هيدرات الألومينا والألومينا ثلاثي الهيدرات

تحتوي الألومينا على تركيبة كيميائية معقدة، بما في ذلك أشكال متعددة الأشكال يمكن تحويلها إلى أشكال ذات مساحة سطحية عالية من خلال عمليات التحول الحراري مثل تلك التي تظهر مع البوهميت والبايريت.

يُنتج التحلل الحراري مادة g-Al2O3 الصفائحية أو الليفية، ويعتمد شكل كل منهما على المادة الأولية المستخدمة في تكوينهما.

مثبطات اللهب

هيدرات الألومينا (Al(OH)3) هي مادة بيضاء ناعمة المسحوق ذات الصيغة الكيميائية Al(OH)3. يتم إنتاجه من خلال عملية باير من خام البوكسيت، وهو لا رائحة أو طعم له وقابلية ذوبان منخفضة وثبات حراري مما يجعله مادة خام متعددة الاستخدامات للغاية مع العديد من التطبيقات في العديد من الصناعات كمصدر للألومينا 2O3.

الجيبيتي (-Al(OH)3)، والبايريت (-Al(OH)3)، والدويليت، والنوردسترانديت هي الأشكال الأربعة لتعدد أشكال الألومينا ثلاثي هيدروكسيد الألومينا Al(OH)3 الموجودة عادةً في الطبيعة؛ وجميعها مترابطة وتشترك في هياكل متشابهة؛ ولكن أشكالها تختلف اختلافًا كبيرًا وتؤثر على خصائصها، مع اختلاف اللزوجة اعتمادًا على توزيع حجم الجسيمات؛ ولكن يمكن التحكم في أشكالها من خلال المعالجة الحرارية لتحقيق لزوجة محددة لتطبيقات محددة.

تعتمد قدرات مثبطات اللهب في هيدرات الألومينا على قدرتها على إطلاق بخار الماء عند درجات حرارة مرتفعة، وبالتالي تبريد المواد وتخفيف الغازات القابلة للاشتعال وإبطاء انتشار الحريق. ويتم تحقيق ذلك من خلال إنشاء حاجز يحجز الأكسجين والغازات الأخرى القابلة للاشتعال، مما يزيد من صعوبة وصول هذه الجزيئات إلى السطح وحرقه.

تتميز هيدرات الألومينا بامتصاص منخفض جدًا للأكسجين وتفاعلية عالية مع الغازات المختلفة، مثل ثاني أكسيد الكبريت وكبريتيد الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين. ونظراً لهذه الخصائص، يمكن أن تكون بديلاً مثالياً لأكسيد الكبريت في العديد من التطبيقات مثل الألعاب النارية ومصابيح التفريغ الغازي.

تُستخدم هيدرات الألومينا كسلائف لإنتاج الألومينا المنشطة (AA). والألومينا المنشطة هي منتج صناعي يُصنع عن طريق التحلل الحراري لهيدروكسيدات وأوكسي هيدروكسيدات الألومينا. وتوجد له استخدامات في مختلف الصناعات، لا سيما الورق كصباغ حشو أو طلاء أصباغ والمستحضرات الصيدلانية كسواغ؛ وتنتج عن تقنيات التحضير المختلفة أنواع مختلفة من الألومينا المسامية ذات الخصائص الفريدة وإمكانيات الاستخدام؛ على سبيل المثال ينتج عن تكليس البايرايت مستويات (111) سبينيل بينما ينتج عن تكليس Al(OH)3 أيونات Al3+ سداسية التنسيق.

مثبط مضاد للتدخين

نظرًا لانخفاض درجة انصهارها، تتميز الألومينا بخصائص ممتازة مثبطة للهب. ويمكن أن يساعد في منع انتشار اللهب في المواد البلاستيكية أو حماية المناطق المعرضة لتلف الحريق من الانتشار أكثر. وعلاوةً على ذلك، فإن قدرات الألومينا على امتصاص الزيت تجعلها مناسبة ككاسح ضد اللهب المحمل بالهيدروكربونات؛ بالإضافة إلى أنها أصبحت لا تقدر بثمن كمادة مضافة في مواد التشحيم لتجنب تدهور الآلات.

