Глинозём — оксид алюминия¶
Глинозём — промышленное название оксида алюминия химической формулы Al₂O₃, одного из самых распространённых соединений в земной коре. Представляет собой белый кристаллический порошок, отличающийся высокой твёрдостью (8 баллов по шкале Мооса), химической инертностью и высокой температурой плавления (около 2050 °C). Глинозём является основным сырьём для производства металлического алюминия, а также широко применяется в огнеупорной промышленности, керамике, абразивах и нефтепереработке. По состоянию на начало XXI века мировое производство глинозёма превышает 130 млн тонн в год.
¶Состав и строение
Глинозём существует в нескольких кристаллических модификациях. Наиболее устойчивой является α-Al₂O₃ (корунд), в котором ионы алюминия занимают две трети октаэрических полостей гексагонально-плотной упаковки кислорода. Корундовая структура отличается крайне высокой прочностью химических связей, что объясняет твёрдость, инертность и огнеупорность материала. Природный корунд образует кристаллы сапфира и рубина, окрашенных примесями железа, хрома, титана и других элементов.
Другие модификации — γ-Al₂O₃, η-Al₂O₃, χ-Al₂O₃ — метастабильны и обладают развитой поверхностью, что делает их ценными катализаторами и адсорбентами. При нагреве выше 1000–1200 °C они необратимо переходят в α-форму.
Природный глинозём почти никогда не бывает чистым: он содержит примеси оксидов кремния (SiO₂), железа (Fe₂O₃), титана (TiO₂), кальция, натрия и других элементов. Содержание Al₂O₃ в рудах колеблется от 40–50 % в бокситах до 80 % и выше в высококачественных нефелиновых селитрах.
¶Получение
¶Бокситы
Основным сырьём для производства глинозёма являются бокситы — горные породы, сформированные в условиях интенсивного выветривания в тропиках. Бокситы сложены гидрооксидами алюминия (бёмитом, гиббситом) с примесями железа, кремния и титана. Крупнейшие бокситовые месторождения расположены в Гвинее, Австралии, Бразилии, Ямайке, Индии и Китае. В России крупнейшие разработки ведутся на Тимано-Печорском (Североуральск) и Амурском (Феодосиевское) месторождениях.
¶Процесс Байера
Промышленный способ получения глинозёма из бокситов — щелочной процесс, разработанный австрийским инженером Карлом Йозефом Байером и запатентованный в 1888 году. Суть метода заключается в выщелачивании измельчённого боксита горячим раствором NaOH при 140–250 °C. Алюминат натрия NaAlO₂ переходит в раствор, а нерастворимые примеси (оксиды железа, кремния, титана) оседают в виде «красного шлама». При охлаждении и введении затравки из гидрата Al(OH)₃ алюминий осаждается, а полученный гидроксид прокаливают при 1100–1200 °C с получением технического глинозёма.
¶Процесс Шерретта — Хедстрома
Для кислых руд (нефелиновых селитров, алунитов) применяют кислотный метод, разработанный в СССР в 1930-е годы группой учёных под руководством М. А. Шерретта. Руду обрабатывают серной кислотой, алюминий переводят в раствор сульфата, после чего гидролизом получают гидроксид. Этот метод позволил создать в СССР алюминиевую промышленность на основе сибирских нефелиновых селитров (Бокситогорский, Ачинский и Братский алюминиевые заводы).
¶Применение
¶Металлургия
Около 90 % мирового глинозёма расходуется на производство алюминия электролитическим способом — методом Холла — Эру. Расплавленный глинозём растворяют в криолите Na₃AlF₆ при температуре около 960 °C и электролизируют. Металлический алюминий осаждается на дне электролизёра.
¶Огнеупоры и керамика
Высокая температура плавления и химическая стойкость делают глинозём основой огнеупорных изделий: футеровок печей, ковшевых сопел, огнеупорного кирпича. Чистый глинозём применяется в электротехнической керамике, из него изготавливают изоляторы, подложки и корпуса для высоковольтной аппаратуры.
¶Абразивы и сверхтвёрдые материалы
Корунд и синтетический наждак (электрокорунд, получаемый восстановительной плавкой глинозёма с коксом в дуговых печах) используются как абразивные материалы для шлифовальных кругов, шкурок и режущего инструмента. Синтетический сапфир, выращенный из расплава глинозёма, применяется в лазерной технике и в качестве подложек для полупроводников.
¶Нефтехимия и адсорбция
Аморфные модификации глинозёма служат носителями катализаторов в нефтепереработке (крекинг, изомеризация) и адсорбентами для очистки газов и жидкостей.
¶Экология и производство в России
Россия занимает ограниченное место в мировом производстве глинозёма: действующие заводы — «Ачинский глинозёмный» (входит в «Русал»), «Братский глинозёмный» и «Тайский глинозёмный» (оба также в составе «Русала»). Основная часть бокситов импортируется из Гвинеи, Гайаны, Бразилии и других стран. Одним из крупнейших мировых производителей глинозёма является «Русал» — российская компания, входящая в тройку лидеров отрасли.
¶Интересные факты
Природный глинозём — корунд — занимает девятое место по твёрдости среди минералов. Искусственный корунд, выращенный по методу Вернэя (1902 год), позволил создать промышленную технологию получения сапфировых и рубиновых кристаллов, что стало основой современной лазерной техники.
¶Источники
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
- Большая российская энциклопедия
- Краткая химическая энциклопедия
- Справочник «Алюминий: технологии, экономика, экология»