الألومينا: لا أستطيع التعايش مع الصوديوم!
تُصنع الألومينا عالية الحرارة من هيدرات الألومينا الصناعية كمادة خام رئيسية، وذلك عن طريق التكليس لإزالة الماء وتحويل الطور البلوري. ولأن هيدرات الألومينا الصناعية تُحضّر في وسط قلوي، فإن الألومينا عالية الحرارة تحتوي حتمًا على كمية معينة من الشوائب.
مخاطر أكسيد الصوديوم
من بينها، يُعدّ محتوى شوائب أكسيد الصوديوم الأساسَ الرئيسي لتصنيف منتجات الألومينا عالية الحرارة، ويؤثر بشكلٍ كبير على المؤشرات الفيزيائية والكيميائية، وجودة المنتج، وأداء تطبيقات منتجاته اللاحقة. على سبيل المثال:
عند استخدام الألومينا عالية الحرارة كسيراميك مقاوم للتآكل، يؤثر محتوى نا₂O بشكل مباشر على قوة الضغط والعزل الكهربائي لمنتجات الألومينا. وبشكل عام، كلما ارتفع محتوى نا₂O، زادت الموصلية الكهربائية، وتراجع أداء العزل الكهربائي لسيراميك الألومينا والمنتجات المقاومة للتآكل. وفي الوقت نفسه، يؤدي ذلك أيضًا إلى انخفاض معدل تحويل α-ال₂O₃، مما لا يلبي متطلبات الجودة التي تنص على أن يكون محتوى α-ال₂O₃ في الألومينا عالية الحرارة أكثر من 95%، مما يؤدي إلى تشوه وتشقق سيراميك الألومينا والمنتجات المقاومة للتآكل.
في السيراميك الإلكتروني، لا يؤثر وجود نا₂O على كثافة السيراميك الإلكتروني فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تكوين β-ال₂O₃ مع موصلية معينة بسبب الجمع بين نا₂O وAl₂O₃، وبالتالي التأثير على خصائصها الكهربائية.
في السيراميك الإلكتروني، لا يؤثر وجود نا₂O على كثافة السيراميك الإلكتروني فحسب، بل يتسبب أيضًا في اتحاد نا₂O مع ال₂O₃ لتشكيل β-ال₂O₃ بموصلية معينة، وبالتالي التأثير على خصائصها الكهربائية.
من أين تأتي شوائب الصوديوم؟
يأتي أكسيد الصوديوم (نا₂O) في الألومينا عالية الحرارة من مادة هيدرات الألومينا الخام. يُعد أكسيد الصوديوم (نا₂O) في هيدرات الألومينا أحد الشوائب الملوثة الرئيسية التي تتشكل أثناء عملية إنتاج الألومينا. يوجد أكسيد الصوديوم (نا₂O) في هيدرات الألومينا بثلاثة (أو أربعة) أشكال.
١. ينتمي المحلول القلوي الأم إلى القلويات القابلة للذوبان في الماء، ويوجد على شكل قلويات ملتصقة. يمكن إزالة نا₂O بالغسل بالماء؛ أما القلوي المغلف فيصعب غسله، ولا يمكن إزالته إلا جزئيًا.
Ⅱ. القلوي الشبكي غير قابل للذوبان في الماء ولا يمكن أن يصبح قلويًا قابلًا للذوبان في الماء إلا عندما يتم إعادة ترتيب بنية الشبكة.
Ⅲ. القلوي المختلط غير قابل للذوبان في الماء أو الأحماض أو القلويات، ولا يتحلل حتى في درجات الحرارة العالية.
