बायर प्रक्रिया

बायर प्रक्रिया उद्योग में बॉक्साइट को शुद्धिकरण के लिए मुख्य विधि है जिससे एल्युमिना (एल्युमिनियम ऑक्साइड) बनाने के लिए विकसित की गई थी और यह कार्ल जोसेफ़ बायर ने विकसित की थी। एल्युमिनियम का सबसे महत्वपूर्ण खनिज बॉक्साइट में केवल 30-60% एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al2O3) होता है, बाकी सिलिका, विभिन्न लौह ऑक्साइड, और टाइटेनियम डायऑक्साइड का मिश्रण होता है। एल्युमिनियम ऑक्साइड को और भी शुद्ध करना आवश्यक होता है इससे वो एल्युमिनियम धातु में शुद्धिकृत किया जा सके।

बायर प्रक्रिया निम्न अच्छान उत्पादन योग्यता के स्थान पर गैलियम का प्रमुख स्रोत भी है, जो एक परिणामिक उत्पाद होता है।

प्रक्रिया
बॉक्साइट खनिज एक हाइड्रेटेड एल्युमिनियम ऑक्साइड और अन्य तत्वों के संयोजन का मिश्रण होता है, जैसे कि लोहे के समकोण यौगिक। बॉक्साइट में एल्युमिनियम यौगिक जिब्बसाइट (Al(OH)3), बोहमाइट (γ-AlO(OH)) या डियास्पोर (α-AlO(OH)) के रूप में उपस्थित हो सकते हैं; एल्युमिनियम घटक के विभिन्न रूप और अशुद्धियाँ अवश्यकताएँ निर्दिष्ट करती हैं। एल्युमिनियम ऑक्साइड और हाइड्रोक्साइड उभावासी होते हैं, इसका मतलब है कि वे एक साथ एसिडिक और आधारिक दोनों होते हैं। जल में एल्युमिनियम (III) की घुलनशीलता बहुत कम होती है, लेकिन उच्च या कम pH पर उसमें काफी वृद्धि होती है। बायर प्रक्रिया में, बॉक्साइट खनिज को एक दबाव वास्तु में एक सोडियम हाइड्रॉक्साइड विलय (कास्टिक सोडा) के साथ 150 से 200 °C की तापमान पर गरम किया जाता है। इन तापमानों पर, एल्युमिनियम को एक अखण्डितीकरण प्रक्रिया में सोडियम एलुमिनेट के रूप में घुलाया (विघटित) जाता है (मुख्यत: [Al(OH)4]−)। फ़िल्टरिंग द्वारा अवशेषों को अलग करने के, जब तरल को ठंडा किया जाता है, तो जिब्बसाइट का उत्क्षेपन होता है और फिर पिछले अलग करनों से छोटी रेखाकृत एल्युमिनियम हाइड्रोक्साइड के क्रिस्टल से बीजित किया जाता है। उत्क्षेपण किस्में बिना बीज क्रिस्टल के कई दिन तक हो सकता है।

रासायनिक समीकरण के अनुसार निष्कर्षण प्रक्रिया (पाचन) अयस्क में एल्यूमीनियम ऑक्साइड को घुलनशील सोडियम एलुमिनेट, NaAlO2 में परिवर्तित करती है:


 * Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2O

इस उपचार से सिलिका भी घुल जाती है, जिससे सोडियम सिलिकेट बनता है:

2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O

बॉक्साइट के अन्य घटकों का, हालांकि, विघटन नहीं होता है। कभी-कभी इस चरण में कैल्शियम जोड़ा जाता है ताकि सिलिका को कैल्शियम सिलिकेट के रूप में उत्क्षिप्त किया जा सके। तत्वकीय अशुद्धियों को छानकर विशुद्ध किया जाता है, सामान्यतः एक रोटरी सैंड ट्रैप और स्टार्च जैसे फ्लॉक्यूलेंट की सहायता से, तिल मिट्टी को दूर करने के लिए। जब एल्युमिनियम यौगिक निष्कासित हो जाते हैं, तो जिसके बाद विघटन नहीं होता है, उसके बाद का निष्कलित कचरा, बॉक्साइट शेष, में लौह ऑक्साइड, सिलिका, कैल्शियम, टिटेनिया और कुछ अप्रतिक्रियित एल्युमिना होता है। मूल प्रक्रिया यह थी कि अल्कलाईन घोल को ठंडा किया जाता था और उसे कार्बन डाइऑक्साइड के माध्यम से बुलबुलाया जाता था, एक ऐसी विधि जिससे एल्युमिनियम हाइड्रोक्साइड उत्क्षिप्त होता था:

