Алуминиев хидрат и алуминиев трихидрат

Алуминият има сложен химичен състав, включващ различни полиморфи, които могат да бъдат превърнати във форми с висока повърхност чрез процеси на термична трансформация, като тези, наблюдавани при бохемита и байерита.

При термичното разлагане се получават ламелни или влакнести g-Al2O3, като съответната им морфология зависи от изходния материал, използван при създаването им.

Забавяне на горенето

Алуминиевият хидрат (Al(OH)3) е бяло, фино прахообразно вещество с химична формула Al(OH)3. Произвежда се по метода на Байер от бокситна руда, няма мирис или вкус, има ниска разтворимост и термична стабилност, което го прави изключително универсална суровина с многобройни приложения в многобройни отрасли като източник на Al2O3.

Гиббит (-Al(OH)3), байерит (-Al(OH)3), дойерит и нордстрандит са четирите полиморфа на алуминиевия трихидроксид Al(OH)3, които обикновено се срещат в природата; всички те са свързани и имат сходни структури; морфологията им обаче се различава значително и оказва влияние върху свойствата им, с различен вискозитет в зависимост от разпределението на размера на частиците; морфологията им обаче може да се контролира чрез топлинна обработка за постигане на специфичен вискозитет за конкретни приложения.

Възможностите на алуминиевия хидрат за забавяне на горенето се основават на способността му да отделя водни пари при повишени температури, като по този начин охлажда материалите, разрежда запалимите газове и забавя разпространението на пожара. Това се постига чрез създаване на бариера за улавяне на кислорода и други запалими газове, което затруднява достигането на тези молекули до повърхността и нейното изгаряне.

Алуминиевите хидрати имат много ниска степен на поглъщане на кислород и висока реакционна способност с различни газове, като серен диоксид, сероводород, въглероден оксид и азотни оксиди. Благодарение на тези характеристики те могат да служат като идеален заместител на серния оксид в много приложения, като пиротехника и газоразрядни лампи.

Алуминиевите хидрати се използват като прекурсори за производство на активиран алуминий (АА). Активираният алуминиев оксид е промишлен продукт, произведен чрез термично разлагане на хидроксиди и оксихидроксиди на алуминия. Той намира приложение в различни отрасли, особено в хартиената промишленост като пигмент за пълнеж или пигмент за покрития и във фармацевтиката като помощно вещество; различните техники на получаване водят до различни видове порест алуминиев оксид с уникални характеристики и потенциал за приложение; например при калцинирането на байерит се получават (111) шпинелни равнини, докато при калцинирането на Al(OH)3 се получават шесткоординатни Al3+ йони.

Потискащо средство против тютюнопушене

Благодарение на ниската си температура на топене алуминият притежава отлични свойства за забавяне на горенето. Той може да помогне да се предотврати разпространението на пламъка в пластмасови материали или да се предпазят от по-нататъшно разпространение областите, уязвими от пожар. Освен това способностите на алуминиевия оксид за абсорбиране на масла го правят подходящ като средство за изчистване на пламъци, причинени от въглеводороди; освен това той е станал безценен като добавка в смазочните материали, за да се избегне разрушаването на машините.

Алуминият е широко разпространен природен минерал, който се получава като краен продукт при процеса на Байер за извличане на алуминий от боксит, обикновено чрез утаяване на разтворими алуминиеви хидроксиди от вода или чрез реакция на алуминиев трихидрат с хидроксиди на алкални метали до образуване на бохмит - изключително метастабилно и слабо кристализирано вещество с Al3+ йони, обграждащи микропорести оксихидроксиди в алкална среда (31). 27Al MAS ЯМР показва множество координационни нива между Al3 + и Al3 +, с няколко координационни модела (31); BET-площта на g-Al2O3 е приблизително 275 m2g-1 (41).

Термично разложеният алуминиев оксид може да приеме формата на различни полиморфи. Често срещани примери за това са гибсит (също хидраргилит) и байерит, които се произвеждат чрез процеса на Байер; нордстрандитът се среща като част от находищата на боксит в Северна Америка; гибситът често се използва за керамични глазури, докато нордстрандитът може да се открие в емайли и каменоделски изделия.

Утаяването включва превръщането на геловете на гибсита и псевдобохмита в бохмит с помощта на контролирано налягане на водните пари, когато температурите паднат под 80 градуса по Целзий; след това формата им се връща в първоначалната форма на алуминиеви хидроксиди, които се разтварят по-лесно във вода; по този начин те се дисоциират в стопилката, за да се получи лесно разтворим алуминиев оксид, който се разтваря по-лесно с течение на времето или при по-високи температури (60). При по-високи температури или при по-строги условия на стареене този алуминиев оксид в крайна сметка може да се превърне в добре кристализирал бохемит (60).

