Aluminate sind Metallsalze der Tonerde (Aluminiumoxid, Al2O3). Die wichtigsten Aluminate in der Industrie sind Natriumaluminat und Bariumaluminat.
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1. Natriumaluminat
Natriumaluminat ist eine wichtige kommerzielle anorganische Chemikalie. Es ist eine wirksame Quelle für Aluminiumhydroxid für viele industrielle und technische Anwendungen. Natriumaluminat in handelsüblicher Qualität ist in fester und flüssiger Form erhältlich.
Reines Natriumaluminat (wasserfrei) ist ein weißer kristalliner Feststoff mit der Formel NaAlO2. Handelsübliche Qualitäten enthalten jedoch immer mehr Natriumoxid (Na2O) als die stöchiometrisch erforderliche Menge.
Der Natriumoxidüberschuss liegt typischerweise in der Größenordnung des 1,05- bis 1,50-fachen des Formelbedarfs. Hydratisierte Formen von Natriumaluminat werden aus konzentrierten Lösungen kristallisiert.
Natriumaluminat hat keinen definierten Schmelzpunkt. Oberhalb von 1700 °C erweicht es, wenn Natrium langsam zu verdampfen beginnt und Aluminiumoxid zurückbleibt.
1.1. Herstellung von Natriumaluminat
Das wichtigste kommerzielle Verfahren zur Herstellung von Natriumaluminat ist die Auflösung von Aluminiumhydroxiden in einer Natriumhydroxidlösung. Aluminiumtrihydroxid, das aus dem Bayer-Verfahren gewonnen wird (auch bekannt als Aluminiumoxid), kann in wässrigen NaOH-Lösungen mit einer Konzentration von 10 % bis 30 % gelöst werden. Diese Auflösung erfolgt bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt.
Der Einsatz konzentrierterer NaOH-Lösungen führt zu einem halbfesten Produkt. Das Verfahren wird in dampfbeheizten Gefäßen aus Nickel oder Stahl durchgeführt. Das Aluminiumhydroxid wird mit etwa 50 %iger Natronlauge gekocht, bis eine breiige Konsistenz entsteht.
Anschließend wird die Mischung zum Abkühlen in einen Tank überführt, wodurch eine feste Masse entsteht, die etwa 70 % NaAlO2 enthält. Nach dem Zerkleinern wird diese feste Masse in einem Drehrohrofen entwässert, der entweder direkt oder indirekt durch Wasserstoffverbrennung erhitzt wird.
Das Endprodukt besteht zu etwa 90 % aus NaAlO2, 1 % Wasser und zusätzlich 1 % freiem NaOH. Die Löslichkeitseigenschaften des resultierenden Salzes hängen wesentlich vom Ausmaß des verwendeten überschüssigen Natriumhydroxids ab.
Alternativ kann Bauxit direkt als Aluminiumoxidquelle dienen. Gibbsithaltige Bauxite werden bei 150 °C und 5 bar Druck gewonnen. Böhmithaltiges Bauxit erfordert jedoch höhere Temperaturen (230 °C) und Drücke.
Die aus dem Aufschlussprozess gewonnene Natriumaluminatlösung wird von Verunreinigungen isoliert und anschließend zur Herstellung der kommerziellen Flüssigqualität durch Eindampfen konzentriert. Das feste Produkt entsteht aus der Trocknung dieser flüssigen Mischung.
Eine weitere Methode zur Herstellung von Natriumaluminat ist die Sintertechnik. Dabei wird Natriumcarbonat direkt mit Bayer-Aluminiumtrihydroxid in Drehsinteröfen bei 1000 °C gesintert. Das Ergebnis ist ein im Wesentlichen wasserfreies Produkt. Beim Sintern von Bauxit ist ein entscheidender Schritt das Auslaugen der gesinterten Masse mit Wasser, um die Verunreinigungen abzutrennen.
1.2. Verwendung von Natriumaluminat
Natriumaluminat findet vielfältige Anwendungen und leistet bedeutende Beiträge in mehreren Bereichen. Es wird in der Wasseraufbereitung, Bautechnik, Katalyse und darüber hinaus eingesetzt. Die vielseitigen Eigenschaften von Natriumaluminat machen es zu einer unverzichtbaren Verbindung in der modernen industriellen Praxis.
Wasserversorgung
Natriumaluminat hat eine zentrale Anwendung in der Wasseraufbereitung sowohl für Trink- als auch für Industriewasser. Als Ergänzung zu Wasserenthärtungssystemen verbessert es die Flockung und hilft bei der Entfernung gelöster Kieselsäure.
In Wasser gelöst ergibt Natriumaluminat eine Lösung mit einem pH-Wert von 8. Diese Lösung erleichtert die Ausfällung von Aluminiumhydroxid, das über außergewöhnliche Flockungseigenschaften verfügt und im Wasser vorhandene Verunreinigungen wirksam koaguliert.
Für optimale Ergebnisse kann die Zugabe von Aluminiumsulfat die Fällungsbedingungen abhängig von den jeweiligen Verunreinigungen weiter verfeinern.
