اکسيد آلومينيوم (Al2O3) يک خانواده از ترکيبات غيرآلي با فرمول شيميايي Al2O3 است. اين اکسيد يک اکسيد آمفوتر مهم است. اکسيد آلومينيوم نام هاي تجاري متنوعي مانند آلومينا، کوراندوم (corundum و.... دارد. نام هاي تجاري متنوع اکسيد آلومينيوم نشان دهنده ي گستره ي وسيع استفاده از اين ماده در صنعت است. استفاده ي عمده از اکسيد آلومينيوم براي توليد فلز آلومينيوم است. اگر چه اين ماده همچنين به عنوان ساينده (به خاطر سختي بالا) و به عنوان يک ماده ي ديرگداز (به خاطر دماي ذوب بالا) استفاده مي شود.
کوراندوم عمده ترين فرم کريستالي اکسيد آلومينيوم است که در طبيعت وجود دارد. ياقوت سرخ (Ruby) و ياقوت کبود (Sapphire) سنگ هاي گران بهايي هستند که از کوراندوم تشکيل شده اند. علت وجود رنگ هاي متنوع در اينگونه آلومينا (کوراندوم) در اثر وجود ناخالصي هاست. ياقوت سرخ، رنگ قرمز خود را به دليل وجود ناخالصي کروم بدست آورده است. ياقوت کبود به رنگ هاي مختلفي در مي آيد. که اين تنوع رنگ به خاطر ناخالصي هاي مختلف مانند آهن و تيتانيم بوجود مي آيد.
خواص
اکسيد آلومينيوم يک عايق الکتريکي است. اما داراي رسانايي گرمايي به نسبت بالا (30wm-1k-1) است. البته اين رسانايي گرمايي با دما تغيير مي کند و عدد گزارش شده به طور ميانگين بيان شده است. همچنين رسانايي گرمايي آلومينا در بين سراميک ها بالاست. به دليل بالا بودن نقطه ي ذوب آلومينا اين ماده مقاومت و ثبات حرارتي بالايي دارد.
سختي بالاي کوراندوم (فراوان ترين فرم کريستالي موجود از آن) که به آن α- آلومينا گفته مي شود، باعث شده تا از اين ماده به عنوان يک جزء مناسب براي کاربردهاي ساينده (abrasive) و ابزار برش (cutting tools) باشد.
بوجود آمدن اکسيد آلومينيوم بر روي سطح فلز آلومينيوم عامل حفاظتي در برابر هوازدگي (weathering) است. آلومينيوم فلزي يک ماده ي بسيار واکنش پذير با اکسيژن اتمسفر است. و يک لايه ي محافظت کننده از آلومينا (به ضخامت 4 نانومتر) در مدت 100 پيکوثانيه بر روي بخش هاي در معرض هوا ايجاد مي گردد. اين لايه ي اکسيدي از اکسيد شدن تمام آلومينيوم جلوگيري مي کند. ضخامت و خواص اين لايه ي اکسيدي را مي توان بوسيله ي فرآيند آنودايزينگ (anodizing) تغيير داد. برخي از آلياژها مانند برنزهاي آلومينيومي از ويژگي آنودايزينگ استفاده مي کنند تا خاصيت مقاومت به خوردگي آنها بهبود يابد. آلوميناي بوجود آمده بوسيله ي فرآيند آنودايزينگ حالت آمورف دارد اما مي توان بوسيله ي فرايندهايي مانند اکسيداسيون الکتروليتي پلاسما (Plasma electrolytic oxidation)، لايه ي کريستالي از آلومينا بوجود آورد و سختي آلومينا را بالا برد.
آلومينا استحکام دي الکتريک خوبي دارد. اين ماده الکتروليت جامد نيست و از اين رو مانند اکسيد زيرکونيوم (zro2) عمل نمي کند و خواص دي الکتريک آن به فشار اکسيژن بستگي ندارد.
سختي آلومينا در مقياس موس 9 است. در اين طبقه بندي پس از الماس، آلومينا در رتبه ي دوم قرار دارد.
