베이어법(Bayer Process)

베이어 프로세스는 1888년 오스트리아의 Carl Josef Bayer에 의해 개발되었다.이 공정의 산업적 성공으로 인해 보크사이트에서 알루미나를 생산하기 위해 사용된 Le Chatelier 공정을 대체하게 되었다.
오늘날, 이 공정은 알루미늄 생산의 중간 단계로서 알루미나 생산에 광범위하게 사용되고 있다.
 
보크사이트 광석은 수분을 함유한 알루미늄 산화물과 철과 같은 다른 원소들의 혼합물이다. 베이어 공정에서 보크사이트 광석은 수산화나트륨 용액(가성소다)과 함께 150~200°C의 온도로 압력 용기에서 가열된다. 이러한 온도에서 알루미늄은 추출 과정에서 알루민산나트륨으로 용해된다. 보크사이트의 알루미늄 화합물은 Gibbsite(Al(OH)3), AlOOH 또는 AlOOH로 표시될 수 있으며, 그 외 다양한 형태의 알루미늄 화합물이 존재한다. 여과에 의한 잔류물 분리 후 액체가 냉각될 때 Gibbsite가 침전되고 미세한 알루미늄 수산화물이 형성된다.
 
화학 방정식에 따라 추출 과정에서 산화알루민 2NaAlO2 용해성 나트륨이 추출됩니다.
 
Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2O
 
이 과정에서 또한 실리카를 녹이지만, 보크사이트의 다른 성분들은 녹지 않는다. 가끔 이 단계에서 칼슘 규산염으로서 실리카를 자극하기 위해 석회석이 첨가된다. 용액은 일반적으로 회전식 트랩을 사용하여 고체 불순물을 필터링하여 미세 입자를 제거함으로써 순도가 향상된다. 알루미늄 화합물을 추출한 후 분해되지 않은 폐기물인 보크사이트 잔류물은 철산화물, 실리카, 칼슘산화물, 티타늄 산화물 및 일부 미처리 알루미나를 포함한다. 알칼리성 용액이 냉각되는 과정에서 탄산가스가 거품의 형태로 방출되고, 알루미늄 수산화물은 다음 반응식과 같은 방식으로 침전되었다.
 
2 NaAlO2 + 3 H2O + CO2 → 2 Al(OH)3 + Na2CO3
 
그러나 나중에, 이것은 고순도의 알루미늄 수산화물(Al(OH)3) 결정을 과포화 용액을 석출할 수 있게 되었고, 이를 통해 냉각과정이 없어지고 경제적인 공정으로 바뀌게 된다.
 
2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH
 
생산된 알루미늄 수산화물 중 일부는 황산 알루미늄, PAC(폴리알륨 염화물) 또는 알루미늄 알루민 나트륨과 같은 정수 처리 화학 물질(주로 침전제)의 제조에 사용되며, 상당한 양의 플라스틱 화재 및 고무 내 필러로도 사용돈다. 생산된 Gibbsite의 90%는 회전 가마(Rotary Kiln) 등을 이용하여 1000°C를 초과하는 온도로 가열하여 알루미늄 산화물인 Al2O3으로 변환됩니다.
 
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
 
그리고 남은 sodium aluminate 용액은 다시 재활용된다. 본 공정은 이 공정의 경제성을 개선하는 것 외에도, 바나듐 불순물 등을 축적하여 수익성을 향상시킬 수 있다.
 
Gibbsite가 침전되는 동안 축적되는 유기 불순물은 부수물질의 생성, 알코올의 변색, 밀도 등의 증가를 가져올 수 있다.
 
베이어법은 고농도의 가성소다 용액에서 이루어지기 때문에 제조된 알루미나는 항상 상당량의 나트륨을 불순물로서 포함하고 있다. 따라서 베이어법으로 고순도 알루미나를 제조하기 위해서는 베이어 공정 중 수산화 알루미늄의 석출시 산화나트륨의 공침을 최소화시키는 방법과 이미 석출된 수산화 알루미늄속의 산화나트륨을 화학적으로 제거하는 방법이 이용되고 있다.
10% 이상의 실리카를 가진 보크사이트의 경우, 용해되지 않는 알루미늄 규산염의 형성으로 인해 Bayer Process가 비경제적이 되어 수율이 감소하므로 다른 공정을 선택해야 한다.
산화 알루미늄을 생산하려면 일반적으로 1.9-3.6톤의 보크사이트가 필요하다. 이는 광석에서 알루미늄이 용해되기 때문이다.
 
붉은 진흙형태의 폐기물이 발생하는데 이는 수산화나트륨으로 보크사이트를 소화하는 과정에서 발생하는 폐기물입니다. 그것은 칼슘과 수산화나트륨 함량이 높아서 복잡한 화학 성분을 만든다. 이러한 폐기물은 도자기에 사용하려는 시도도 있으나, 일부 중금속이 많다는 보고도 있다.