2 NaAlO2 + 3 H2O + CO2 → 2 Al(OH)3 + Na2CO3

लेकिन बाद में, इसने उच्च शुद्धता वाले एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड (Al(OH)3) क्रिस्टल के साथ सुपरसैचुरेटेड घोल को सम्मिलित करने का मार्ग प्रशस्त किया, जिससे तरल को ठंडा करने की आवश्यकता समाप्त हो गई और यह अधिक आर्थिक रूप से व्यवहार्य था:


 * 2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH

उत्पादित एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड में से कुछ का उपयोग जल उपचार रसायनों जैसे एल्यूमीनियम सल्फेट, पीएसी (पॉलीएल्युमिनियम क्लोराइड) या सोडियम एल्युमिनेट के निर्माण में किया जाता है; अग्निरोधी के रूप में रबड़ और प्लास्टिक में भराव के रूप में भी इसकी एक महत्वपूर्ण मात्रा का उपयोग किया जाता है। उत्पादित गिब्साइट का लगभग 90% भाग रोटरी भट्टों या तरल फ्लैश कैल्सीनरों में लगभग 1470 K के तापमान पर गर्म करके एल्यूमीनियम ऑक्साइड, Al2O3 में परिवर्तित किया जाता है।


 * 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

बचे हुए, 'उपयोग किए गए' सोडियम एलुमिनेट घोल को फिर से पुनर्नवीनीकरण किया जाता है। प्रक्रिया की अर्थव्यवस्था में सुधार के अतिरिक्त, पुनर्चक्रण से शराब में गैलियम और वैनेडियम की अशुद्धियाँ जमा हो जाती हैं, ताकि उन्हें लाभप्रद रूप से निकाला जा सके।

गिब्बसाइट के अवक्षेपण के दौरान जमा होने वाली कार्बनिक अशुद्धियाँ विभिन्न समस्याओं का कारण बन सकती हैं, उदाहरण के लिए गिब्साइट में अवांछनीय सामग्रियों का उच्च स्तर, शराब और गिब्साइट का मलिनकिरण, कास्टिक सामग्री की हानि, और काम करने वाले तरल पदार्थ की चिपचिपाहट और घनत्व में वृद्धि।

10% से अधिक सिलिका वाले बॉक्साइट के लिए, बायर प्रक्रिया अघुलनशील सोडियम एल्यूमीनियम सिलिकेट के निर्माण के कारण अलाभकारी हो जाती है, जिससे उपज कम हो जाती है, इसलिए दूसरी प्रक्रिया को चुना जाना चाहिए।

1 टन एल्यूमीनियम ऑक्साइड का उत्पादन करने के लिए 1.9-3.6 टन बॉक्साइट (बॉक्साइट की लगभग 90% एल्यूमिना सामग्री के बराबर) की आवश्यकता होती है। ऐसा इस प्रक्रिया में अयस्क में उपस्थित एल्यूमीनियम के अधिकांश भाग के घुल जाने के कारण होता है। ऊर्जा की खपत 7 जीजे/टन से 21 जीजे/टन (प्रक्रिया के आधार पर) के बीच है, जिसमें से अधिकांश थर्मल ऊर्जा है। उत्पादित एल्यूमीनियम ऑक्साइड का 90% (95-96%) से अधिक एल्यूमीनियम का उत्पादन करने के लिए हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है।

अपशिष्ट
लाल मिट्टी अपशिष्ट उत्पाद है जो सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ बॉक्साइट के पाचन में उत्पन्न होता है। इसमें जटिल रासायनिक संरचना के साथ उच्च कैल्शियम और सोडियम हाइड्रॉक्साइड सामग्री होती है और तदनुसार यह बहुत कास्टिक और प्रदूषण का संभावित स्रोत है। उत्पादित लाल मिट्टी की मात्रा काफी है, और इसने वैज्ञानिकों और रिफाइनरों को इसके उपयोग की तलाश में प्रेरित किया है। वैनेडियम के संभावित स्रोत के रूप में इस पर ध्यान दिया गया है। कम निष्कर्षण उपज के कारण गैलियम का अधिकांश भाग एल्यूमीनियम ऑक्साइड में अशुद्धता के रूप में और लाल मिट्टी में चला जाता है।

लाल मिट्टी का एक उपयोग चीनी मिट्टी के उत्पादन में होता है। लाल मिट्टी सूखकर बारीक पाउडर बन जाती है जिसमें लोहा, एल्यूमीनियम, कैल्शियम और सोडियम होता है। यह एक स्वास्थ्य के लिए हानिकारक बन जाता है जब कुछ पौधे कचरे का उपयोग एल्युमीनियम ऑक्साइड का उत्पादन करने के लिए करते हैं।