ساختار
عمده ترين فرم کريستالي آلومينا، کوراندوم است. يون هاي اکسيژن و آلومينيوم در ساختار کوراندوم به صورت هگزاگونال متراکم (HCP) درآمده اند. در واقع يون هاي اکسيژن د رحال هگزاگونال متراکم (HCP) هستند و يون هاي Al3+ دو سوم فضاهاي خالي 8 وجهي را اشغال کرده اند. هر مرکز Al3+ به صورت يک 8 وجهي است که از لحاظ کريستالوگرافي، کوراندوم با توجه به يون هاي Al3+ داراي شبکه ي تريگونال است. در واقع هر سلول واحد HCP، از 2 واحد فرمولي اکسيد آلومينيوم تشکيل شده است.
آلومينا همچنين به صورت فازهاي ديگر وجود دارد. اين فازها را براساس حروف يوناني نامگذاري مي کنند. اين فازها عبارتند از: θ, δ,ð, χ, η هر کدام از اين فازها داراي ساختار کريستالي و ويژگي خاص خود است. البته تمام اين فازها، فازهايي مياني و غيرپايدار هستند. پس از حرارت دهي آلومينا و تشکيل اين فازها در نهايت فاز α تشکيل مي شود.
فاز ð مي تواند مقداري در آب حل شود. که حلاليت اين فاز نشان دهنده ي نامناسب بودن آن در کاربرد است.
همچنين مي توان از ناپايداري برخي از فازهاي آلومينا استفاده کرد و از فعاليت هاي شيميايي آنها در کاربردهاي خاص بهره برد. مثلا مي توان از آنها به عنوان پايه کاتاليست و يا حتي کاتاليزور استفاده کرد.
توليد
کاني هاي هيدروکسيد آلومينيوم جزء عمده ي بوکسيت است. بوکسيت فراوان ترين سنگ معدن آلوميناست. مخلوطي از کاني هاي مختلف در سنگ بوکسيت وجود دارند. اين کاني ها عبارتند از:
1)گيبسيت (Al(OH)3)
2)بوهميت (ð -Alo(OH))
3)دياسپور (α-Alo(OH))
4)هيدروکسيد و اکسيد آهن
5)کوارتز
6)کاني هاي رسي
بوکسيت در خاک هاي سرخ (Laterites) وجود دارد. بوکسيت بوسيله ي فرآيند باير خالص سازي مي شود.
روش باير براي توليد پودر آلومينا
ماده ي اوليه ي مورد استفاده در روش باير بوکسيت است. اين بوکسيت بايد خلوصي بيش از 55 درصد داشته باشد تا فرآيند باير صرفه ي اقتصادي داشته باشد. ماده ي اوليه ي بدست آمده از معدن (بوکسيت) خردايش شده و در مخازن بزرگ و سربسته ي آب در سود حل مي گردد. با حل شدن بوکسيت در آب و بوسيله ي سودسوزآور، در محلول آلومينات سديم به صورت محلول در آب تشکيل مي شود. در مرحله ي بعد ناخالصي هاي نامحلول مانند آهن، سيليس وتيتان بوسيله ي فيلتراسيون جدا مي گردند. اين ناخالصي ها به لجن قرمز (redmad) معروفند. در مرحله ي بعد براي عکس کردن واکنس انحلال هيدروکسيد، گاز دي اکسيد کربن به داخل محلول دميده مي شود. و رسوب Al(OH)3 تشکيل مي شود. رسوب حاصله جداسازي، خشک و کلسيناسيون مي شود. آلوميناي حاصله خردايش و دانه بندي مي گردد.
به آلوميناي بدست آمده از روش باير، آلوميناي کلسينه شده مي گويند. عمل کلسيناسيون در روش باير در کوره ي دوار صورت مي پذيرد. در ابتداي کوره دما پايين است و عمل خشک شدن انجام مي شود. و در ادامه عمل تجزيه صورت مي پذيرد. ترکيباتي همچون کلرين ها، فلرين ها، بور مي توانند دماي تجزيه ي هيدروکسيد را کاهش دهند. همچنين اين عوامل، عامل جوانه زا براي تشکيل α- آلومينا هستند. وعلاوه بر دماي تجزيه ي هيدروکسيد، بر روي شکل ذرات نهايي اثرگذار هستند. هر چه دماي کوره (دماي تجزيه) بالاتر رود، تبديل مي تواند کامل تر صورت گيرد. در دماي 1400 درجه سانتيگراد در حدود 99-90درصد از هيدروکسيد به α-آلومينا تبديل مي شود و علاوه بر α آلومينا فاز مياني ð نيز وجود دارد. از اين رو برحسب دماي کوره و افزودني هاي مختلف، درصد α-آلومينا متفاوت است. در روش باير حتي مي توان آلومينايي با خلوص 99.99 درصد توليد نمود.
مشکلات روش باير
1)هزينه ي بالاي روش باير
2)روش باير به مخازن بزرگ آب نيازمند است.
3)مصرف آب در روش باير بالاست.
4)روش باير انرژي بر است، (براي گرم کردن مخازن آب نياز به انرژي زيادي داريم).
5)ضايعات، و باطله هاي روش باير زياد است.
6)ورود ناخالصي هايي همچون اکسيد سديم موجب تخريب خواص الکتريکي آلومينا شده و ما را مجبور مي کند تا با اعمال فرآيندهاي جانبي درصد اين گونه ناخالصي ها را کاهش دهيم.
در کاربردهاي الکتريکي ميزان يون سديم بسيار مهم است. يون سديم وارد ساختار آلومينا مي شود و به صورت فاز θ درمي آيد. اين فاز محلولي جامد از اکسيد سديم و آلوميناست که باعث تغيير خواص الکتريکي آلومينا مي شود و آلومينا را به يک الکتروليت جامد تبديل مي کند. الکتروليت هاي جامد با افزايش دما خاصيت رسانايي پيدا مي کنند. اکسيد سديم همچنين بر روي نقطه ي ذوب آلومينا تأثير گذاشته و آن را پايين مي آورد. پايين آمدن دماي ذوب آلومينا موجب اين مسئله مي شود که در دماهاي نسبتا پايين بخش هايي از آلومينا ذوب گشته و پس از سردشدن تشکيل فاز شيشه اي مي دهد. وجود فاز شيشه اي در برخي بدنه ها مانند بدنه هاي ديرگداز مضر بوده و باعث کاهش استحکام آنها مي شود. پس توجه به خلوص آلومينا در برخي صنايع مانند صنعت ديرگداز و الکترونيک و... ضروري به نظر مي رسد.
ويژگي هاي کليدي آلومينا
ويژگي هايي که آلومينا دارد و باعث شده است تا بتوان از آن در کاربردهاي بسيار استفاده بشود عبارتند از:
1)استحکام فشاري بالا
2)سختي بالا
3)مقاومت به سايش بالا
4)مقاومت در برابر حملات شيميايي بوسيله ي گستره ي وسيعي از مواد شيميايي حتي در دماهاي بالا
5)رسانايي گرمايي بالا
6)مقاومت در برابر شک حرارتي
7)ديرگدازي بالا
8)مقاومت دي الکتريک بالا
9)مقاومت الکتريکي بالا حتي در دماهاي بالا
10)شفافيت در برابر فرکانس هاي اشعه ي ميکروويو
11)ماده ي اوليه ي آن بسهولت قابل دسترسي است و قيمت آن داراي نوسان شديد نيست.
هيدروکسيدهاي آلومينيوم
آلومينيوم گستره ي وسيعي از هيدروکسيدها را توليد مي کند. برخي از اين هيدروکسيدها، ترکيباتي کريستالي و با خصوصيات شناخته شده اند. در حالي که برخي ديگر از آنها ترکيباتي آمورف و ناشناخته اند.
عمومي ترين تري هيدرات هاي آلومينيوم گيبسيت (gibbsite)، بايريت (bayerite) و نوردسترانديت (nordstrandite) هستند. اين در حالي است که اکسيد متداولتر آلومينيوم (هيدروکسيد آن) بوهميت (boehmite) و دياسپور (diaspore) هستند.
از لحاظ تجاري مهمترين شکل هيدروکسيدهاي آلومينيوم، گيبسيت است اگر چه بايريت و بوهميت نيز در مقياس صنعتي توليد مي شوند. هيدروکسيدهاي آلومينيوم داراي گستره ي کاربرد فراواني است مثلا از آنها به عنوان افزودني هاي ضد شعله در پلاستيک ها و رابرها، پرکننده هاي کاغذ و درزگيرها، فيلر خمير دندان، ضد اسيد، پوشش هاي تيتانيا و به عنوان ماده ي اوليه جهت توليد محصولات شيميايي آلومينوم دار مانند سولفات آلومينيوم، کلريدهاي الومينيوم، پلي آلومينيوم کلرايد، و آلومينيوم نيترات کاربرد دارد.
منبع انگليسي مقاله : Bauxites /IDA VALETON /ن