Оксид алюмінію – одна з найпоширеніших на планеті хімічних речовин і, водночас, одна з найбільш затребуваних у промисловості. Саме з натуральної сировини з її вмістом одержують металевий алюміній, що використовується у виробництві синтетичних дорогоцінних каменів, лазерів, абразивів, вогнетривких матеріалів. Що найважливіше, оксид алюмінію є незамінним в якості каталізатору та його носія в низці ключових промислових процесів.

Основні характеристики оксиду алюмінію

Почнемо з того, які властивості характерні для цієї речовини. Оксид алюмінію – це хімічна сполука на основі алюмінію та кисню. У природних умовах вона поширена як частина глинозему, куди, крім оксиду цього металу, входять магній, калій, натрій і т. д. Сам глинозем майже повністю складається з альфа- та гамма-модифікацій оксиду алюмінію й виглядає як кристалічний порошок білого кольору.

Є кілька видів оксиду цього металу, які різняться між собою хімічними характеристиками та сферами застосування. Модифікації глинозему бувають альфа-, бета- та гамма-типу, причому альфа та гама являють собою чистий оксид алюмінію, а бета – групу алюмінію з високим вмістом окису алюмінію.

Корунд, або альфа-оксид алюмінію – це мінерал, який має вигляд великих кристалів, він прозорий, буває синього (сапфір) та червоного кольору (рубін). Корунд використовують для виготовлення робочих тіл лазерів і навіть каменів для точних механізмів.

Гамма-оксид алюмінію має кубічну форму, у природі його не існує – така форма виходить під час термічної обробки гідратів оксиду алюмінію. Потім при наступному нагріванні гами-форми Аl2O3 безповоротно перетворюється на альфа-форму. Його використовують у промисловості як осушувач у різних процесах на хімічних та нафтохімічних виробництвах, а також як носій каталізаторів.

Бета-оксид алюмінію не є чистим видом цієї речовини, а є низкою алюмінію лужних і лужноземельних металів. Вони відрізняються високим загальним вмістом окису алюмінію. У глиноземах концентрація лужних і лужноземельних оксидів часом становить до 8-10%.

У процесі нагрівання до температури 1600-1700°С бета-варіанту глинозему виділяється альфа-оксид алюмінію в газоподібному стані. Наявність бета-глинозему в обпаленому корунді знижує його електрофізичні властивості, загальну механічну міцність, тому вважається небажаним. В основному бета-оксид алюмінію застосовується в промисловості як твердий варіант металопровідного електроліту.

Варто також згадати аморфний вид оксиду алюмінію – алюмогель, який утворюється у процесі дегідратації гелеподібного Аl(ОН)3. Він являє собою пористу речовину, іноді прозору.

Способи отримання оксиду алюмінію

Як вихідну сировину для отримання оксиду алюмінію використовують нефеліни, алуніти, боксити. Якщо оксиду алюмінію міститься понад 6-7%, тоді для виробництва використовують основну методику – спосіб Байєра. Якщо концентрація речовини в них нижче, тоді застосовують метод спікання руди з содою чи вапном.

Давайте детальніше зупинимося на методах синтезу оксиду алюмінію:

  1. Метод Байєра – це гідрохімічний спосіб виділення глинозему з бокситів. Це пропускання подрібненої породи через кульові млини, потім − обробка бокситів лужними розчинами за температури 225-250°С. Отриманий в результаті склад алюмінату натрію розбавляють водою, а потім фільтрують. У процесі ретельної фільтрації весь шлам, який містить оксид алюмінію у стандартній формі, піддають процедурі розкладання на центрифугах.

При цьому виділяється приблизно половина утвореного Аl(ОН)3. Його знову відфільтровують, а потім прожарюють при температурі ~1200°C. В результаті одержують глинозем, який у своєму складі містить від 15% до 60% альфа-Аl2О3. Використання цієї методики дозволяє зберегти матковий розчин для подальшого використання в операціях з вилуговування бокситів.

