آلومینا چیست و از کاربردهای آن چه می دانید؟

آلومینا ، که به عنوان اکسید آلومینیوم (Al_۲O_۳)  نیز شناخته می شود ماده ای آمورف سفید ، بی بو و خنثی است که اغلب در  تولید سرامیک های صنعتی باه نام سرامیک آلومینا مورد استفاده قرار می گیرد. به دلیل خواص برجسته آلومینا در تعداد قابل توجهی از برنامه های بلند مدت و تقویت جامعه کمک کرده است. این ترکیب در زمینه پزشکی و جنگ های مدرن به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. به همین دلیل قیمت آلومینا و بازار خرید پودر آلومینا و همچنین فروش آلومینا بسیار گسترده است.

آلومینا که معمولاً اکسید آلومینیوم نیز نامیده می شود به طور مصنوعی با اکسید کردن  آلومینیوم تولید می شود و در واقع یک ترکیب شیمیایی است که از اکسیژن و آلومینیوم تشکیل شده است.  این ترکیب یک ماده بلوری بی رنگ می باشد که به طور طبیعی در انواع مختلف یاقوت کبود و یاقوت قرمز دیده می شود. از این ماده  بیشتر در تولید فلز آلومینیوم استفاده می شود.

اکسید آلومینیوم از بوکسیت تشکیل شده است. این  ترکیب یک اکسید آلومینیوم است که با عناصر و اکسیدهای دیگر مانند آهن  و سیلیکون مخلوط می شود. همچنین از خاک رس نیز می تواند استخراج شود. بنابراین بوکسیت می تواند مانند سنگ نرم یا سخت باشد. آلومینا با رنگ های  صورتی ، سفید ، قرمز یا ترکیبی از این  رنگها  مشخص می شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

ساختار آلومینا

اکسید آلومینیوم به چندین شکل مختلف  وجود دارد. در میان آنها رایج ترین و متبلورترین شکل آلومینای کوروندوم است که  به طور مثال در  یاقوت سرخ به رنگ قرمز تیره است و یاقوت کبود از مقدار ناخالصی از جمله تیتانیوم و آهن تشکیل شده که باعث به وجود آمدن رنگ های مختلف شده است.

مشخصات شیمیایی و فیزیکی آلومینا

آلومینا دارای  تعداد بسیار زیادی خصوصیات ویژه می باشد که نه تنها آن را برای تولید آلومینیوم ایده آل می کند ، بلکه در طیف گسترده ای از کاربردهای دیگر نیز ارزشمند خواهد بود:

• هدایت حرارتی بالا
• سختی بالا
• مقاومت در برابر سایش
• مقاومت در برابر اشکال مختلف حمله شیمیایی
• مقاومت در برابر خوردگی (آلومینا همان چیزی است که مقاومت در برابر خوردگی را در برابر فلزات آلومینیوم ایجاد می کند)
• عایق الکتریکی و حرارتی

چگونه آلومینیوم ساخته می شود؟

آلومینیوم با استفاده از جریان برق از طریق یک مخزن احیا پر از بلورهای محلول آلومینا ساخته می شود. اساساً هر پوند آلومینیوم از حدود دو پوند آلومینا یا اکسید آلومینیوم ساخته می شود. برای از بین بردن پیوند بین آلومینیوم و اکسیژن ، مقدار زیادی انرژی لازم است ( حدود ۱۵ کیلووات ساعت در هر کیلوگرم (۲.۲ پوند) . به همین دلیل سدهای بزرگ ساخته شدن که برق مورد نیاز را تامین کنند زیرا جهان به الومینیوم نیاز بسیار زیادی دارد.

آلومینا از بوکسیت ساخته می شود که در معادن غول پیکر روباز در جامائیکا ، روسیه و مالزی استخراج می شود. استخراج معادن به تنهایی بسیار مخرب است ، زمین های کشاورزی و جنگل ها در اثر استخراج بوکسیت از بین می روند. به دلیل تقاضای  زیاد اکنون  چین ، مالزی در حال افزایش استخراج بوکسیت می باشد.