العوامل المؤثرة على محتوى أكسيد الصوديوم في مادته الخام - هيدروكسيد الألومنيوم
نظرًا لأن شوائب الصوديوم في أكسيد الألومنيوم تأتي بشكل أساسي من سلفها، هيدروكسيد الألومنيوم، فما هي العوامل التي تؤثر على محتوى شوائب الصوديوم في هيدروكسيد الألومنيوم؟
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على محتوى أكسيد الصوديوم في هيدروكسيد الألومنيوم. أثناء عملية الترسيب، يؤثر تركيز محلول التحلل الأصلي، ودرجة حرارة التحلل، وزمن التحلل، وغيرها، بشكل مباشر على محتوى أكسيد الصوديوم. ومع ذلك، في ممارسات الإنتاج، تؤثر العوامل التالية بشكل كبير على محتوى أكسيد الصوديوم:
(1) درجة الحرارة الأولية للتحلل في عملية الترسيب البذري
في عملية التحلل، تُستخدم عادةً إجراءات تبريد متنوعة لتحسين معدل إنتاج هيدروكسيد الألومنيوم، مما يؤدي إلى زيادة محتوى القلويات غير القابلة للغسل في المنتج. وقد أظهرت دراسات مختلفة أن العامل الرئيسي المؤثر على أكسيد الصوديوم غير القابل للذوبان في نواتج التحلل هو درجة حرارة التحلل الأولية. فكلما انخفضت درجة الحرارة الأولية، زاد محتوى أكسيد الصوديوم غير القابل للذوبان في المنتج.
(2) حجم جسيمات منتجات هيدروكسيد الألومنيوم
خلال عملية ترسيب البذور بطريقة باير، غالبًا ما تخضع المواد لعمليات تكرير دورية. في هذه الأثناء، يكون حجم تداول مواد ترسيب البذور كبيرًا، وعند بدء دورة التكرير، غالبًا ما تستمر لفترة طويلة نسبيًا. عند تكرير المواد، تزداد كمية السائل الأم المُحمّل بهيدروكسيد الألومنيوم على القرص المسطح، مما يؤدي إلى زيادة صعوبة غسل القلوي. تترابط المواد بشدة مع بعضها البعض، مما يُضعف نفاذية الهواء وأداء الترشيح، مما قد يُسبب تلوثًا متقاطعًا ويؤثر على محتوى أكسيد الصوديوم في المنتجات.
(3) محتوى المواد الصلبة في محلول التحلل الأصلي
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على محتوى المواد الصلبة في خزان التحلل، مثل اختلال التوازن بين الإنتاج والغسيل، وانخفاض كفاءة مرشح البذور، وتشغيل خزان التحلل أو عزله، وتقلبات معدل التحلل. غالبًا ما تُسبب هذه العوامل تقلبات كبيرة في محتوى المواد الصلبة في الخزان النهائي. عندما ينخفض محتوى المواد الصلبة، تصبح المادة مخففة جدًا، ويصبح القرص المسطح عرضة للتلوث عبر المناطق، مما يؤثر على جودة المنتج ويؤدي إلى زيادة محتوى أكسيد الصوديوم في هيدروكسيد الألومنيوم.
كيفية إزالة الصوديوم؟
تشمل عمليات إزالة الصوديوم الشائعة حاليًا بشكل أساسي ما يلي:
الطريقة الأولى هي تقليل محتوى القلويات المتبلورة والقلويات بين البلورات عن طريق وسائل مثل إطالة وقت التحلل أثناء عملية تحلل هيدروكسيد الألومنيوم، وتقليل محتوى القلويات الملتصقة من خلال عمليات الغسيل المتعددة.
الطريقة الثانية هي اختيار مواد التمعدن المناسبة. وظيفتها الرئيسية هي زيادة عيوب الشبكة المعدنية للألومينا، وتكوين شواغر كاتيونية وأنيونية، مما يُساعد على تسريع التبلور وخفض درجة حرارة تحول الطور ألفا بفعالية. في الوقت نفسه، يمكن لمواد التمعدن أن تتفاعل مع أكسيد الصوديوم في الألومينا لتكوين مركبات صوديوم متطايرة. لذلك، تُستخدم مواد التمعدن على نطاق واسع في عملية تكليس الألومينا عالية الحرارة. من بين مواد التمعدن الشائعة الاستخدام: فلوريد الألومنيوم، وحمض البوريك، وأكسيد المغنيسيوم، ونترات الأمونيوم، وغيرها.
الطريقة الثالثة هي المعالجة المسبقة للمواد الخام: إدخال حمض عبر عملية رطبة لمعادلة الحمض والقاعدة لإزالة الصوديوم، ثم غسل الأملاح الناتجة عن التفاعل بالماء الساخن. يختلف تأثير إزالة الصوديوم باختلاف أشكال أكسيد الصوديوم الموجودة في المواد الخام، ويمكن خفض محتوى الصوديوم إلى أقل من 0.05% كحد أدنى. تُحسّن هذه الطريقة جودة المنتج بشكل ملحوظ.