluminio da 10-15mg.

Nel 1853/54 il chimico e fisico tedesco Robert Wilhelm Bunsen (1811 – 1899) cercò di ottenere alluminio da sodio-alluminio-cloruro (cloruro di sodio –alluminio) tramite elettrolisi ma il suo tentativo fallì. Nel 1854 il chimico e medico francese Henri Etienne Sainte-Claire Deville riuscì a ridurre il NaAlCl4 usando il più conveniente sodio invece del costoso potassio e riuscì a produrre delle barre di circa 100g. Anche Saint Claire Deville riconobbe la possibilità dell’estrazione di alluminio tramite elettrolisi delle criolite Na3AlF6 però questa tecnologia era ancora limitata a causa della scarsa presenza di energia elettrica. Solo dopo l’invenzione della macchina dinamoelettrica fatta da Siemens nel 1886 si rese possibile l’uso dell’elettrolisi per l’estrazione dell’alluminio. Nel 1886 il francese Paul L.T. Héroult e lo statunitense Charles Martin Hall scoprirono indipendentemente l’uno dall’altro che l’ossido di alluminio si scoglie facilmente nella criolite fusa ( Na3AlF6) e può quindi essere decomposta per via elettrolitica nel metallo grezzo fuso. Il processo Hall-Héroult costituisce tuttora il metodo principale usato per la produzione del alluminio.

Quasi contemporaneamente il chimico austriaco Karl Josef Bayer (1847 – 1904) brevettò nel 1888 il processo Bayer per la produzione dell’ossido di alluminio usato come carica nell’elettrolisi e ha condotto ad una riduzione importante del costo di estrazione dell’alluminio metallico.

Al momento le raffinerie di allumina nel mondo sono circa 50 e producono una quantità complessiva prossima ai 55 Mt/anno.

In Europa ci sono 6 raffinerie per un totale di 6,4 Mt/anno:


Nazione

Impianto/Società

Località

Produzione

ton/anno


Irlanda

AAL

Aughinish

1500

Germania

AOS

Stade

900

Spagna

Alcoa

S.Ciprian

1200

Francia

Pechiney

Gardone

1040

Grecia

AdG

Distomon

700

Italia

Eurallumina

Portoscuso

1020



3Il processo Bayer

Dal processo Bayer si ottengono degli idrossidi di alluminio che vengono trattati per l’ottenimento di alluminio metallico o allumina pura.

Questo processo consiste nella lisciviazione della bauxite a pressione e temperatura elevata (140 – 250 °C, 15bar) con soda caustica in soluzione (15%NaOH) per estrarre l’allumina presente nella bauxite in forma idrata, portandola in soluzione come alluminato di sodio nella liscivia di attacco.

L’allumina contenuta nella bauxite in quantità superiori al 50% va in soluzione mentre restano in sospensione tutti gli altri componenti della bauxite (Al2O3, Fe2O3, TiO2, SiO2, CaO, Na2O combinato e altri). Le sostanze insolute vengono separate per decantazione e filtrazione, costituendo dei fanghi chiamati “fanghi rossi” (colorazione dovuta al elevato contenuto di ossido di ferro) che dopo lavaggio in controcorrente a 5 stadi vengono inviati al bacino fanghi .

Una volta separati dal processo i fanghi rossi la soluzione di alluminato di sodio viene raffreddata ed inviata in appositi serbatoi di precipitazione, o cristallizzazione, dove riceve l’aggiunta di idrato di alluminio che ha la funzione di innesco germinativo. Durante questo processo l’alluminato di sodio si decompone portando alla cristallizzazione di allumina idrata (Al2O3 ∙3H2O) che in parte viene riciclata come innesco germinativo e in parte come prodotto. L’allumina idrata dopo essere sottoposta a lavaggio e filtrazione viene calcinata in forni rotativi o a letto fluido a 1000 – 1100°C ottenendo così allumina idrata di elevata purezza (Al2O3 99%, 0.01-0.03% Fe2O3, 0.01-0.02% SiO2 e 0.3-0.6% Na2O ) in forma di solido cristallino bianco di dimensione pari a circa 90 micron.









3.1La bauxite


La bauxite è una roccia ( in termini geologici laterite) di natura vulcanica o sedimentaria sottoposta nelle ere geologiche ad un arricchimento naturale di alluminio. La bauxite appartiene alla famiglia delle terre ferro-silico-alluminose che comprendono anche le argille,le quarziti e le terre refrattarie però rispetto a queste ha un contenuto di alluminio maggiore e perciò più adatto al processo di estrazione del alluminio. Sulla terra esistono molti giacimenti di bauxite di tipologia diversa. La principale caratteristica che distingue le bauxiti è la forma in cui contengono l’idrato di alluminio. Questo può essere presente come tri-idrato Al2O33H2O chiamato gibbsite il quale è facile da estrarre anche a temperature non molto elevate (130 – 150°C), nella forma mono-idrata Al2O3H2O chiamata boemite nella quale si devono raggiungere 250°C ed in fine esiste un'altra forma mono-idrata il diasporo di più difficile estrazione. Altre caratteristiche importanti sono il contenuto di silice e carbonio.

Le miniere di maggior utilizzo sono quelle a cielo aperto africana Boke in Guinea che alimenta gran parte degli impianti europei e fornisce una bauxite tri-idrata, quella australiana Weipa utilizzata soprattutto in Australia ed anche nella raffineria italiana Eurallumina che forniscono una bauxite con contenuto misto di gibbsite e boemite ed molte altre in Brasile, Venezuela,ecc.




Costituenti

Bauxite Weipa

Standard Metall. Grade

Weipa

Grade-D

Weipa

Grade-A

Note

Al2O3 totale

54.76 %

57.30 %

53.70 %

Costituenti

principal



Fe2O3

12.28 %

7.10 %

15.8 %

TiO2

2.58 %

2.40 %

2.8 %

SiO2 totale

5.62 %

6.80 %

3.3 %

L.O.I.1150°C 1

24.47 %

26.40 %

24.4 %

P2O5

0.07 %


~ 0.3%




~ 0.3%



Costituenti

minori


V2O5

0.06 %

CaO

0.01 %

MnO

0.01 %

Cr2O3

0.05 %

ZrO2

0.10 %

Ga2O3

0.01 %

TlC

0.5 kg/t

Carbonio di origine vegetale e inorganico

TOOC

1.9 kg/t (inclusi nel LOI)



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