الألومينا هو معدن طبيعي وفير ينتج كمنتج نهائي في عملية باير لاستخراج الألومنيوم من البوكسيت، وعادةً ما يتم ذلك عن طريق ترسيب هيدروكسيدات الألومنيوم القابلة للذوبان من الماء أو تفاعل ثلاثي هيدرات الألومينا مع هيدروكسيدات الفلزات القلوية لتكوين البويهميت، وهي مادة شديدة الاستقرار وضعيفة التبلور مع أيونات Al3+ تحيط بأيونات الأكسيد الهيدروكسيدات الدقيقة المسامية في وسط قلوي (31). يُظهر الرنين النووي المغناطيسي النووي 27Al MAS مستويات تنسيق متعددة بين Al3+ وAl3+، مع وجود عدة أنماط تنسيق (31)؛ تبلغ مساحة BET-مساحة g-Al2O3 حوالي 275m2g-1 (41).

يمكن أن تتخذ الألومينا المتحللة حرارياً شكل أشكال متعددة الأشكال. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك الجيبايبت (وهو أيضاً هيدرارجيليت) والبايريت، وكلاهما ينتج عن طريق عملية باير؛ ويوجد النوردسترانديت كجزء من رواسب البوكسيت في أمريكا الشمالية؛ وغالباً ما يستخدم الجيبايبت في تطبيقات التزجيج الخزفي بينما يمكن العثور على النوردسترانديت في المينا والأواني الحجرية.

وينطوي الترسيب على تغيير هلاميات الجيبوبيميت والبوهيميت الكاذب إلى بوهيميت باستخدام ضغط بخار الماء المتحكم فيه، عندما تنخفض درجات الحرارة إلى أقل من 80 درجة مئوية؛ ثم يعود شكلها إلى شكلها الأصلي من هيدروكسيدات الألومينا التي تذوب بسهولة أكبر في الماء؛ ومن ثم تتفكك إلى ذوبان لتنتج أكسيد الألومينا القابل للذوبان بسهولة والذي يذوب بسهولة أكبر مع مرور الوقت أو ارتفاع درجات الحرارة (60). وفي درجات حرارة أعلى أو في ظل ظروف تقادم أكثر صرامة، قد يتحول أكسيد الألومينا هذا في نهاية المطاف إلى بوهيميت متبلور بشكل جيد (60).

الحشو

يعتبر ثلاثي هيدرات الألومينا، الذي يشار إليه عادةً باسم الألومينا المكلس وهيدروكسيد الألومنيوم، مادة حشو متعددة الاستخدامات للغاية. في تطبيقات البلاستيك يعمل على تعزيز مثبطات اللهب وكذلك الخواص الميكانيكية والحرارية للبوليمرات المختلفة؛ كما أن تعدد استخداماته يصلح أيضًا في تطبيقات الزجاج والسيراميك والورق كمادة حشو. وعلاوةً على ذلك، يستخدمه مصنعو الورق كصبغة طلاء ولزيادة مستويات التعتيم والسطوع في مختلف الأوراق؛ كما أن طبيعته القلوية تساعده في بعض تطبيقات معالجة المياه.

إن تفاعلية الألومينا المائية العالية تجعلها مادة خام ممتازة لإنتاج أجسام السيراميك والزجاج، وغالبًا ما تعمل كبديل اقتصادي للمواد الخام الطبيعية مثل الفلسبار والسيليكا. وتتوفر هذه الأخيرة في كل من الشكلين الرطب والجاف، ويمكن طحنها لإنتاج جسيمات ذات توزيع متغير الحجم في مطاحن الطاقة السائلة أو المطاحن الكروية المبطنة بالسيراميك.

تتحلل هيدرات الألومينا المطحونة المضافة إلى الصقيل أو الزجاج الذائب بسرعة إلى أكسيد الألومنيوم وجزيئات الماء عبر عملية تفاعل ماص للحرارة طارد للحرارة، مما يعطي هذه المادة خصائص مثبطة للهب جوهرية وينتج دخان غير قابل للتآكل وغير سام أثناء هذا التفاعل.