Пълнител

Алуминиевият трихидрат, често наричан калциниран алуминиев оксид и алуминиев хидроксид, е изключително универсален пълнител. В приложенията за пластмаси той служи за подобряване на огнеустойчивостта, както и на механичните и термичните свойства на различни полимери; неговата универсалност се използва добре и в стъкло, керамика и хартия като пълнител. Освен това производителите на хартия го използват като пигмент за покрития и за увеличаване на непрозрачността и яркостта на различни видове хартия; алкалната му природа му помага и в някои приложения за пречистване на вода.

Високата реакционна способност на хидратирания алуминиев оксид го прави отлична суровина за производство на керамични тела и глазури и често служи като икономичен заместител на естествени суровини като фелдшпат и силициев диоксид. Наличен както в мокра, така и в суха форма, последният може да се смила за получаване на частици с променлив размер в мелници с флуидна енергия или в топкови мелници с керамична облицовка.

Хидратът на смлян алуминий, добавен към глазура или стъклена стопилка, бързо се разлага на алуминиев оксид и водни молекули чрез екзотермичен ендотермичен процес на реакция, като придава на този материал присъщи свойства на огнеустойчивост и произвежда некорозионен и неотровен дим по време на тази реакция.

За да може алуминиевият трихидрат да функционира ефективно като забавител на горенето, той трябва да бъде изложен на температури, надвишаващи 220 градуса по Целзий. При нагряване до това ниво 3 молекули вода на молекула алуминий се изпаряват в разтопената глазура под формата на пара. Това разлагане на алуминиевия хидрат му осигурява характерното ниво на огнеустойчивост, което не се среща другаде при пълнителите.

Добавянето на алуминиев хидрат към глазурите и стъклата може да увеличи непрозрачността чрез създаване на газови мехурчета в разтопената глазура, което спомага за намаляване на свиването при изпичане, като същевременно създава лъскави повърхности и осигурява ниски нива на свиване при изпичане. Освен това той е идеален избор за производство на глазури, които изискват ниски нива на свиване при сушене.

Catalyst

Алуминиевият хидрат е отличен катализатор, който създава газови мехурчета в глазурите и емайлите, за да увеличи непрозрачността им чрез процеса на Байер. Той не само не е токсичен и има ниско свиване при изпичане, но е и рентабилен, лесен за обработка, икономичен и с голяма повърхност - нелоши качества за промишлен материал, чието годишно производство достига приблизително 100 милиона тона! Произведеният по този начин алуминиев трихидрат се смила в безводна или калцинирана форма, за да се използва като интегрална съставка.

Съществуват различни полиморфи на алуминиевия оксид, всеки от които притежава различни свойства, дължащи се на различни последователности на подреждане, геометрия на междуслойните и вътреслойните водородни връзки и модели на заместване на хидроксилните групи върху октаедрите Al(OH)6, споделящи ръбовете. Въпреки това тяхната термодинамична стабилност остава сходна - по-скоро съществуването им може да зависи повече от кинетиката, отколкото от термодинамичните свойства на този материал.

Микропорести гелове от алуминиев диоксид (псевдобохемит и бохемит) могат да бъдат създадени чрез внимателно управление на процесите на гелообразуване/флокулация, стареене и сушене. Накисването на геловете във вода обаче води до непоправима загуба на BET-площ и превръщането им в непорест байерит.

Пламъчно-хидролизата на алуминиев хлорид при високи температури води до получаването на фин прах g-Al2O3 със среден размер на частиците 10 nm и повърхностна площ 130 m2g-1. Частиците на алуминия обикновено имат шпинелна решетка, въпреки че може да има и хексагонални или кубични кристалити с близка подредба.

Алуминиевият хидрат е един от най-стабилните и широко разпространени материали от алуминий, който се отличава с висока повърхност и ниски нива на свиване при изпичане, което го прави подходящ за редица приложения. Освен това антикорозионните му качества и свойствата му за забавяне на горенето го правят подходящ за огнезащитни агенти; в момента се провеждат изследвания в областта на антикорозията, а частиците му се оказаха успешни и като автокаталитични конвертори и компоненти на горивни клетки благодарение на откритията, които разкриват как частиците на алуминиевия оксид реагират с вода, за да генерират богати на водород газови потоци, които след това могат да бъдат изгаряни като гориво за автомобили и самолети!