Оксид алюминия − одно из самых распространенных на планете химических веществ и вместе с тем одно из самых востребованных в промышленности. Именно из натурального сырья с его содержанием получают металлический алюминий, используемый в производстве синтетических драгоценных камней, лазеров, абразивов, огнеупорных материалов. Что самое важное, оксид алюминия просто незаменим в роли катализатора и его носителя в ряде ключевых промышленных процессов.

Главные характеристики оксида алюминия

Начнем с того, какие свойства характерны для этого вещества. Оксид алюминия – это химическое соединение на основе алюминия и кислорода. В естественных условиях оно распространено как часть глинозема, куда, кроме оксида этого металла, входят магний, калий, натрий и т. д. Сам глинозем почти полностью состоит из альфа- и гамма-модификаций оксида алюминия и выглядит как кристаллический порошок белого цвета.

Есть несколько видов оксида этого металла, которые различаются между собой химическими характеристиками и сферами применения. Модификации глинозема бывают альфа-, бета- и гамма-типа, причем альфа и гамма являют собой чистый оксид алюминия, а бета − группу алюминатов с высоким содержанием в своем составе окиси алюминия.

Корунд, или альфа-оксид алюминия – это минерал, который имеет вид крупных кристаллов, он прозрачный, бывает синего (сапфир) и красного цвета (рубин). Корунд используют для изготовления рабочих тел лазеров, а также камней для точных механизмов.

Гамма-оксид алюминия имеет кубическую форму, в природе его не существует – такая форма получается во время термической обработки гидратов оксида алюминия. Затем при последующем нагревании гаммы-формы Аl2O3 необратимо переходит в альфа-форму. Его используют в промышленности как осушитель в разных процессах на химических и нефтехимических производствах, а также как носитель катализаторов.

Бета-оксид алюминия является не чистым видом этого вещества, а представляет собой ряд алюминатов щелочных и щелочноземельных металлов. Они отличаются высоким общим содержанием в своем составе окиси алюминия. В глиноземах концентрация щелочных и щелочноземельных оксидов порой составляет до 8-10%.

В процессе нагревания до температуры в 1600-1700°С из бета-варианта глинозема выделяется альфа-оксид алюминия в газообразном состоянии. Наличие бета-глинозема в обожженном корунде снижает его электрофизические свойства, общую механическую прочность, поэтому это считается нежелательным. В основном, бета-оксид алюминия применяется в промышленности как твердый вариант металлопроводящего электролита.

Стоит также упомянуть аморфный вид оксида алюминия – алюмогель, который образовывается в процессе дегидратации гелеобразного Аl(ОН)3. Собой он представляет пористое вещество, иногда прозрачное.

Способы получения оксида алюминия

В качестве исходного сырья для получения оксида алюминия используют нефелины, алуниты, бокситы. Если оксида алюминия в них содержится более 6-7%, тогда для производства используют основную методику – способ Байера. Если концентрация вещества в них ниже, тогда применяют метод спекания руды с содой или известью.

Давайте более подробно остановимся на методах синтеза оксида алюминия:

  1. Метод Байера − это гидрохимический способ выделения глинозема из бокситов. Это пропускание измельченной породы через шаровые мельницы, затем − обработка бокситов щелочными растворами при температуре 225-250°С. Полученный в итоге состав алюмината натрия разбавляют водой, а затем фильтруют. В процессе тщательной фильтрации весь шлам, который содержит оксид алюминия в стандартной форме, подвергают процедуре разложения на центрифугах.

При этом выделяется примерно половина образовавшегося Аl(ОН)3. Его снова отфильтровывают, а затем прокаливают при температуре ~ 1200 °C. В результате получают глинозем, который в своем составе содержит от 15% до 60% альфа-Аl2О3. Использование этой методики позволяет сберечь маточный раствор для дальнейшего использования в операциях по выщелачиванию бокситов.

