Оксид алюминия: свойства, способы получения, применение

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.

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.

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.

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:

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:

В следующем материале мы подробно опишем возможности применения оксида алюминия в каталитических процессов, для производства катализаторов и их носителей.

Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!