Welche Verunreinigungen müssen zur Herstellung von hochreinem Aluminiumoxid entfernt werden?

Juli 30, 2024

Bei hochreinen Pulverwerkstoffen ist die Reinheit die Grundlage für ihre besonderen Eigenschaften und Anwendungen. Das Vorhandensein von Verunreinigungen wirkt sich oft fatal auf ihre besonderen Eigenschaften und ihren hohen Mehrwert aus, ähnlich dem Sprichwort "ein fauler Apfel verdirbt das ganze Fass". Hochreines Aluminiumoxid wird beispielsweise in der Hightech-Industrie häufig verwendet, etwa für Leuchtstoffe, transparente Keramiken, elektronische Geräte, neue Energien, katalytische Materialien und Materialien für die Luft- und Raumfahrt. Es ist eines der hochwertigsten und am weitesten verbreiteten High-End-Materialien in der modernen Chemietechnik. Hochreines Aluminiumoxid hat mehrere Vorteile, die es zu einem idealen Medium für Sandstrahl- und Shotpeening-Verfahren machen:

Hohe Härte: Hochreines Aluminiumoxid hat eine hohe Härte, die Oxidschichten, Rost und andere Verunreinigungen effektiv von der Oberfläche des Werkstücks entfernen kann, ohne leicht zu brechen, wodurch die Lebensdauer des Mediums verlängert wird.
Hohe Abriebfestigkeit: Aufgrund seiner ausgezeichneten Verschleißfestigkeit kann hochreines Aluminiumoxid bei Sandstrahl- und Kugelstrahlverfahren eine stabile Leistung beibehalten, was den Verschleiß und die Häufigkeit des Austauschs reduziert und damit die Kosten senkt.
Chemische Beständigkeit: Hochreines Aluminiumoxid ist chemisch stabil und reagiert nicht leicht mit dem zu bearbeitenden Werkstück, wodurch die Qualität und Konsistenz der Werkstückoberfläche gewährleistet wird.
Leistung bei hohen Temperaturen: Hochreines Aluminiumoxid kann hohen Temperaturen standhalten und eignet sich daher für Sandstrahl- und Kugelstrahlarbeiten in Hochtemperaturumgebungen, wobei eine Zersetzung oder Verschlechterung des Mediums bei hohen Temperaturen vermieden wird.

In der tatsächlichen Produktion können jedoch Verunreinigungen wie Eisen, Natrium, Magnesium, Silizium und Kalzium auftreten. Diese Verunreinigungen treten meist in Form von Oxiden wie Fe₂O₃, Na₂O, CaO, MgO und CuO auf. Ihr unterschiedlicher Gehalt kann sich direkt auf die Leistung des Materials auswirken. Zum Beispiel kann Fe₂O₃ die Lumineszenz-Effizienz von Leuchtstoffen verringern, und SiO₂ kann die Sinterleistung von Aluminiumoxid verschlechtern, wodurch die Anwendung von hochreinem Aluminiumoxid in verschiedenen Bereichen stark eingeschränkt wird.

Wenn das zum Sandstrahlen und Verfestigungsstrahlen verwendete Aluminiumoxid nicht von hoher Reinheit ist, kann es zu folgenden Problemen führen

Geringere Härte und Verschleißfestigkeit: Aluminiumoxid mit unzureichendem Reinheitsgrad weist eine geringere Härte und Verschleißfestigkeit auf, so dass es während des Gebrauchs leichter bricht oder sich abnutzt, was die Lebensdauer des Mediums verkürzt und die Häufigkeit und die Kosten des Austauschs erhöht.
Auswirkungen auf den Behandlungseffekt: Aluminiumoxid mit niedrigem Reinheitsgrad kann Verunreinigungen enthalten, die die Werkstückoberfläche während des Sandstrahlens oder Kugelstrahlens verunreinigen und den Behandlungseffekt beeinträchtigen können. Dies kann zu ungleichmäßigen Behandlungsspuren oder Rückständen auf der Werkstückoberfläche führen und die Qualität und das Aussehen des Endprodukts beeinträchtigen.
Chemische Reaktionen: Niedrigreines Aluminiumoxid kann aktive chemische Substanzen enthalten, die während des Sandstrahlens oder Kugelstrahlens mit dem Werkstück reagieren und Korrosion oder eine Verschlechterung der Oberfläche des Werkstücks verursachen können, was dessen Leistung und Lebensdauer beeinträchtigt.
Schlechte thermische Stabilität: Aluminiumoxid mit niedrigem Reinheitsgrad ist bei hohen Temperaturen weniger stabil, was zu einer Zersetzung oder Verschlechterung führen kann, was die Stabilität und Wirksamkeit des Sandstrahl- und Kugelstrahlverfahrens beeinträchtigt. Bei Hochtemperaturanwendungen kann dies zu einem schnellen Versagen des Mediums führen.
Erhöhte Staubbelastung und Verschmutzung: Bei Aluminiumoxid mit niedrigem Reinheitsgrad ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich während des Betriebs Staub und Ablagerungen bilden, was die Reinigung und Wartung erschwert und zu Gesundheitsrisiken für die Bediener und zu Umweltverschmutzung führen kann.