لكي يعمل الألومينا ثلاثي الهيدرات بفعالية كمثبط للحريق، يجب أن يتعرض لدرجات حرارة تتجاوز 220 درجة مئوية. عند تسخينها إلى هذا المستوى، تتبخر 3 جزيئات من الماء لكل جزيء من الألومينا إلى ذوبان الصقيل في صورة بخار. ويوفر هذا التحلل لهيدرات الألومينا مستوى مميز من مثبطات اللهب لا يوجد في أي مكان آخر في مواد الحشو.

يمكن أن تؤدي إضافة هيدرات الألومينا إلى الطلاء الزجاجي والنظارات إلى زيادة التعتيم من خلال تكوين فقاعات غازية داخل الصقيل الذائب، مما يساعد على تقليل انكماش الحرق مع إنتاج أسطح لامعة وتوفير معدلات انكماش منخفضة في الحرق. وعلاوة على ذلك، فهي خيار مثالي لصنع مواد التزجيج التي تتطلب معدلات انكماش منخفضة في التجفيف.

المحفز

تُعد هيدرات الألومينا مادة حفازة ممتازة، حيث تخلق فقاعات غازية في الطلاء الزجاجي والمينا لزيادة التعتيم من خلال عملية باير. فهي ليست فقط غير سامة وذات انكماش منخفض في الحرق ولكنها أيضًا فعالة من حيث التكلفة وسهلة المناولة واقتصادية وذات مساحة سطح كبيرة - وهي ليست صفات سيئة لمادة صناعية يصل إنتاجها السنوي إلى حوالي 100 مليون طن! يتم طحن ثلاثي هيدرات الألومينا المنتج بهذه الطريقة إما في شكله اللامائي أو المكلس لاستخدامه كمكون أساسي.

هناك العديد من أشكال الألومينا المتعددة الأشكال التي يمتلك كل منها خصائص مختلفة بسبب اختلاف تسلسلات التراص، وهندسة الروابط الهيدروجينية بين الطبقات وداخل الطبقات وأنماط استبدال مجموعات الهيدروكسيل على ثماني حواف الألومينا (OH)6. ومع ذلك، يظل استقرارها الديناميكي الحراري متشابهًا - بل قد يعتمد وجودها على الحركية أكثر من الخصائص الديناميكية الحرارية لتلك المادة.

يمكن إنشاء مواد هلامية ألومينا ألومينا الجيبوتية الدقيقة المسامية (البويهميت الكاذب والبويهميت) من خلال الإدارة الدقيقة لعمليات التجلط/التلبد والتعتيق والتجفيف. ومع ذلك، يؤدي نقع المواد الهلامية في الماء إلى فقدان لا يمكن إصلاحه لمساحة BET وتحويلها إلى بايريت غير مسامية.

ينتج عن التحليل المائي باللهب لكلوريد الألومينا كلوريد الألومينا عند درجات حرارة عالية مسحوق ألومينا-ألومينا3 ناعم بمتوسط حجم جسيمات يبلغ 10 نانومتر ومساحة سطح تبلغ 130 م2 جم-1. وتميل جسيمات الألومينا إلى أن تكون جسيمات الألومينا ذات شبكات سبينيل، على الرغم من أنه قد توجد أيضًا بلورات سداسية أو مكعبات متقاربة متراصة.

تُعد هيدرات الألومينا واحدة من أكثر مواد الألومينا استقرارًا وتوافرًا على نطاق واسع، وتتميز بمساحة سطح عالية ومعدلات انكماش منخفضة في الحرق مما يجعلها مناسبة لمجموعة من التطبيقات. وعلاوة على ذلك، فإن خصائصها المضادة للتآكل وخصائصها المثبطة للهب تجعلها مناسبة كمثبطات للهب؛ كما أن الأبحاث المضادة للتآكل جارية على قدم وساق وقد أثبتت جزيئاتها نجاحها أيضاً كمحولات حفازة تلقائية ومكونات لخلايا الوقود بفضل الاكتشافات التي تكشف عن كيفية تفاعل جزيئات الألومينا مع الماء لتوليد تيارات غازية غنية بالهيدروجين يمكن حرقها بعد ذلك كوقود للسيارات والطائرات!