03/09/2018
Оксид алюминия: свойства, способы получения, применение
03/09/2018
Оксид алюминия: свойства, способы получения, применение
Оксид алюминия — одно из самых распространенных и востребованных веществ на планете. Из природного сырья с его содержанием добывают металлический алюминий. Он применяется для производства огнеупорных, абразивных материалов, лазеров, синтетических драгоценных камней. Самое главное — он незаменим в качестве катализатора и носителя катализатора для ряда ключевых промышленных процессов. Мы подготовили информативный материал по оксиду алюминия, который представим в трех частях. В первой статье расскажем про основные свойства вещества и области применения.
Общие свойства оксида алюминия
Оксид алюминия (ОА) — бинарное соединение алюминия и кислорода. В природе распространен как основная составляющая часть глинозема, нестехиометрической смеси оксидов алюминия, калия, натрия, магния и т. д. Глинозем состоит до 98% из α — и γ -модификаций оксида алюминия и представляет собой белый кристаллический порошок.
Химическая формула: [Al2O3]
Регистрационный номер CAS: 1344-28-1
Коды ТН ВЭД: 2818200000 (основной), 2818101100
Регистрационный номер CAS: 1344-28-1
Коды ТН ВЭД: 2818200000 (основной), 2818101100
Выделяют несколько основных разновидностей оксида алюминия. Безводный оксид алюминия имеет несколько модификаций кристаллической формы, различающихся характеристиками и сферами применения. Установлены α-, β- и γ-модификации глинозема, причем α-и γ-Аl2O3 представляют собой чистый оксид алюминия, а β-Аl2O3 — группа алюминатов с высоким содержанием окиси алюминия.
α-оксид алюминия или корунд представляет собой минерал в виде крупных прозрачных кристаллов, тригональной сингонии. В зависимости от вида примесей различают красный корунд — рубин и синий — сапфир. Кристаллы корунда являются рабочими телами лазеров, из рубинов изготавливают камни для точных механизмов.
γ-оксид алюминия имеет кубическую форму. В природе γ-форма не обнаружена, ее получают при термической обработке гидратов оксида алюминия, бемита (Аl2О3·Н2О) и гидраргиллита (Аl2O3·ЗН2O). При нагревании γ-Аl2O3 переходит необратимо в α-форму. Используется как носитель катализаторов и осушитель в процессах химических и нефтехимических производств.
β-оксид алюминия имеет гексагональную кристаллическую решетку. Вещество, иногда описываемое как β-Al2O3, на самом деле не является чистым оксидом алюминия, а представляет собой ряд алюминатов щелочных и щелочноземельных металлов, отличающихся весьма высоким содержанием окиси алюминия, со следующими общими формулами: MeO·6Al2O3 и Me2O·11Al2O3, где МеО — это оксиды кальция, бария, стронция и т. д., а Ме2О — оксиды натрия, калия, лития и других щелочных металлов.
Содержание щелочных и щелочноземельных оксидов может составлять до 8−10%. При нагревании до 1600−1700°С β-глинозем разлагается на α- Al2O3 с выделением соответствующего оксида в газообразном состоянии. Присутствие β-глинозема в обожженном корундовом материале снижает механическую прочность и особенно его электрофизические свойства и поэтому является нежелательным. β-Al2O3 используется как металлопроводящий твердый электролит.
Существует также аморфный алюминия оксид — алюмогель, образующийся при обезвоживании гелеобразного Аl (ОН)3 и представляющий собой пористое, иногда прозрачное вещество.
α-оксид алюминия или корунд представляет собой минерал в виде крупных прозрачных кристаллов, тригональной сингонии. В зависимости от вида примесей различают красный корунд — рубин и синий — сапфир. Кристаллы корунда являются рабочими телами лазеров, из рубинов изготавливают камни для точных механизмов.
γ-оксид алюминия имеет кубическую форму. В природе γ-форма не обнаружена, ее получают при термической обработке гидратов оксида алюминия, бемита (Аl2О3·Н2О) и гидраргиллита (Аl2O3·ЗН2O). При нагревании γ-Аl2O3 переходит необратимо в α-форму. Используется как носитель катализаторов и осушитель в процессах химических и нефтехимических производств.
β-оксид алюминия имеет гексагональную кристаллическую решетку. Вещество, иногда описываемое как β-Al2O3, на самом деле не является чистым оксидом алюминия, а представляет собой ряд алюминатов щелочных и щелочноземельных металлов, отличающихся весьма высоким содержанием окиси алюминия, со следующими общими формулами: MeO·6Al2O3 и Me2O·11Al2O3, где МеО — это оксиды кальция, бария, стронция и т. д., а Ме2О — оксиды натрия, калия, лития и других щелочных металлов.
Содержание щелочных и щелочноземельных оксидов может составлять до 8−10%. При нагревании до 1600−1700°С β-глинозем разлагается на α- Al2O3 с выделением соответствующего оксида в газообразном состоянии. Присутствие β-глинозема в обожженном корундовом материале снижает механическую прочность и особенно его электрофизические свойства и поэтому является нежелательным. β-Al2O3 используется как металлопроводящий твердый электролит.