Daher ist die Verwendung hochreiner Aluminiumoxid-Medien von entscheidender Bedeutung für die Wirksamkeit des Sandstrahl- und Kugelstrahlverfahrens und die Qualität des Werkstücks.

Zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung von hochreinem Aluminiumoxid gehören die Hydrolyse von Aluminiumalkoxid, die thermische Zersetzung von Ammoniumaluminiumsulfat und die thermische Zersetzung von Ammoniumaluminiumcarbonat. Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Entfernung von Verunreinigungen für hochreines Aluminiumoxid in erster Linie auf die Reinigung der bei diesen Verfahren verwendeten Rohstoffe.

Eisenverunreinigungen

Eisenverunreinigungen kommen im Hauptprodukt meist in Form von zwei- oder dreiwertigen Oxiden vor. Die Entfernung von Eisenverunreinigungen aus verschiedenen Stoffen wie Bauxit und Isopropylalkohol-Aluminium ist Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Bauxit, das in tropischem oder subtropischem Klima entsteht, ist in verschiedenen Gesteinen und Schiefergestein weit verbreitet und enthält häufig Verunreinigungen wie Ferrit, Goethit, Quarz, Kyanit, Korund und Titandioxid. Hochwertiges Bauxit enthält mindestens 40% Al₂O₃ und höchstens 15% SiO₂. Zu den Verunreinigungen von Bauxit minderer Qualität gehören vor allem Quarz, Fe₂O₃ und CaO. Bei der Gewinnung von Aluminiumoxid aus Bauxit durch Schwefelsäurelaugung stellte A. Aziz fest, dass die Fe-Verunreinigungen durch die Verwendung von 68%-Ethanol (C₂H₅OH) fast vollständig entfernt wurden, obwohl Ethanol teuer ist. Um das Verfahren wirtschaftlicher zu gestalten, kann Ethanol durch Kondensation zurückgewonnen und wiederverwendet werden.Eisen wird auch häufig bei der Herstellung von Aluminiumoxid nach der Aluminiumalkoxid-Methode gefunden. Isopropylalkohol-Aluminium kann mit Hilfe von Extraktions-Komplexierungs- und Komplexierungs-Kristallisationsverfahren gereinigt werden, wobei geeignete Komplexierungsmittel zur Abtrennung von Verunreinigungen auf der Grundlage der unterschiedlichen Löslichkeiten der verschiedenen Stoffe ausgewählt werden. Zu den Vorteilen dieser Methode gehört die Gewinnung von hochreinem Isopropylalkohol-Aluminium zu geringen Kosten, obwohl das Verfahren komplex und zeitaufwändig ist.Bei der Herstellung von hochreinem Aluminiumoxid aus Ammoniumaluminiumsulfat sind die üblichen Methoden zur Fe-Entfernung die Fällung, die Extraktion mit organischen primären Aminen und die Umkristallisierung. Die Ausfällung kann durch Zugabe von MnO₂, KMnO₄, K₃[Fe(CN)₆] oder K₄Fe(CN)₆-3H₂O erfolgen. Zu den Vorteilen dieser Methode gehören die niedrigen Kosten und die einfache Handhabung, obwohl sie zu einem erheblichen Verlust an Aluminiumionen führen und durch die verwendeten Zusatzstoffe neue Verunreinigungen einbringen kann.