درعملیات بزرگ استخراج  صنعتی نزدیک به منبع ، بوکسیت خرد شده و در سود سوز آور پخته می شود و هیدرات آلومینا رسوب می کند. آنچه باقی مانده است “گل سرخ” نامیده می شود  ، که مخلوطی سمی از آب و مواد شیمیایی دیگر می باشد  که اغلب در استخرها نگهداری می شود.

هیدرات آلومینای جدا شده سپس در دمای ۲۰۰۰ درجه فارنهایت پخته می شود تا آب از آن خارج شود و کریستال های آلومینای بی آب ، چیزی که آلومینیوم از آن ساخته شده است باقی بماند . در حال حاضر واقعاً کمبود آلومینا در جهان وجود دارد .

در حال حاضر ، بوکسیت تنها منبعی است که می توان از آن آلومینا در مقیاس تجاری استخراج کرد. با این حال ، تحقیقات در مورد بازیابی آلومینا از خاک رس در حال رشد است. تحقیقات در چین همچنین در حال بررسی امکان بازیابی آلومینا از خاکستر بادی زغال سنگ در حال انجام می باشد.

آلومینا چگونه تولید می شود؟

اکسید آلومینیوم غالباً توسط فرآیند بایر تولید می شود که به معنی تصفیه بوکسیت برای تولید آلومینا است. معادله شیمیایی قابل برگشت زیر فرآیند بایر را توصیف می کند:

این فرآیند با خشک کردن بوکسیت خرد شده و شسته شده شروع می شود ، که معمولاً حاوی ۳۰-۵۵٪ Al2O3 است .در این فرآیند بوکسیت در سود سوزآور حل شده و دوغابی تشکیل می دهد و در دمای حدود ۲۳۰–۵۲۰ درجه فارنهایت (۱۱۰–۲۷۰ درجه سانتیگراد) گرم می شود. سپس این مخلوط را از فیلتر عبور می دهند تا باقیمانده ای به نام ناخالصی های “گل قرمز” پاک شود.

محلول فیلتر شده آلومینا (هیدروکسید آلومینیوم) سپس به مخازن رسوب دهنده منتقل شده یا پمپ می شود و در آنجا خنک می شود و شروع به دانه زدن می کند. این دانه ها فرآیند بارش را تحریک می کنند و اجازه می دهند بلورهای جامد هیدروکسید آلومینیوم تشکیل شود.سپس  تمام هیدروکسید آلومینیوم که در ته مخزن قرار می گیرد را خارج می کنند.

سود سوزآور باقی مانده از هیدروکسید آلومینیوم که تحت سطوح مختلف فیلتر قرار می گیرد ، شسته می شود. در آخر ، آنرا گرم می کنند تا آب اضافی آن کاملاً از بین برود. پس از عبور از یک مرحله خنک کننده ، پودر ریز  سفید رنگ تولید می شود.

فرآیند بایر در شکل زیر خلاصه شده است ، تمام مراحل و آنچه در هر مرحله اتفاق می افتد را نشان می دهد.

کاربردهای آلومینا یا اکسید آلومینیوم

بیشترین مصرف اکسید آلومینیوم برای تولید فلز آلومینیوم است. اکسیژن به طور معمول در واکنش با  آلومینیوم،  خوردگی فلز را کاهش می دهد. با این حال ، هنگامی که با اکسیژن پیوند می یابد و اکسید آلومینیوم تشکیل می شود ، یک پوشش محافظ به وجود می آید که  از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. این پوشش  به  استحکام  فلز می افزاید و آلومینیوم را در برابر خراب شدن بیشتر محافظت می کند.

آلومینا به عنوان یک ماده شیمیایی خنثی به عنوان ماده پرکننده در پلاستیک ها ، آجرها و سایر ظروف سنگین مانند کوره ها استفاده می شود. این ترکیب به دلیل مقاومت و سختی بالا اغلب به عنوان ساینده برای تولید کاغذ سنباده استفاده می شود و یک جایگزین اقتصادی عالی برای الماس های صنعتی است.