संयुक्त राज्य में, अपशिष्ट को बड़े संचयिकों में निष्कासित किया जाता है, जो एक बांध द्वारा बनाए गए जलाशय के प्रकार होते हैं। सामान्यतः संचयिकों की परतों के साथ क्ले या संश्लेषित परतों से लाइन किया जाता है। संयुक्त राज्य वातावरण के खतरे के कारण अपशिष्ट का उपयोग मंजूर नहीं करता है। EPA ने कुछ लाल बालू नमूनों में उच्च स्तरों पर आर्सेनिक और क्रोम की पहचान की है।

अज्का एल्युमिना संयंत्र दुर्घटना
4 अक्टूबर 2010 को, हंगरी में अज्का एल्युमिना संयंत्र में एक घटना घटी, जहाँ इसके लाल मिट्टी के भंडार का पश्चिमी बाँध ढह गया। जलाशय 12 pH वाले लाल मिट्टी और पानी के 700,000 घन मीटर (m3) मिश्रण से भरा हुआ था। मिश्रण को तोर्ना नदी की घाटी में छोड़ा गया और डेवेसेसर शहर और कोलोंटार और सोमलोवासरेली के गांवों में बाढ़ आ गई। इस घटना के परिणामस्वरूप 10 मौतें हुईं, सौ से अधिक घायल हुए और झीलों और नदियों में प्रदूषण हुआ।

बायर प्रक्रिया का इतिहास
बायर प्रक्रिया का आविष्कार 1888 में कार्ल जोसेफ बायर ने किया था। कपड़ा उद्योग को एल्यूमिना की आपूर्ति करने के लिए एक विधि विकसित करने के लिए सेंट पीटर्सबर्ग, रूस में काम करना (इसका उपयोग कपास की रंगाई में एक मार्डेंट के रूप में किया जाता था), बायर ने 1887 में पता लगाया कि क्षारीय घोल से निकलने वाला एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड क्रिस्टलीय होता है और इसे आसानी से फ़िल्टर और धोया जा सकता है, जबकि अम्ल माध्यम से उदासीनीकरण के कारण जो निकलता है वह जिलेटिनस होता है और इसे धोना मुश्किल होता है। इस प्रक्रिया की औद्योगिक सफलता के कारण इसे ले चैटेलियर प्रक्रिया को प्रतिस्थापित करना पड़ा जिसका उपयोग बॉक्साइट से एल्यूमिना का उत्पादन करने के लिए किया जाता था।

प्रक्रिया के अभियांत्रिकी दृष्टिकोणों को कम करने के लिए लागत को कम करने के लिए 1967 में जर्मनी और चेकोस्लोवाकिया में सुधार किए गए। इसका यह किया गया था कि गरमी पुनः प्राप्ति को बढ़ाया गया और बड़े आटोक्लेव और उत्तेजन टैंक का उपयोग किया गया। ऊर्जा का अधिक प्रभावी उपयोग करने के लिए हीट एक्सचेंजर्स और फ्लैश टैंक का उपयोग किया गया और बड़े रिएक्टरों से उत्तेजन का नुकसान कम किया गया। कुशलता बढ़ाई गई थी आटोक्लेवों को जोड़कर कार्य को अधिक प्रभावी बनाने के लिए।

कुछ साल पहले, फ्रांस में हेनरी एटियेन सैंटे-क्लेयर डेविले ने बॉक्साइट को सोडियम कार्बोनेट, Na2CO3 में 1200 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करके एल्यूमिना बनाने की एक विधि विकसित की थी पानी के साथ बनने वाले सोडियम एलुमिनेट को निक्षालित करना, फिर कार्बन डाईऑक्साइड, CO2 द्वारा एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड को अवक्षेपित करना, जिसे बाद में फ़िल्टर किया गया और सुखाया गया था। इस प्रक्रिया (जिसे डेविल प्रक्रिया के नाम से जाना जाता है) को बायर प्रक्रिया के पक्ष में छोड़ दिया गया था।

1886 में केवल एक साल पहले आविष्कृत हुए हॉल–हेरोल्ट विलायक्त एल्युमिनियम प्रक्रिया की उपक्रमन के साथ प्रक्रिया धातुर्गिक में महत्व प्राप्त करने लगी। 1887 में आविष्कृत होने वाली सायनाइडेशन प्रक्रिया के साथ, बायर प्रक्रिया आधुनिक हाइड्रोमेटलर्जी के आधुनिक क्षेत्र की उत्पत्ति का संकेत करती है।

आज, यह प्रक्रिया एल्युमीनियम उत्पादन में मध्यवर्ती चरण के रूप में दुनिया की लगभग सभी एल्यूमिना आपूर्ति का उत्पादन करती है।

यह भी देखें

 * अज्का एल्युमिना संयंत्र दुर्घटना
 * डेविल प्रक्रिया
 * हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया
 * एल्यूमीनियम का इतिहास