Какие примеси необходимо удалить для получения высокочистого глинозема?

30 июля 2024 года

Какие примеси необходимо удалять для получения высокочистого глинозема?

В порошковых материалах высокой чистоты чистота является основой их особых свойств и применения. Присутствие примесей часто оказывает фатальное влияние на их особые свойства и высокую добавленную стоимость, подобно поговорке "одно плохое яблоко портит всю бочку". Например, глинозем высокой чистоты широко используется в таких высокотехнологичных отраслях, как производство люминофоров, прозрачной керамики, электронных устройств, новой энергетики, каталитических материалов и аэрокосмических материалов. Это один из самых высокотехнологичных и широко используемых материалов высокого класса в современной химической технологии. Высокочистый глинозем обладает рядом преимуществ, которые делают его идеальной средой для пескоструйной обработки и дробеструйного упрочнения:

Высокая твердость: Высокочистый глинозем обладает высокой твердостью, что позволяет эффективно удалять с поверхности заготовки оксидные слои, ржавчину и другие загрязнения, не разрушая ее, тем самым продлевая срок службы средства.
Высокая износостойкость: Благодаря отличной износостойкости высокочистый глинозем может сохранять стабильную производительность в процессе пескоструйной обработки и дробеструйного упрочнения, уменьшая износ и частоту замены, тем самым снижая затраты.
Химическая стабильность: Высокочистый глинозем химически стабилен и не вступает в реакцию с обрабатываемой заготовкой, обеспечивая качество и постоянство поверхности заготовки.
Высокотемпературные характеристики: Высокочистый глинозем выдерживает высокие температуры, что делает его пригодным для пескоструйных работ и дробеструйного упрочнения в высокотемпературных средах, предотвращая разложение или порчу среды под воздействием высоких температур.

Однако в реальном производстве могут присутствовать такие примеси, как железо, натрий, магний, кремний и кальций. Эти примеси в основном существуют в виде оксидов, таких как Fe₂O₃, Na₂O, CaO, MgO и CuO. Их различное содержание может напрямую влиять на характеристики материала. Например, Fe₂O₃ может снизить эффективность люминесценции люминофорных материалов, а SiO₂ может ухудшить характеристики спекания глинозема, тем самым значительно ограничивая применение высокочистого глинозема в различных областях.

Если глинозем, используемый в качестве среды для пескоструйной обработки и дробеструйного упрочнения, не отличается высокой чистотой, это может привести к следующим проблемам:

Пониженная твердость и износостойкость: Глинозем недостаточной чистоты обладает меньшей твердостью и износостойкостью, что делает его более склонным к разрушению или износу во время использования, тем самым сокращая срок службы среды и увеличивая частоту и стоимость замены.
Воздействие на эффект лечения: Глинозем низкой чистоты может содержать примеси, которые могут загрязнять поверхность заготовки во время пескоструйной обработки или дробеструйного упрочнения, влияя на эффект обработки. Это может привести к появлению неравномерных следов обработки или остатков на поверхности заготовки, что повлияет на качество и внешний вид конечного продукта.
Химические реакции: Глинозем низкой чистоты может содержать активные химические вещества, которые могут вступить в реакцию с заготовкой во время пескоструйной обработки или дробеструйного упрочнения, вызывая коррозию или ухудшение поверхности заготовки, что влияет на ее производительность и срок службы.
Плохая термостабильность: Глинозем низкой чистоты менее стабилен при высоких температурах, что может привести к разложению или разрушению, влияющему на стабильность и эффективность пескоструйной обработки и дробеструйного упрочнения. При высокотемпературных операциях это может привести к быстрому выходу материала из строя.
Повышенная запыленность и загрязнение окружающей среды: Глинозем низкой чистоты с большей вероятностью будет образовывать пыль и мусор в процессе эксплуатации, что повышает сложность очистки и обслуживания, а также может представлять опасность для здоровья операторов и вызывать загрязнение окружающей среды.

Поэтому использование высокочистого глинозема имеет решающее значение для обеспечения эффективности процесса пескоструйной обработки и дробеструйного упрочнения и качества обрабатываемой детали.

Основные методы получения высокочистого глинозема включают гидролиз алкоксида алюминия, термическое разложение сульфата аммония и термическое разложение карбоната аммония. В настоящее время исследования по удалению примесей для получения высокочистого глинозема сосредоточены в основном на очистке сырья, используемого в этих методах.