  1. Метод спекания руды с использованием соды или извести работает так – высококремнистую измельченную руду смешивают с одним или другим веществом и затем спекают во вращающихся печах при температуре в 1250-1300°С. Затем эту массу:
  • выщелачивают с помощью водного раствора;
  • отделяют раствор алюмината N от шлама;
  • освобождают от SiO2, используя метод осаждения в автоклаве при давлении около 0,6 МПа;
  • обрабатывают известью при атмосферном давлении;
  • разлагают алюминат с помощью газообразного СО2.

Полученный в итоге Аl(ОН)3 отделяют от раствора и прокаливают в печи при температуре около 1200°C.

При переработке нефелина получают цемент, Na2CO3, глинозем и K2CO3, алунита − K2SO4, H2SO4 и глинозем. В случае с алунитовой рудой ее обжигают в восстановительной атмосфере при температуре 500−580°С, а потом по методу Байера обрабатывают раствором NaOH.

Чтобы получить высокопрочную корундовую керамику используется порошкообразный оксид алюминия. Его получают путем термического разложения некоторых солей алюминия различной степени чистоты. Вещество, полученное при разложении этих солей и при прокаливании до 1200°С, является высокодисперсным порошком гамма-Al2O3 и обладает высоким уровнем химической активности.

Чтобы получить ультра- и нанодисперсные порошки Аl2O3, которые успешно используются в технологии конструкционной и инструментальной керамики, используют способ совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС).

Начнем с метода СОГ – он заключается в растворении солей алюминия в растворе аммиака и последующем выпадении в осадок образующихся в ходе этой реакции гидратов. Сам химический процесс проводят при низких температурах и при условии больших сроков выдержки. Полученные в итоге гидроксиды алюминия сушат и прокаливают, в результате образуется порошок Аl2O3. Размер его частиц составляет 10-100 нм.

Согласно технологии ПХС водный раствор Al(NO3)3 подается в сопло плазмотрона, где благодаря чрезвычайно высоким температурным градиентам происходит ускоренный процесс синтеза Аl2O3, а затем и его кристаллизация. В итоге частицы этого порошка имеют размер 0,1-1 мкм.

Сферы применения оксида алюминия

Широкий спектр вариантов использования оксида алюминия обусловлен, в первую очередь, структурными особенностями вещества и его модификаций – речь идет о состоянии поверхности оксида и его дисперсности. В разных отраслях промышленного производств именно ценные свойства вещества гарантируют ему устойчивый спрос и востребованность.

Оксид алюминия, в зависимости от своей чистоты и сферы применения, делят на 2 группы:

  • Высокой чистоты (99,99%) – такой материал применяется для получения монокристаллов лейкосапфира, используемых в лазерной технике. Также он нужен для изготовления подложек для солнечных элементов, сверхярких светодиодов, интегральных микросхем. Нашлось ему применение и в производстве катализаторов, особых видов керамики, лекарств и медицинских инструментов, а также косметики.
  • Чистоты уровня 92,5% и выше – такой оксид алюминия используется в газовой, химической и нефтяной промышленностях.

Синтетический вариант альфа-оксида алюминия используется:

  • В производстве алюминия как промежуточный продукт – это основная сфера, где его применяют.
  • Для изготовления химически стойких, огнеупорных и абразивных материалов (в порошкообразном виде).
  • В виде кристаллов для производства лазеров.
  • Для получения драгоценных камней синтетического происхождения (сапфиров, рубинов и т. д.). Окрашивают их примесями на основе оксидов других металлов.
  • Для создания опорных камней, предназначенных для механизмов часов.

Аморфный алюмогель и его смесь с η-оксидом алюминия применяется:

  • для осушки газов как адсорбент;
  • как адсорбент для жидкостей (керосина, ароматических углеводородов и т. д.);
  • в хроматографии;
  • как катализатор в процессах изомеризации олефинов, дегидратации спиртов, разложения H2S;
  • как носитель для катализаторов;
  • в получении электротехнической керамики и керамических резцов.

Кроме того, оксид алюминия выступает в роли наполнителя полиэфирэфиркетона, входит в состав алюминий оксинитрида (вещества, которое используется для производства компаундов и теплопроводящих паст).