高純度アルミナを製造するためには、どのような不純物を除去する必要があるのか？

7月 30, 2024

高純度粉末材料では、純度がその特殊な特性と用途の基礎となる。例えば、高純度アルミナは、蛍光体、透明セラミックス、電子デバイス、新エネルギー、触媒材料、航空宇宙材料などのハイテク産業で広く使用されている。現代の化学工学において、最も付加価値が高く、最も広く使用されているハイエンド材料のひとつである。高純度アルミナには、サンドブラストおよびショットピーニング工程に理想的な媒体となるいくつかの利点があります：

高硬度:高純度アルミナは硬度が高く、ワーク表面の酸化被膜、錆、その他の不純物を容易に破壊することなく効果的に除去できるため、媒体の寿命が延びる。
高い耐摩耗性:高純度アルミナは耐摩耗性に優れているため、サンドブラストやショットピーニングの工程で安定した性能を維持することができ、摩耗や交換頻度を低減し、コストを低減することができます。
化学的安定性:高純度アルミナは化学的に安定しており、処理されるワークと反応しにくいため、ワーク表面の品質と一貫性が保証されます。
高温性能:高純度アルミナは高温に耐えることができるため、高温環境下でのサンドブラストやショットピーニング作業に適しており、高温下での媒体の分解や劣化を避けることができる。

しかし、実際の生産では、鉄、ナトリウム、マグネシウム、ケイ素、カルシウムなどの不純物が含まれることがある。これらの不純物は、ほとんどがFe₂O₃、Na₂O、CaO、MgO、CuOのような酸化物の形で存在する。それらの含有量が異なると、材料の性能に直接影響する可能性がある。例えば、Fe₂O₃は蛍光体材料の発光効率を低下させ、SiO₂はアルミナの焼結性能を悪化させるため、様々な分野での高純度アルミナの応用が大きく制限される。

サンドブラストやショットピーニングの媒体として使用されるアルミナが高純度でない場合、次のような問題が発生する可能性があります：

硬度と耐摩耗性の低下:純度が不十分なアルミナは硬度や耐摩耗性が低く、使用中に割れたり摩耗したりしやすいため、媒体の寿命が短くなり、交換頻度やコストが高くなる。
治療効果への影響:低純度のアルミナは、不純物を含むことがあり、サンドブラストまたはショットピーニング中にワークピースの表面を汚染し、処理効果に影響を与えます。その結果、ワークピースの表面に不均一な処理跡や残留物が発生し、最終製品の品質や外観に影響を与える可能性があります。
化学反応:低純度のアルミナは、活性化学物質を含むことがあり、サンドブラストまたはショットピーニング中にワークピースと反応して、ワークピース表面の腐食または劣化を引き起こし、その結果、ワークピースの性能および寿命に影響を与える可能性があります。
熱安定性が悪い:低純度のアルミナは高温での安定性が低いため、分解や劣化を引き起こし、サンドブラストおよびショットピーニング工程の安定性と効果に影響を及ぼす可能性があります。高温作業では、このため媒体がすぐに破損する可能性があります。
埃と汚染の増加:純度の低いアルミナは、使用中に粉塵や破片が発生しやすく、清掃やメンテナンスの難易度を高め、作業者の健康被害や環境汚染を引き起こす可能性がある。

したがって、高純度のアルミナ媒体を使用することは、サンドブラストおよびショットピーニングプロセスの効果と加工物の品質を確保するために非常に重要です。

高純度アルミナを製造する主な方法には、アルミニウムアルコキシドの加水分解、硫酸アンモニウムの熱分解、炭酸アルミニウムアンモニウムの熱分解などがある。現在、高純度アルミナの不純物除去に関する研究は、主にこれらの方法に関わる原料の精製に焦点を当てている。

鉄の不純物

鉄の不純物は、主な製品中に2価または3価の酸化物の形で存在することがほとんどである。ボーキサイトやイソプロピルアルコール・アルミニウムなど、さまざまな物質から鉄不純物を除去する研究が盛んに行われている。熱帯または亜熱帯気候で形成されるボーキサイトは、様々な岩石や頁岩で広く発見され、フェライト、ゲータイト、石英、カイヤナイト、コランダム、二酸化チタンなどの一般的な不純物を含む。高品質のボーキサイトは、少なくとも40% Al₂O₃と最大15% SiO₂を含む。低品質のボーキサイトの不純物には、主に石英、Fe₂O₃、CaOが含まれる。硫酸浸出を用いてボーキサイトからアルミナを回収するプロセスにおいて、A Aziz氏は、エタノールは高価であるが、68%エタノール（C₂H₅OH）を用いると、Fe不純物がほぼ完全に除去されることを発見した。このプロセスをより経済的にするために、エタノールを凝縮によって回収し、再利用することができる。鉄もまた、アルミニウムアルコキシド法を用いたアルミナの調製によく見られる。イソプロピルアルコールアルミニウムは、抽出-錯化法および錯化-晶析法を用いて精製することができ、異なる物質の溶解度の違いから適切な錯化剤を選択して不純物を分離する。この方法の利点は、プロセスが複雑で時間がかかるものの、低コストで高純度のイソプロピルアルコールアルミニウムが得られることである。