این ترکیب به طور گسترده ای در زیر لایه های الکترونیکی ، نخ  و سیم ، حلقه های مهر و موم ، پوشش بالستیک ، سنسورهای دماسنج ، رابط ها ، لوله های آستر کوره ، عایق های ولتاژ بالا و لوله های آزمایشگاهی استفاده می شود. گاهی در مواد آرایشی مانند لاک ناخن ، رژ لب و رژگونه  نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

کدام صنایع از آلومینا استفاده می کنند؟

صنعت پزشکی

به دلیل سختی بالای اکسید آلومینیوم و خواص شیمیایی آن ، ماده ترجیحی برای بلبرینگ در جایگزینی مفصل ران است ، به عنوان پروتز ، کاشت بیونیک ، جایگزین مصنوعی چشم ، تقویت کننده های بافت ، تاج دندان ، پایه ها ، پل ها و سایر ایمپلنت های دندانی استفاده می شود. این ماده همچنین در تجهیزات و ابزار آزمایشگاهی مانند بوته ها ، کوره ها و سایر تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد.

تجهیزات نظامی و محافظتی

استحکام و کیفیت بالای اکسید آلومینیوم به تقویت زره های بدن مانند جلیقه ها کمک کرده است ، همچنین در تولید  خودروهای زرهی  و بدنه هواپیما که بیشترین استفاده از این اکسید را در این صنعت دارد ، به کار می رود. از اکسید آلومینیوم در شیشه های ضد گلوله و ساخت یاقوت کبود مصنوعی  نیز استفاده می شود.

صنعت برق و الکترونیک

نقاط ذوب و جوش زیاد آن علاوه بر خاصیت مقاومت حرارتی بسیار عالی ، اکسید آلومینیوم در ساخت عایق های کوره و عایق های الکتریکی با درجه حرارت بالا استفاده می شود. فیلم های آلومینا نیز از اجزای حیاتی در صنعت ریز تراشه ها هستند. برخی دیگر از کاربردهای آن شامل شمعک ها ، بسترهای میکروالکتریکی و سینک های گرمایشی عایق است .

صنعت جواهرات

اکسید آلومینیوم یک عنصر با ارزش در تشکیل  یاقوت کبود است. شکل کریستالی آن  ، عنصر اصلی این سنگ های قیمتی می باشد. یاقوت قرمز رنگ عمیق خود را مدیون ناخالصی های کروم است در حالی که یاقوت کبود رنگ های مختلف خود را از  آهن و تیتانیوم  بدست می آورند.

صنعت ساخت و ساز

از اکسیدهای آلومینیوم همچنین برای تولید اجزای لوله کشی مانند زانو ، سه راهی ، لوله های مستقیم ، سیکلون های آبی ، گیرنده ها ، نازل ها و شیرها استفاده می شود. سایر کاربردها شامل تولید ابزارهای مختلف ماشینکاری ، ابزارهای برش ، غلاف ترموکوپل ، پروانه های پمپ مقاوم در برابر سایش و صفحات دزدگیر می باشد.

کاربردهای آتی آلومینا

در حالی که آلومینا به عنوان ماده اصلی تولید آلومینیوم شناخته شده است ، اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر ، از ساینده ها گرفته تا سرامیک های مهندسی شده ، نقشی اساسی دارد. اگرچه فرآوری آلومینا از بوکسیت کاملاً ساده است ، می توان از فرآیندهای دیگر  برای تبدیل آلومینای خالص به محصول نهایی مورد نظر استفاده کرد ، آزمایشاتی که غالباً جز جدایی ناپذیر از این فرآیند هستند.

تولیدکنندگان طیف گسترده ای از پیشنهادات را به صنعت آلومینا ارائه می دهد ، از کوره های دوار سفارشی و تجهیزات تجمع گرفته، تا امکان سنجی جامع و  آزمایشی و حتی پشتیبانی قطعات و خدمات ، زیرا روزبه روز درخواست برای فلز آلومینیوم روبه افزایش می باشد و منابع موجود برای تولید آلومینا روز به روز کاهش پیدا می کند . بنابراین  محققان در تلاش برای یافتن منابع جایگزین برای استخراج این اکسید ضروری هستند.