Существует также аморфный алюминия оксид — алюмогель, образующийся при обезвоживании гелеобразного Аl (ОН)3 и представляющий собой пористое, иногда прозрачное вещество.
Способы получения оксида алюминия
Как правило, в качестве сырья для получения оксида алюминия служат бокситы, алуниты, а также нефелины. При содержании в них оксида алюминия более 6−7% производство ведется основным способом — методом Байера, а при меньшем содержании вещества используют метод спекания руды с известью или содой.
Метод Байера — это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Он представляет собой обработку измельченной породы в шаровых мельницах, затем бокситы обрабатывают щелочными растворами при температуре 225−250°С. Полученный таким образом состав алюмината натрия разбавляют водным раствором и фильтруют.
В процессе фильтрации шлам, содержащий оксид алюминия, свойства которого соответствуют стандартным, подвергают разложению на центрифугах. Выделяется около ½ образовавшегося при этом Аl (ОН)3. Его отфильтровывают и прокаливают во вращающихся печах или в кипящем слое при температуре ~ 1200 °C. В результате получается глинозем, содержащий 15−60% α-Аl2О3. Применение данного метода позволяет сохранить маточный раствор для использования в последующих операциях по выщелачиванию бокситов.
Метод спекания руды с известью или содой работает следующим образом: высококремнистую измельченную руду (нефелин и др.) смешивают с содой и известняком и спекают во вращающихся печах при 1250−1300 °С. Полученную массу выщелачивают водным щелочным раствором. Раствор алюмината Na отделяют от шлама, затем освобождают от SiO2, осаждая его в автоклаве при давлении около 0,6 Мпа, а затем известью при атмосферном давлении и разлагают алюминат газообразным СО2. Полученный Аl (ОН)3 отделяют от раствора и прокаливают при температуре около 1200 °C. При переработке нефелина, помимо глинозема, получают Na2CO3, K2CO3 и цемент.
При производстве глинозема из алунитов одновременно получают H2SO4 и K2SO4. Алунитовую руду обжигают при 500−580°С в восстановительной атмосфере и обрабатывают раствором NaOH по способу Байера.
Для производства высокопрочной корундовой керамики применяют порошок оксида алюминия, полученный термическим разложением некоторых солей алюминия, например, азотнокислого, алюмоаммиачных квасцов различной степени чистоты. Оксид алюминия, полученный при разложении солей, является высокодисперсным порошком γ-Al2O3 (при прокаливании до 1200°С) и обладает большой химической активностью.
Для получения ультра- и нанодисперсных порошков Аl2O3, которые используются в технологии конструкционной и инструментальной керамики, широкое распространение получил способ совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС).
Сущность метода СОГ заключается в растворении солей алюминия, например, AlCl3 в растворе аммиака и последующем выпадении образующихся гидратов в осадок. Процесс ведут при низких температурах и больших сроках выдержки. Полученные гидроксиды сушат и прокаливают, в результате образуется порошок Аl2O3 с размером частиц 10−100 нм.
В технологии ПХС водный раствор Al (NO3)3 подается в сопло плазмотрона. В каплях раствора возникают чрезвычайно высокие температурные градиенты, происходит очень быстрый процесс синтеза и кристаллизации Аl2O3. Частицы порошка имеют сферическую форму и размер 0,1−1 мкм.
Метод Байера — это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Он представляет собой обработку измельченной породы в шаровых мельницах, затем бокситы обрабатывают щелочными растворами при температуре 225−250°С. Полученный таким образом состав алюмината натрия разбавляют водным раствором и фильтруют.
В процессе фильтрации шлам, содержащий оксид алюминия, свойства которого соответствуют стандартным, подвергают разложению на центрифугах. Выделяется около ½ образовавшегося при этом Аl (ОН)3. Его отфильтровывают и прокаливают во вращающихся печах или в кипящем слое при температуре ~ 1200 °C. В результате получается глинозем, содержащий 15−60% α-Аl2О3. Применение данного метода позволяет сохранить маточный раствор для использования в последующих операциях по выщелачиванию бокситов.
Метод спекания руды с известью или содой работает следующим образом: высококремнистую измельченную руду (нефелин и др.) смешивают с содой и известняком и спекают во вращающихся печах при 1250−1300 °С. Полученную массу выщелачивают водным щелочным раствором. Раствор алюмината Na отделяют от шлама, затем освобождают от SiO2, осаждая его в автоклаве при давлении около 0,6 Мпа, а затем известью при атмосферном давлении и разлагают алюминат газообразным СО2. Полученный Аl (ОН)3 отделяют от раствора и прокаливают при температуре около 1200 °C. При переработке нефелина, помимо глинозема, получают Na2CO3, K2CO3 и цемент.
При производстве глинозема из алунитов одновременно получают H2SO4 и K2SO4. Алунитовую руду обжигают при 500−580°С в восстановительной атмосфере и обрабатывают раствором NaOH по способу Байера.