硫酸アンモニウムアルミニウムから高純度アルミナを調製する場合、Fe除去のための一般的な方法には、沈殿、有機一級アミン抽出、再結晶が含まれる。沈殿は、MnO₂、KMnO₄、K₃[Fe(CN)₆]、またはK₄Fe(CN)₆-3H₂Oを添加することで達成できる。この方法の利点は、低コストで操作が簡単なことであるが、アルミニウムイオンの損失が大きく、使用する添加剤によって新たな不純物が混入する可能性がある。

シリコン不純物

シリコン不純物は比較的不活性で除去が難しい。アルミニウムアルコキシド加水分解法を使用する場合、ケイ素はイソプロピルアルコールアルミニウム中の多くの不純物の一つであり、減圧蒸留中に酸化ランタン添加剤を加える方法で除去することができる。この方法では、酸化ランタンがケイ素と反応して高沸点物質を形成し、イソプロピルアルコールアルミニウムを蒸留した後に反応容器に残留するため、イソプロピルアルコールアルミニウムを精製することができる。この方法は、一般的な抽出法や晶析法に比べ、エネルギー効率がよく、操作が簡単で、反応時間も短い。

焙焼サンプル中のSiおよびFe不純物は、露出した後、超音波酸洗浄と水洗浄を繰り返すことにより除去され、SiおよびFe含有量が0.001%以下の水酸化アルミナが得られる。また、不純物を除去するための原料濾過に活性炭カラムや微多孔チタン濾過膜を使用することも提案されている。石灰は、アルミン酸ナトリウム水溶液の脱珪剤として使用することができ、水と反応して水酸化カルシウムを生成し、これがアルミン酸ナトリウムと反応してアルミン酸三カルシウムを生成する。ケイ酸イオンはアルミン酸三カルシウムと反応して不溶性の水和ガーネットを形成し、沈殿して最大98%のケイ素除去率を達成する。

方法によっては、NaやCaなどの不純物が混入する可能性があり、また、微量のSiを除去するのには適しているが、微量のSiを深く除去するのには適していないものもある。したがって、微量のSiを除去するための効果的な方法を研究することは非常に重要である。

カルシウム不純物

カルシウム不純物は、抽出剤、化学的沈殿、塩析結晶化、イオン交換、キレート化によって除去することができる。最初に、硫酸カルシウムの溶解度の低さを利用して、Ca²⁺をCaSO₄として沈殿させ、その後、溶媒抽出などの方法で二次的に除去することができる。安価で酸性の抽出剤P204は、Fe³⁺ > Zn²⁺ > Cu²⁺ > Co²⁺ > Mg²⁺ > Mn²⁺ > Ca²⁺の抽出順序に従う。H. Xieは、カルシウム、マグネシウム、マンガンの混合物からカルシウムイオンを抽出するためにP204を使用し、高純度には至らなかったものの、カルシウムイオン濃度を著しく減少させた。R. Zhaoは、リン酸トリ-n-ブチルを用いてリン酸化石膏からカルシウム不純物を効果的に除去し、純度99%以上の硫酸カルシウム粒子を得た。

ナトリウム不純物

アルミナ調製におけるナトリウム不純物の一般的な除去方法には、洗浄、水熱処理、ホウ酸の添加などがある。L. Luは、硫酸アルミニウムアンモニウム結晶からナトリウムを除去するために洗浄法を用い、ナトリウム除去を容易にするために結晶を150～200℃に加熱した。J. Liは、アルミナ調製時のナトリウム除去に水熱処理とホウ酸添加を比較し、より純度の高い水熱処理を選択した。H. Heは、水酸化アルミニウムの脱炭酸中にホウ酸を添加してナトリウム不純物と反応させ、メタホウ酸ナトリウムを形成させた後、酸洗浄と乾燥を行い、ナトリウム含有量が0.001%以下のアルミナを得た。