Оксид алюмінію
Окси́д алюмі́нію (рос. алюминия оксид, англ. aluminium oxide, нім. Aluminiumoxyd) — сполука алюмінію з киснем Al2O3 — безбарвна кристалічна речовина. Білі кристали, нерозчинні у воді, хімічно дуже стійкі, температура плавлення 2050 °C. У воді оксид алюмінію не розчиняється і не взаємодіє з нею. З кислотами він реагує як основний оксид, а з лугами — як кислотний оксид:
- Al2O3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2O
- Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O
Зустрічається у природі у вигляді мінералів корунду, рубіну, сапфіру. Застосовують для одержання алюмінію, виготовлення вогнетривів, абразивів, каталізаторів, сорбентів тощо.
Промислове виробництво
Глинозе́м, або оксид алюмінію, є основним вихідним матеріалом для виробництва алюмінію. Крім цього, він використовується й в інших сферах народного господарства: для виробництва багатьох видів кераміки, різних сортів скла, нанесення покриттів для захисту металів від окиснення, дії агресивних середовищ і ерозійного зносу, і т. д.
Алюміній має високу хімічну активність і тому в природі зустрічається тільки в зв'язаному стані, у формі різних мінералів і гірських порід. Близько 250 різних мінералів містять алюміній. Проте основною сировиною для виробництва глинозему служить боксит (приблизно 95 % світового виробництва глинозему). Пояснюється це головним чином тим, що вміст оксиду алюмінію в промислових сортах бокситу вище, а кремнезему нижче, ніж в інших алюмінієвих рудах, а також нефелінів та алунітів. Запаси сировинних матеріалів у світі в цілому обмежені, а в Україні взагалі немає промислових запасів цих мінералів.
Багато видів небокситової сировини вигідно відрізняються від бокситу тим, що містять у своєму складі, крім оксиду алюмінію, і інші корисні елементи, як, наприклад, натрій і калій у нефеліні, лужні метали і сірка в алуніті й ін. Тому промислова переробка цих руд на глинозем, незважаючи навіть на знижений вміст у них оксиду алюмінію, цілком доцільна і вигідна, якщо переробку вести комплексно, тобто з використанням не тільки оксиду алюмінію, але й інших складових цих руд. Таким, наприклад, є виробництво глинозему з глинистої сировини, при якому поряд із глиноземом можна одержувати соду, поташ і цемент. Особливо це актуально для Донецької області, де багато родовищ глини, у тому числі з високим вмістом А120з. Наприклад часів'ярська особлива глина містить до 35 % А120з
Способи одержання
Відкритий у 1899 р. Байєром так званий гідрохімічний спосіб одержання оксиду алюмінію з бокситів і донині є основним у світовій алюмінієвій промисловості. Цей спосіб досить ефективний і простий, але він може застосовуватися тільки при використанні високоякісних, низькокремністих бокситів з невеликим змістом домішок. Світові запаси таких матеріалів обмежені.
Широке поширення одержав спосіб спікання — більш дорогий, але універсальніший, сировиною для якого служать боксити більш низької якості, нефеліни, алуніти, глиниста сировина, каолініти, кам'яновугільний попіл, серицити й інші алюмосилікатні породи, запаси яких практично невичерпні. Тому переробка цієї сировини способом спікання на глинозем, незважаючи навіть на знижений вміст оксиду алюмінію, цілком доцільна і вигідна, тому що крім глинозему при способі спікання утворюються побічні корисні продукти.
Крім класичних способів отримання глинозему — гідрохімічного та спікання, у виробництво впроваджені й інші апаратурно-технологічні схеми виробництва глинозему:
- паралельно і послідовно комбіновані способи Байєр-спікання для переробки низькокремнистих і висококремнистих бокситів,
- спосіб спікання для переробки висококремнистих бокситів і нефелінів,
- відновно-лужний спосіб для переробки алунітів, гідролужні способи для переробки низькоякісних бокситів і нефелінів.
Практичний дослід одержання в лабораторії
Досліджується можливість отримати оксид алюмінію способом спікання з глинистої сировини.
В якості об'єкта дослідження взято глину часів'ярську особливу, яка має наступний хімічний склад: 35 % A1203, 4 % Na20,K2O, 50 % SiO2, 0,5 % Fe203 and 1 % СaО (мас. %).
В лабораторних умовах на основі глини складалися суміші для спікання з карбонатною породою (крейда). Крейда вводиться в шихту згідно з молярним співвідношенням СаО:Sі02, яке дорівнює 2,0 ± 0,03. Для отримання малорозчинного ортосилікату кальцію (2Са0-SiO2).
Вихідні матеріали попередньо подрібнювались, дозувалися та ретельно змішувались. Підготовлену шихту спікали при 1200 °C з витримкою продовж 30 хвилин у муфельній електричній печі. Ця стадія направлена на звязування оксиду кремнію й переводу оксиду алюмінію до розчинної у воді сполуки. Цей процес характеризуються наступною узагальненою хімічною реакцією:
(Na,K)2O•A1203•2SiO2+ 4CaCO3 = (Na,K)2O•A1203+ 2(2CaO•SiO2)+ 4CO2
Подроблений спік для відділення алюмінатів лужних металів від решти спіку піддавали вилуговуванню. Вилуговування проводилося гарячим насиченим лужним розчином. Після вилуджування необхідно знекремнити розчин, тобто видалити кремнезем, який знаходиться у розчині, для підвищення якості глинозему. Знекремнення проводили у дві стадії. На першій стадії створюються умови для найбільш повної кристалізації гідроалюмосилікату натрію. Друга стадія — це стадія глибокого знекремнення. Знекремнення проводилось довгим кип'ятінням розчину на електричній плитці.
3CaO•Al2O3•mSiO2•(6-2m)H2O + 3mNa2CO3 + 2mH2O= =3CaCO3 + mNa2SiO2(OH)2 + 2NaAl(OH)4 + 2(2-m)NaOH
Вилучення гідрату алюмінію здійснювалось шляхом карбонізації: протягом 5 годин при температурі 80 °C крізь розчин повільно пропускався вуглекислий газ. При цьому сполуки натрію й калію, що міститься в розчині, переводяться у гідрокарбонати, що викликає випадіння гідрату алюмінію в осад. Процес відбувається за трьома наступними реакціями:
2NaOH + CO2=Na2CO3 + H2O, NaAl(OH)4= NaOH + Al(OH)3, Na2CO3 + 2Al(OH)3=Na2O•Al2O3•2CO2•2H2O + 2NaOH
На заключному етапі гідрат відфільтровувався.
Попередні лабораторні дослідження показали, що можна вилучити приблизно 80 % оксиду алюмінію, який міститься у глині. Необхідні подальші дослідження, які повинні бути спрямовані на оптимізацію технології, на підвищення ефективності вилучення глинозему.
Джерела
- Ф. А. Деркач «Хімія» Л. 1968
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
|
Це незавершена стаття з хімії. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її. |