Hidrato de alumina e tri-hidrato de alumina

A alumina tem uma composição química complexa, incluindo vários polimorfos que podem ser convertidos em formas de elevada área superficial através de processos de transformação térmica, como os observados na boehmite e na bayerite.

A decomposição térmica produz g-Al2O3 lamelar ou fibroso, com as respectivas morfologias dependendo do material de partida utilizado na sua criação.

Retardador de chama

O hidrato de alumina (Al(OH)3) é uma substância branca, finamente pulverizada, com a fórmula química Al(OH)3. Produzido através do processo Bayer a partir de minério de bauxite, não tem cheiro nem sabor e tem baixa solubilidade e estabilidade térmica, o que o torna uma matéria-prima extremamente versátil com muitas aplicações em numerosas indústrias como fonte de Al2O3.

A gibbsita (-Al(OH)3), a bayerite (-Al(OH)3), a doyleite e a nordstrandite são os quatro polimorfos do trihidróxido de alumina Al(OH)3 que se encontram tipicamente na natureza; todos estão relacionados e partilham estruturas semelhantes; no entanto, as suas morfologias diferem significativamente e afectam as suas propriedades, com viscosidades diferentes dependendo da distribuição do tamanho das partículas; no entanto, as suas morfologias podem ser controladas através de tratamento térmico para obter viscosidades específicas para aplicações específicas.

As capacidades retardadoras de chama do hidrato de alumina baseiam-se na sua capacidade de libertar vapor de água a temperaturas elevadas, arrefecendo assim os materiais e diluindo os gases inflamáveis e retardando a propagação do fogo. Isto é conseguido através da criação de uma barreira de retenção de oxigénio e de outros gases inflamáveis, tornando mais difícil que estas moléculas atinjam a superfície e a queimem.

Os hidratos de alumina têm uma absorção de oxigénio muito baixa e uma elevada reatividade com vários gases, como o dióxido de enxofre, o sulfureto de hidrogénio, o monóxido de carbono e os óxidos de azoto. Devido a estas características, podem servir como substituto ideal do óxido de enxofre em muitas aplicações, como pirotecnia e lâmpadas de descarga de gás.

Os hidratos de alumina são utilizados como precursores para a produção de alumina activada (AA). A alumina activada é um produto industrial obtido por decomposição térmica de hidróxidos e oxi-hidróxidos de alumina. Encontra aplicações em todas as indústrias, particularmente no papel como pigmento de enchimento ou pigmento de revestimento e nos produtos farmacêuticos como excipiente; várias técnicas de preparação resultam em diferentes tipos de alumina porosa com características e potenciais de aplicação únicos; por exemplo, a calcinação da bayerite produz planos espinélio (111) enquanto a calcinação de Al(OH)3 produz iões Al3+ hexa-coordenados.

Supressor do fumo

Devido ao seu baixo ponto de fusão, a alumina possui excelentes propriedades retardadoras de chama. Pode ajudar a evitar a propagação de chamas em materiais plásticos ou proteger áreas vulneráveis a danos causados pelo fogo, evitando que se espalhem ainda mais. Para além disso, as capacidades de absorção de óleo da alumina tornam-na adequada como um eliminador contra chamas carregadas de hidrocarbonetos; além disso, tornou-se inestimável como aditivo em lubrificantes para evitar a degradação das máquinas.

A alumina é um mineral natural abundante, produzido como produto final do processo Bayer de extração de alumínio da bauxite, normalmente através da precipitação de hidróxidos de alumínio solúveis da água ou da reação de alumina tri-hidratada com hidróxidos de metais alcalinos para formar boehmite, uma substância extremamente metaestável e pouco cristalizada com iões Al3 + que envolvem oxi-hidróxidos microporosos num meio alcalino (31). A RMN de 27Al MAS mostra múltiplos níveis de coordenação entre Al3 + e Al3 +, com vários padrões de coordenação (31); a área BET do g-Al2O3 é de aproximadamente 275m2g-1 (41).

A alumina decomposta termicamente pode assumir a forma de vários polimorfos. Exemplos comuns são a gibbsite (também hidrargilite) e a bayerite, ambas produzidas através do processo Bayer; a nordstrandite ocorre em depósitos de bauxite da América do Norte; a gibbsite é frequentemente utilizada em aplicações de esmalte cerâmico, enquanto a nordstrandite pode ser encontrada em esmaltes e grés.