  1. Метод спікання руди з використанням соди або вапна працює так – висококремнисту подрібнену руду змішують з однією або іншою речовиною і потім спікають у печах, що обертаються, при температурі в 1250-1300°С. Потім цю масу:
  • вилуговують за допомогою водного розчину;
  • відокремлюють розчин алюмінату N від шламу;
  • звільняють від SiO2, використовуючи метод осадження в автоклаві при приблизному тиску 0,6 МПа;
  • обробляють вапном при атмосферному тиску;
  • алюмінат розкладають за допомогою газоподібного СО2.

Отриманий в результаті Аl(ОН)3 відокремлюють від розчину й прожарюють у печі при температурі приблизно 1200°C.

При переробці нефеліну отримують цемент, Na2CO3, глинозем та K2CO3, алуніту – K2SO4, H2SO4 та глинозем. У випадку з алунітовою рудою її обпалюють у відновній атмосфері при температурі 500-580°С, а потім методом Байєра обробляють розчином NaOH.

Щоб отримати високоміцну корундову кераміку, використовується порошкоподібний оксид алюмінію. Його одержують шляхом термічного розкладання деяких солей алюмінію різного ступеня чистоти. Речовина, отримана при розкладанні цих солей і при прожарюванні до 1200°С, є високодисперсним порошком гамма-Al2O3 і має високий рівень хімічної активності.

Щоб отримати ультра- та нанодисперсні порошки Аl2O3, які успішно використовуються в технології конструкційної та інструментальної кераміки, використовують спосіб спільного осадження гідроксидів (СОГ) та плазмохімічного синтезу (ПХС).

Почнемо з методу СОГ − він полягає в розчиненні солей алюмінію в розчині аміаку і подальшому випаданні в осад гідратів, що утворюються під час цієї реакції. Сам хімічний процес проводять за низьких температур і за умови великих термінів витримки. Отримані в результаті гідроксиди алюмінію сушать і прожарюють, завдяки чому утворюється порошок Аl2O3. Розмір його частинок становить 10-100 нм.

Відповідно до технології ПХС водний розчин Al(NO3)3 подається в сопло плазмотрону, де завдяки надзвичайно високим температурним градієнтам відбувається прискорений процес синтезу Аl2O3, а потім і його кристалізація. В результаті розмір часток цього порошку становить 0,1-1 мкм.

Сфери застосування оксиду алюмінію

Широкий спектр варіантів використання оксиду алюмінію обумовлений насамперед структурними особливостями речовини та її модифікацій – йдеться про стан поверхні оксиду та його дисперсність. У різних галузях промислового виробництва саме цінні властивості речовини гарантують йому стійкий попит і затребуваність.

Оксид алюмінію, залежно від своєї чистоти й сфери застосування, поділяють на 2 групи:

  • Висока чистота (99,99%) – такий матеріал застосовується для отримання монокристалів лейкосапфіру, що використовується в лазерній техніці. Також він необхідний для виготовлення підкладок для сонячних елементів, над’яскравих світлодіодів, інтегральних мікросхем. Знайшлося йому застосування й у виробництві каталізаторів, особливих видів кераміки, ліків і медичних інструментів, а також косметики.
  • Чистоти рівня 92,5% і вище – такий оксид алюмінію використовується в газовій, хімічній та нафтовій промисловостях.

Синтетичний варіант альфа-оксиду алюмінію використовується:

  • У виробництві алюмінію як проміжний продукт − це основна сфера його застосування.
  • Для виготовлення хімічно стійких, вогнетривких й абразивних матеріалів (у порошкоподібному вигляді).
  • У вигляді кристалів для лазерів.
  • Для отримання дорогоцінного каміння синтетичного походження (сапфірів, рубінів тощо). Фарбують їх домішками з урахуванням оксидів інших металів.
  • Для створення опорного каміння, призначеного для механізмів годинника.

Аморфний алюмогель та його суміш з η-оксидом алюмінію застосовується:

  • для осушення газів як адсорбент;
  • як адсорбент для рідин (гасу, ароматичних вуглеводнів тощо);
  • у хроматографії;
  • як каталізатор у процесах ізомеризації олефінів, дегідратації спиртів, розкладання H2S;
  • як носій для каталізаторів;
  • при отриманні електротехнічної кераміки й керамічних різців.

Крім того, оксид алюмінію виступає в ролі наповнювача поліефірефіркетону, міститься в складі алюмінію оксинітриду (речовини, що використовується для виробництва компаундів і теплопровідних паст).