Для производства высокопрочной корундовой керамики применяют порошок оксида алюминия, полученный термическим разложением некоторых солей алюминия, например, азотнокислого, алюмоаммиачных квасцов различной степени чистоты. Оксид алюминия, полученный при разложении солей, является высокодисперсным порошком γ-Al2O3 (при прокаливании до 1200°С) и обладает большой химической активностью.
Для получения ультра- и нанодисперсных порошков Аl2O3, которые используются в технологии конструкционной и инструментальной керамики, широкое распространение получил способ совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС).
Сущность метода СОГ заключается в растворении солей алюминия, например, AlCl3 в растворе аммиака и последующем выпадении образующихся гидратов в осадок. Процесс ведут при низких температурах и больших сроках выдержки. Полученные гидроксиды сушат и прокаливают, в результате образуется порошок Аl2O3 с размером частиц 10−100 нм.
В технологии ПХС водный раствор Al (NO3)3 подается в сопло плазмотрона. В каплях раствора возникают чрезвычайно высокие температурные градиенты, происходит очень быстрый процесс синтеза и кристаллизации Аl2O3. Частицы порошка имеют сферическую форму и размер 0,1−1 мкм.
Применение оксида алюминия
Широчайшее использование оксида алюминия обусловлено структурными особенностями его модификаций, которые, в свою очередь, определяют дисперсность и состояние поверхности оксида. Ценные свойства материала обеспечивают ему устойчивый спрос в разных отраслях промышленного производства.
Синтетический α-оксид алюминия применяется:
Синтетический α-оксид алюминия применяется:
- Как промежуточный продукт в производстве алюминия (основная область использования).
- Для огнеупорных, химически стойких и абразивных материалов (в виде порошка).
- Для изготовления лазеров (в виде кристаллов).
- Для изготовления синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов – Сr2О3 (красный цвет), Тi2О3 и Fe2О3 (голубой цвет).
- Для изготовления опорных камней часовых механизмов.
Алюмогель, γ-оксид алюминия и его смесь с η-оксидом алюминия применяется:
- В качестве адсорбента для осушки газов (например, Н2, Аг, С2Н2).
- В качестве адсорбента жидкостей (ароматических углеводородов, керосина и др.).
- В качестве катализатора (например, дегидратации спиртов, изомеризации олефинов, разложения H2S).
- В качестве носителя для катализаторов (например, Со-МоО3, Pd, Pt).
- При получении керамических резцов, электротехнической керамики.
- В хроматографии.
Оксиды алюминия являются одним из наиболее известных и хорошо исследованных материалов, используемых в качестве осушителей газов и адсорбентов. В больших количествах оксид алюминия используется в качестве носителя катализаторов.
Оксид алюминия в зависимости от чистоты и области применения условно можно разделить на две группы:
Оксид алюминия в зависимости от чистоты и области применения условно можно разделить на две группы:
1
Оксид алюминия высокой чистоты (99,99%), применяемый в производстве монокристаллов лейкосапфира для лазерной техники, для производства подложек сверх-ярких светодиодов, солнечных элементов, интегральных микросхем, для производства специальных видов керамики, катализаторов, медицинских инструментов, лекарств и косметики.
2
Оксид алюминия для нефтяной, химической и газовой промышленностей, который может является адсорбентом, осушителем газов, катализатором риформинга, катализатором процессов Клауса и Сульфрен, носителем катализаторов. Содержание оксида алюминия в таких продуктах приблизительно составляет от 92,5% и выше (по данным статистики ВЭД).
Таблица 1 — Примеры использования ряда оксидов алюминия
Дополнительные возможности применения оксида алюминия:
- Технологическим новшеством проекта «Новомет» госкорпорации «Роснано» является использование защитных и функциональных наноструктурированных покрытий на основе карбида вольфрама с применением оксида титана, оксида алюминия, хрома и молибдена.
- Оксид алюминия является наполнителем полиэфирэфиркетона (ПЭЭК).
- Алюминия оксид входит в состав Алюминия оксинитрида, например, марки AloN-40 (алюминия нитрида 70%; алюминия оксида 30%). Алюминия оксинитрид в свою очередь применяется для изготовления теплопроводящих паст и компаундов.
- В 2012 году ГК «Эпидбиомед» и ОАО «Роснано» планировали инвестировать 4 095 млн руб. в производство фармпрепаратов с наноносителями. Эффективность вакцин повышается за счет ее модификации оксидом алюминия.
В следующем материале мы подробно опишем возможности применения оксида алюминия в каталитических процессов, для производства катализаторов и их носителей.
Вы можете задать любой интересующий вас вопрос, заполнив форму обратной связи, или по телефонам в разделе «Контакты».
Будем рады сотрудничеству!
Будем рады сотрудничеству!
Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!
Другие материалы:
Мы публикуем интересные новости о реальном секторе экономике и отвечаем на вопросы, возникающие у производственников. Подпишитесь и первым узнавайте об обновлениях: