Aluminiumoxid: Ich kann nicht mit Natrium koexistieren!
Hochtemperatur-Aluminiumoxid wird aus industriellem Aluminiumoxidhydrat als Hauptrohstoff durch Kalzinierung zur Dehydratisierung und Kristallphasenumwandlung hergestellt. Da industrielles Aluminiumoxidhydrat in einem alkalischen Medium hergestellt wird, enthält Hochtemperatur-Aluminiumoxid zwangsläufig eine gewisse Menge an Verunreinigungen.
Gefahren von Natriumoxid
Der Gehalt an Natriumoxidverunreinigungen ist die wichtigste Grundlage für die Klassifizierung von Hochtemperatur-Aluminiumoxidprodukten und beeinflusst maßgeblich die physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Produktqualität und die Anwendungsleistung der Folgeprodukte. Beispiele:
Bei der Verwendung von Hochtemperatur-Aluminiumoxid als verschleißfeste Keramik beeinflusst der Na₂O-Gehalt direkt die Druckfestigkeit und die elektrische Isolierung von Aluminiumoxidprodukten. Generell gilt: Je höher der Na₂O-Gehalt, desto höher die elektrische Leitfähigkeit und desto schlechter die elektrische Isolierung von Aluminiumoxidkeramiken und verschleißfesten Produkten. Gleichzeitig führt dies zu einer geringeren Umwandlungsrate von α-Al₂O₃, wodurch die Qualitätsanforderung, dass der α-Al₂O₃-Gehalt in Hochtemperatur-Aluminiumoxid über 95 % liegen muss, nicht erfüllt wird. Dies führt zu Verformungen und Rissen in Aluminiumoxidkeramiken und verschleißfesten Produkten.
In elektronischer Keramik beeinflusst das Vorhandensein von Na₂O nicht nur die Dichte der elektronischen Keramik, sondern führt aufgrund der Kombination von Na₂O und Al₂O₃ auch zur Bildung von β-Al₂O₃ mit einer bestimmten Leitfähigkeit und beeinflusst dadurch deren elektrische Eigenschaften.
In elektronischer Keramik beeinflusst das Vorhandensein von Na₂O nicht nur die Dichte der elektronischen Keramik, sondern führt auch dazu, dass sich Na₂O mit Al₂O₃ verbindet und β-Al₂O₃ mit einer bestimmten Leitfähigkeit bildet, wodurch die elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden.
Woher kommen Natriumverunreinigungen?
Das Na₂O in Hochtemperatur-Aluminiumoxid stammt aus dem Rohstoff Aluminiumoxidhydrat. Na₂O in Aluminiumoxidhydrat ist eine der Hauptverunreinigungen, die während des Aluminiumoxid-Herstellungsprozesses entstehen. Das in Aluminiumoxidhydrat enthaltene Na₂O kommt in drei (oder vier) Formen vor.
Ⅰ. Die Mutterlauge gehört zu den wasserlöslichen Alkalien und liegt in Form von gebundenem Alkali vor. Na₂O kann durch Waschen mit Wasser entfernt werden; das eingekapselte Alkali ist schwer auszuwaschen und kann nur teilweise entfernt werden.
Ⅱ. Gitteralkali ist in Wasser unlöslich und kann nur durch eine Neuanordnung der Gitterstruktur zu wasserlöslichem Alkali werden.
Ⅲ. Kombinierte Alkalien sind in Wasser, Säure oder Lauge unlöslich und zersetzen sich auch bei hohen Temperaturen nicht.
Faktoren, die den Natriumoxidgehalt im Rohstoff Aluminiumhydroxid beeinflussen
Da die Natriumverunreinigungen in Aluminiumoxid hauptsächlich von seinem Vorläufer, Aluminiumhydroxid, stammen, stellt sich die Frage, welche Faktoren den Gehalt an Natriumverunreinigungen in Aluminiumhydroxid beeinflussen.