Примеси железа

Примеси железа в основном существуют в виде двухвалентных или трехвалентных оксидов в основном продукте. Существует множество исследований по удалению примесей железа из различных веществ, таких как боксит и изопропиловый спирт алюминия. Боксит, образующийся в тропическом или субтропическом климате, широко распространен в различных породах и сланцах, содержит такие распространенные примеси, как феррит, гетит, кварц, кианит, корунд и диоксид титана. Высококачественный боксит содержит не менее 40% Al₂O₃ и не более 15% SiO₂. Примеси в низкокачественных бокситах включают в основном кварц, Fe₂O₃ и CaO. В процессе извлечения глинозема из бокситов с помощью сернокислотного выщелачивания Азиз обнаружил, что использование этанола 68% (C₂H₅OH) почти полностью удаляет примеси Fe, хотя этанол стоит дорого. Чтобы сделать процесс более экономичным, этанол можно регенерировать и повторно использовать путем конденсации.Железо также часто встречается при получении глинозема методом алкоксида алюминия. Алюминий из изопропилового спирта можно очистить методами экстракции-комплексообразования и комплексообразования-кристаллизации, выбирая соответствующие комплексообразователи для отделения примесей на основе разной растворимости различных веществ. К преимуществам этого метода относится получение изопропилового спирта алюминия высокой чистоты по низкой цене, хотя сам процесс является сложным и трудоемким.При получении высокочистого глинозема из сульфата алюминия аммония распространенными методами удаления Fe являются осаждение, экстракция органическим первичным амином и перекристаллизация. Осаждение может быть достигнуто путем добавления MnO₂, KMnO₄, K₃[Fe(CN)₆], или K₄Fe(CN)₆-3H₂O. К преимуществам этого метода относятся низкая стоимость и простота работы, хотя он может приводить к значительным потерям ионов алюминия и вводить новые примеси за счет используемых добавок.

Примеси кремния

Примеси кремния относительно инертны и трудно удаляются. При использовании метода гидролиза алкоксида алюминия кремний является одной из многих примесей в изопропиловом спирте алюминия и может быть удален с помощью метода, который включает добавление добавки оксида лантана во время вакуумной дистилляции. В этом процессе оксид лантана реагирует с кремнием, образуя высококипящее вещество, которое остается в реакционном сосуде после перегонки изопропилового алюминия, тем самым очищая изопропиловый алюминий. Этот метод является энергоэффективным, простым в эксплуатации и имеет короткое время реакции по сравнению с общими методами экстракции и кристаллизации.

Примеси Si и Fe в обожженных образцах могут быть обнажены и затем удалены путем многократной ультразвуковой промывки кислотой и промывки водой, в результате чего получается гидроксид глинозема с содержанием Si и Fe менее 0,001%. Также для удаления примесей предлагается использовать колонки с активированным углем или микропористые титановые фильтрационные мембраны для фильтрации сырья. Известь может использоваться в качестве обескремнивающего агента в растворе алюмината натрия, реагируя с водой с образованием гидроксида кальция, который затем реагирует с алюминатом натрия с образованием трикальцийалюмината. Силикатные ионы реагируют с трикальциевым алюминатом, образуя нерастворимый гидратированный гранат, выпадающий в осадок и обеспечивающий степень удаления кремния до 98%.Некоторые методы могут привносить примеси, такие как Na и Ca, в то время как другие подходят для удаления следовых количеств Si, но не для глубокого удаления следов Si. Таким образом, поиск эффективного метода удаления следовых количеств Si имеет решающее значение.

Примеси кальция

Примеси кальция могут быть удалены с помощью экстракционных веществ, химического осаждения, высаливания, кристаллизации, ионного обмена и хелатирования. Первоначально низкая растворимость сульфата кальция может быть использована для осаждения Ca²⁺ в виде CaSO₄ с последующим вторичным удалением с помощью таких методов, как экстракция растворителем. Экстрагент P204, который является недорогим и кислотным экстрагентом, следует порядку экстракции Fe³⁺ > Zn²⁺ > Cu²⁺ > Co²⁺ > Mg²⁺ > Mn²⁺ > Ca²⁺. Х. Кси использовал P204 для извлечения ионов кальция из смеси кальция, магния и марганца, значительно снизив концентрацию ионов кальция, хотя и не добившись высокой чистоты. Р. Чжао эффективно удалил примеси кальция из фосфогипса с помощью три-н-бутилфосфата, получив частицы сульфата кальция с чистотой более 99%.

Примеси натрия

Обычные методы удаления примесей натрия при получении глинозема включают промывку, гидротермальную обработку и добавление борной кислоты. Л. Лу использовал метод промывки для удаления натрия из кристаллов сульфата аммония-алюминия, нагревая кристаллы до 150-200°C для облегчения удаления натрия. Дж. Ли сравнил гидротермальную обработку и добавление борной кислоты для удаления натрия при приготовлении глинозема, выбрав гидротермальную обработку за ее более высокую чистоту. H. He добавлял борную кислоту во время прокаливания гидроксида алюминия для реакции с примесями натрия с образованием метабората натрия, после чего проводил кислотную промывку и сушку для получения глинозема с содержанием натрия менее 0,001%.

Фильтры