拜耳法

拜耳法是精炼铝土矿以生产氧化铝（氧化铝）的主要工业手段，由 Carl Josef Bayer 开发。 铝土矿是最重要的铝矿石，仅含 30–60% 的氧化铝 (Al2O3)，其余为二氧化硅、各种氧化铁和二氧化钛的混合物。 氧化铝必须进一步纯化才能提炼成金属铝。

铝土矿是水合氧化铝和铁等其他元素的化合物的混合物。 铝土矿中的铝化合物可能以三水铝石 2(Al(OH)3)、勃姆石 (γ-AlO(OH)) 或水铝石 (α-AlO(OH)) 的形式存在； 铝成分和杂质的不同形式决定了提取条件。 氧化铝和氢氧化铝是两性的，这意味着它们既呈酸性又呈碱性。 Al(III) 在水中的溶解度非常低，但在高 pH 值或低 pH 值时都会显着增加。 在拜耳法中，铝土矿在压力容器中与氢氧化钠溶液（烧碱）一起在 150 至 200 °C 的温度下加热。 在这些温度下，铝在萃取过程中溶解为铝酸钠（主要是 [Al(OH)4]-）。 通过过滤分离残留物后，当液体冷却时沉淀出三水铝石，然后用先前提取的细粒氢氧化铝晶体作为晶种。 如果不添加晶种，沉淀可能需要几天时间。

根据化学方程式，提取过程（消化）将矿石中的氧化铝转化为可溶性铝酸钠 NaAlO2：

Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2O

这种处理也会溶解二氧化硅，形成硅酸钠：

2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O

然而，铝土矿的其他成分不会溶解。 有时在此阶段添加石灰以将二氧化硅沉淀为硅酸钙。 通过过滤掉固体杂质来澄清溶液，通常使用旋转沙坑并借助于絮凝剂（例如淀粉）以去除细颗粒。 提取铝化合物后的未溶解废物，即铝土矿尾矿，含有氧化铁、二氧化硅、氧化钙、二氧化钛和一些未反应的氧化铝。 最初的过程是将碱性溶液冷却并通过通入二氧化碳进行处理，这是一种氢氧化铝沉淀的方法：

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

但后来，这让位于用高纯度氢氧化铝 (Al(OH)3) 晶体作为过饱和溶液的晶种，这消除了冷却液体的需要并且在经济上更可行：

2 H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH

部分生产的氢氧化铝用于制造水处理化学品，如硫酸铝、PAC（聚合氯化铝）或铝酸钠； 大量还用作橡胶和塑料的填料作为阻燃剂。 大约 90% 的三水铝石通过在回转窑或流体闪蒸炉中加热至约 1470 K 的温度转化为氧化铝 Al2O3。

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

然后回收剩余的“用过的”铝酸钠溶液。 除了提高工艺的经济性外，回收还会在液体中积累镓和钒杂质，从而可以有利可图地提取它们。

在三水铝石沉淀过程中积累的有机杂质可能会导致各种问题，例如三水铝石中高含量的不良物质、液体和三水铝石的变色、腐蚀性物质的损失以及工作流体的粘度和密度增加。

对于二氧化硅含量超过10%的铝土矿，由于形成难溶的硅酸铝钠，使收率降低，因此拜耳法变得不经济，因此必须选择其他工艺。

生产1吨氧化铝需要1.9-3.6吨铝土矿。 这是由于矿石中的大部分铝在该过程中被溶解。 能源消耗在 7 GJ/吨到 21 GJ/吨之间（取决于工艺），其中大部分是热能。 超过 90% (95-96%) 的氧化铝用于 Hall-Héroult 工艺生产铝。

赤泥是用氢氧化钠消化铝土矿时产生的废物。 它的氢氧化钙和氢氧化钠含量高，化学成分复杂，因此腐蚀性很强，是潜在的污染源。 产生的赤泥量相当可观，这促使科学家和炼油厂为其寻找用途。 一种这样的用途是在陶瓷生产中。赤泥干燥成含有铁、铝、钙和钠的细粉。 当一些工厂使用废物生产氧化铝时，它会成为一种健康风险。

在美国，废物被放置在大型蓄水池中，这是一种由大坝建造的水库。 蓄水池通常衬有粘土或合成衬里。