Silizium-Verunreinigungen

Siliziumverunreinigungen sind relativ inert und schwer zu entfernen. Bei der Aluminiumalkoxid-Hydrolyse ist Silizium eine der vielen Verunreinigungen in Isopropylalkohol-Aluminium und kann mit einem Verfahren entfernt werden, bei dem während der Vakuumdestillation ein Lanthanoxid-Zusatz zugegeben wird. Bei diesem Verfahren reagiert Lanthanoxid mit Silizium zu einer hochsiedenden Substanz, die nach der Destillation des Isopropylalkohol-Aluminiums im Reaktionsgefäß verbleibt und so das Isopropylalkohol-Aluminium reinigt. Diese Methode ist energieeffizient, einfach zu bedienen und hat eine kurze Reaktionszeit im Vergleich zu allgemeinen Extraktions- und Kristallisationsmethoden.

Si- und Fe-Verunreinigungen in gerösteten Proben können freigelegt und dann durch wiederholtes Ultraschallwaschen mit Säure und Wasser entfernt werden, was zu Hydroxidtonerde mit Si- und Fe-Gehalten unter 0,001% führt. Es wird auch empfohlen, Aktivkohlesäulen oder mikroporöse Titanmembranen für die Filtration des Rohmaterials zu verwenden, um Verunreinigungen zu entfernen. Kalk kann als Entsilikonisierungsmittel in Natriumaluminatlösung verwendet werden, wobei er mit Wasser zu Calciumhydroxid reagiert, das dann mit Natriumaluminat zu Tricalciumaluminat reagiert. Die Silikat-Ionen reagieren mit Tricalciumaluminat und bilden unlösliches Granathydrat, das ausfällt und eine Siliziumentfernungsrate von bis zu 98% erreicht.Einige Methoden können Verunreinigungen wie Na und Ca einbringen, während andere für die Entfernung von Spuren von Si geeignet sind, aber nicht für die Tiefenentfernung von Spuren von Si. Daher ist die Suche nach einer wirksamen Methode zur Entfernung von Spuren von Si von entscheidender Bedeutung.

Calcium Verunreinigungen

Calciumverunreinigungen können durch Extraktionsmittel, chemische Fällung, Aussalzung, Ionenaustausch und Chelatbildung entfernt werden. Zunächst kann die geringe Löslichkeit von Calciumsulfat genutzt werden, um Ca²⁺ als CaSO₄ auszufällen, gefolgt von einer sekundären Entfernung mit Methoden wie der Lösungsmittelextraktion. Das Extraktionsmittel P204, das kostengünstig und ein saures Extraktionsmittel ist, folgt der Extraktionsreihenfolge Fe³⁺ > Zn²⁺ > Cu²⁺ > Co²⁺ > Mg²⁺ > Mn²⁺ > Ca²⁺. H. Xie verwendete P204 zur Extraktion von Kalziumionen aus einem Gemisch aus Kalzium, Magnesium und Mangan, wodurch die Kalziumionenkonzentration deutlich verringert wurde, obwohl keine hohe Reinheit erreicht wurde. R. Zhao entfernte mit Tri-n-Butylphosphat wirksam Kalziumverunreinigungen aus Phosphorgips und erhielt Kalziumsulfatpartikel mit einer Reinheit von mehr als 99%.

Natrium Verunreinigungen

Zu den üblichen Methoden zur Entfernung von Natriumverunreinigungen bei der Herstellung von Aluminiumoxid gehören Waschen, hydrothermale Behandlung und der Zusatz von Borsäure. L. Lu verwendete eine Waschmethode zur Entfernung von Natrium aus Ammoniumaluminiumsulfatkristallen, wobei er die Kristalle auf 150-200 °C erhitzte, um die Natriumentfernung zu erleichtern. J. Li verglich die hydrothermale Behandlung und die Zugabe von Borsäure zur Natriumentfernung bei der Aluminiumoxidherstellung und entschied sich für die hydrothermale Behandlung, da sie eine höhere Reinheit ergab. H. He fügte während der Kalzinierung von Aluminiumhydroxid Borsäure hinzu, um mit Natriumverunreinigungen zu reagieren und Natriummetaborat zu bilden, gefolgt von saurem Waschen und Trocknen, um Aluminiumoxid mit einem Natriumgehalt unter 0,001% zu erhalten.

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Eisenverunreinigungen

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