Der Natriumoxidgehalt in Aluminiumhydroxid wird von vielen Faktoren beeinflusst. Während der Impffällung wirken sich Konzentration der ursprünglichen Zersetzungslösung, Zersetzungstemperatur, Zersetzungszeit usw. direkt darauf aus. In der Produktionspraxis beeinflussen jedoch auch folgende Faktoren den Natriumoxidgehalt maßgeblich:
(1) Anfangstemperatur der Zersetzung im Keimfällungsverfahren
Im Zersetzungsprozess werden üblicherweise verschiedene Kühlmaßnahmen ergriffen, um die Ausbeute an Aluminiumhydroxid zu verbessern, was zu einem Anstieg des Gehalts an nicht auswaschbarem Alkali im Produkt führt. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass der Hauptfaktor, der das unlösliche Natriumoxid in den Zersetzungsprodukten beeinflusst, die anfängliche Zersetzungstemperatur ist. Je niedriger die Anfangstemperatur, desto höher ist der Gehalt an unlöslichem Natriumoxid im Produkt.
(2) Partikelgröße von Aluminiumhydroxidprodukten
Während des Saatfällungsprozesses des Bayer-Verfahrens werden Materialien häufig periodisch verfeinert. Gleichzeitig ist das Umlaufvolumen der Saatfällungsmaterialien groß, und der Verfeinerungszyklus dauert oft relativ lange. Bei der Verfeinerung der Materialien erhöht sich die Menge der von Aluminiumhydroxid auf der flachen Scheibe mitgerissenen Mutterlauge, was zu mehr nicht auswaschbarem Alkali führt. Die Materialien binden sehr fest aneinander, was zu einer schlechten Luftdurchlässigkeit und Filterleistung der Materialien führt, was leicht zu zonenübergreifender Kontamination führen und den Natriumoxidgehalt der Produkte beeinträchtigen kann.
(3) Feststoffgehalt in der ursprünglichen Zersetzungslösung
Der Feststoffgehalt im Zersetzungsbehälter wird von vielen Faktoren beeinflusst, wie z. B. einem Ungleichgewicht zwischen Produktion und Reinigung, einer geringen Effizienz des Saatfilters, der Inbetriebnahme oder Isolierung des Zersetzungsbehälters und Schwankungen der Zersetzungsrate. Diese Faktoren führen häufig zu starken Schwankungen des Feststoffgehalts im Endbehälter. Sinkt der Feststoffgehalt, verdünnt sich das Material zu stark, und die flache Scheibe neigt zu zonenübergreifender Kontamination. Dies beeinträchtigt die Produktqualität und führt zu einem Anstieg des Natriumoxidgehalts im Aluminiumhydroxid.
Wie entfernt man Natrium?
Zu den derzeit gängigen Verfahren zur Natriumentfernung zählen vor allem die folgenden:
Die erste Methode besteht darin, den Gehalt an kristallinem Alkali und interkristallinem Alkali zu reduzieren, beispielsweise durch eine Verlängerung der Zersetzungszeit während des Zersetzungsprozesses von Aluminiumhydroxid, und den Gehalt an anhaftendem Alkali durch mehrere Waschvorgänge zu minimieren.
Die zweite Methode besteht in der sinnvollen Auswahl von Mineralisatoren. Die Hauptfunktion von Mineralisatoren besteht darin, die Gitterdefekte von Aluminiumoxid zu erhöhen und Kationen- und Anionenleerstellen zu bilden. Dadurch wird die Kristallisation beschleunigt und die Temperatur der α-Phasentransformation effektiv gesenkt. Gleichzeitig können Mineralisatoren mit Natriumoxid in Aluminiumoxid reagieren und flüchtige Natriumverbindungen bilden. Daher werden Mineralisatoren häufig beim Kalzinieren von Hochtemperatur-Aluminiumoxid eingesetzt. Zu den häufig verwendeten Mineralisatoren gehören Aluminiumfluorid, Borsäure, Magnesiumoxid und Ammoniumnitrat.
Die dritte Methode besteht in der Vorbehandlung der Rohstoffe: Durch Zugabe von Säure in einem Nassverfahren wird eine Säure-Base-Neutralisation zur Natriumentfernung durchgeführt. Anschließend werden die nach der Reaktion entstandenen Salze mit heißem Wasser abgewaschen. Der Natriumentfernungseffekt variiert je nach den vorhandenen Natriumoxidformen in den Rohstoffen, und der Natriumgehalt kann auf unter 0,05 % gesenkt werden. Diese Methode kann die Produktqualität deutlich verbessern.