A precipitação envolve a transformação de géis de gibbsita e pseudoboehmita em boehmita usando pressão de vapor de água controlada, quando as temperaturas caem abaixo de 80 graus Celsius; então sua forma reverte para sua forma original de hidróxidos de alumina que se dissolvem mais prontamente na água; assim se dissociando em fusão para produzir óxido de alumina prontamente solúvel que se dissolve mais prontamente com o tempo ou temperaturas mais altas (60). A temperaturas mais elevadas ou em condições de envelhecimento mais rigorosas, este óxido de alumina pode eventualmente transformar-se em boehmite bem cristalizada (60).

Enchimento

O tri-hidrato de alumina, normalmente designado por alumina calcinada e hidróxido de alumínio, é um material de enchimento extremamente versátil. Em aplicações de plásticos, serve para melhorar o retardamento da chama, bem como as propriedades mecânicas e térmicas de vários polímeros; a sua versatilidade também se presta bem a aplicações em vidro, cerâmica e papel como material de enchimento. Além disso, os fabricantes de papel utilizam-no como pigmento de revestimento e para aumentar os níveis de opacidade e brilho em vários papéis; a sua natureza alcalina também o ajuda em algumas aplicações de tratamento de água.

A elevada reatividade da alumina hidratada torna-a uma excelente matéria-prima para a produção de corpos cerâmicos e esmaltes, e funciona frequentemente como um substituto económico de matérias-primas naturais como o feldspato e a sílica. Disponível nas formas húmida e seca, esta última pode ser moída para produzir partículas de distribuição de tamanho variável em moinhos de energia fluida ou moinhos de bolas revestidos a cerâmica.

O hidrato de alumina moída adicionado ao esmalte ou ao vidro fundido decompõe-se rapidamente em óxido de alumínio e moléculas de água através de um processo de reação exotérmica endotérmica, conferindo a este material propriedades intrínsecas de retardamento de chama e produzindo fumo não corrosivo e não venenoso durante esta reação.

Para que o trihidrato de alumina funcione eficazmente como retardador de fogo, tem de ser exposto a temperaturas superiores a 220degC. Quando aquecida a este nível, 3 moléculas de água por molécula de alumina evaporam-se no esmalte fundido sob a forma de vapor. Esta decomposição do hidrato de alumina confere-lhe o seu nível distinto de retardamento de chama, não encontrado noutros materiais de enchimento.

A adição de hidrato de alumina a esmaltes e vidros pode aumentar a opacidade através da criação de bolhas de gás no interior do esmalte fundido, ajudando a reduzir a contração de queima, produzindo superfícies brilhantes e proporcionando baixas taxas de contração de queima. Além disso, é uma escolha ideal para a produção de esmaltes que requerem baixas taxas de contração de secagem.

Catalisador

O hidrato de alumina é um excelente catalisador, criando bolhas de gás em esmaltes para aumentar a opacidade pelo processo Bayer. Não só não é tóxico e tem uma baixa retração na cozedura, como também é rentável, fácil de manusear, económico e tem uma grande área de superfície - não são más qualidades para um material industrial com uma produção anual que atinge aproximadamente 100 milhões de toneladas! O tri-hidrato de alumina produzido desta forma é moído nas suas formas anidra ou calcinada para utilização como ingrediente integral.

Existem vários polimorfos de alumina que possuem propriedades diferentes devido a diferentes sequências de empilhamento, geometria das ligações de hidrogénio entre camadas e entre camadas e padrões de substituição de grupos hidroxilo nos octaedros de Al(OH)6. No entanto, a sua estabilidade termodinâmica permanece semelhante - pelo contrário, a existência pode depender mais da cinética do que das propriedades termodinâmicas desse material.

Os géis microporosos de alumina gibbsita (pseudoboehmite e boehmite) podem ser criados através de uma gestão cuidadosa dos processos de gelificação/floculação, envelhecimento e secagem. No entanto, a imersão dos géis em água leva a uma perda irreparável da área BET e à conversão em bayerite não porosa.

A hidrólise por chama do cloreto de alumina a altas temperaturas resulta num pó fino de g-Al2O3 com um tamanho médio de partícula de 10nm e uma área de superfície de 130m2g-1. As partículas de alumina tendem a ter redes de espinélio, embora também possam estar presentes cristalitos hexagonais ou cúbicos compactados.

O hidrato de alumina é um dos materiais de alumina mais estáveis e amplamente disponíveis, apresentando uma elevada área de superfície e baixas taxas de contração de queima que o tornam adequado para uma série de aplicações. Além disso, as suas qualidades anticorrosivas e as suas propriedades de retardamento de chama tornam-no adequado como agente retardador de chama; a investigação anticorrosiva está em curso e as suas partículas também se revelaram bem sucedidas como conversores autocatalíticos e componentes de células de combustível, graças a descobertas que revelam como as partículas de alumina reagem com a água para gerar correntes de gás ricas em hidrogénio que podem depois ser queimadas como combustível para carros e jactos!