Baufortschritte
In der Bautechnik wird Natriumaluminat eingesetzt, um die Erstarrung von Beton zu beschleunigen, insbesondere unter schwierigen Bedingungen wie Frost, Unterwasseranwendungen und feuchtem Boden.
Im Vergleich zu Calciumchlorid hat Natriumaluminat den Vorteil, eine schnelle Abbindebeschleunigung zu erreichen, insbesondere bei niedrigen Wasser-Zement-Verhältnissen. Besonders attraktiv ist die Kompatibilität mit Stahlbeton, ohne schädliche Auswirkungen auf die Bewehrungsmetalle zu haben.
Zusätze von Stoffen wie Oxosäuren, Zucker, Naphthen, K2CO3 oder Na2SO4 können die Endfestigkeit erhöhen, ohne die Abbindegeschwindigkeit wesentlich zu beeinflussen. Natriumaluminat verstärkt nicht nur die Wasser-, Alkali- und Säurebeständigkeit im Mörtel, sondern spielt auch bei der Herstellung von Blähbeton eine Rolle, indem es stickstoffabspaltende Stoffe aktiviert.
Darüber hinaus stabilisiert sein Zusatz die Schaumbildung bei der Herstellung von Feuerleichtsteinen, bei denen bis zu 5 % Natriumaluminat (bezogen auf die Gesamttrockenmasse) eingearbeitet werden.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Natriumaluminat ist bei der Herstellung synthetischer Zeolithe immer wichtiger geworden und dient sowohl als Katalysatorträger als auch als Katalysator. Es ist die Hauptquelle für Aluminiumoxid zur Herstellung von Aluminiumoxidadsorptionsmitteln und -katalysatoren.
Es wird in der Papierindustrie zur Verbesserung der Opazität, der Faser- und Füllmaterialretention sowie der Papierfestigkeit eingesetzt. Außerdem stabilisiert es den pH-Wert im Wasserkreislauf und erhöht die Dispersionsstabilität von Titandioxid.
Eine weitere Anwendung ist die Verwendung von Natriumaluminat als Beizmittel zum Schutz metallischer Oberflächen aus Kupfer, Aluminium oder anderen Materialien.
Diese Schutzwirkung beruht auf der Bildung einer dünnen und fest haftenden Schicht aus Aluminiumhydroxid bzw. nach Wärmebehandlung Aluminiumoxid auf der Oberfläche, wodurch der metallische Glanz erhalten bleibt.
Die Emailindustrie profitiert von der Einarbeitung von Natriumaluminat in Emailmischungen, um niedrigschmelzende Überzüge zu erzielen.
Der Einfluss von Natriumaluminat nimmt in Bereichen wie der Lithographie zur Herstellung von Druckfarben und Druckformen sowie in der Waschmittel- und Lackindustrie immer weiter zu.
Es trägt zur Bildung wasserunlöslicher Bohnerwachse bei und dient als Dispergiermittel für die Herstellung von hochreinem Asbest. Es findet auch Anwendung in Bohrflüssigkeiten, Textilien als Beizmittel beim Färben und Bedrucken von Stoffen und in zahlreichen anderen Bereichen.
Zu seinen Fähigkeiten gehört die Verhinderung des Ätzens von Glas durch alkalische Lösungen, der Schutz von Stahloberflächen beim Verzinken, die Verbesserung der Färbe- und Antistatikeigenschaften von synthetischen Polyesterfasern sowie die Verwendung als Zusatzstoff in Gießereisandformen und -kernen. Darüber hinaus spielt es eine Rolle als Bindemittel in der Keramikindustrie und festigt seine Bedeutung in der gesamten Industrielandschaft.
2. Bariumaluminate
Bariumaluminate sind Verbindungen aus Barium- und Aluminiumoxiden. Die industriell wichtigsten sind BaO·6Al2O3 (Schmelzpunkt 1915 °C), BaO·Al2O3 (Schmelzpunkt 1815 °C) und 3BaO·Al2O3 (Schmelzpunkt 1425 °C). Die ersten beiden kristallisieren im hexagonalen Kristallsystem.
Bariumaluminate werden durch Schmelzen von Bauxit mit Kohle und Schwerspat hergestellt. Durch Auslaugen der Schmelze entsteht eine Bariumaluminatlösung, aus der durch Eindampfen das Salz gewonnen wird. Durch Sintern von Mischungen aus Aluminiumoxid und Bariumcarbonat können sehr reine Bariumaluminate hergestellt werden.
Alle Bariumaluminate, einschließlich hydratisierter Verbindungen wie BaO·Al2O3·4H2O, 2BaO·Al2O3·5H2O, BaO·Al2O3·7H2O und 7BaO·6Al2O3·36H2O, hydrolysieren in Wasser unter Bildung von Gibbsit (Al(OH)3) und sind relativ löslich Bariumhydroxid.
Bariumaluminate werden zur Wasserreinigung verwendet, da das Ba2+-Ion sowohl Sulfate als auch Carbonate ausfällt, während die Aluminat-Ionen unlösliches Calciumaluminat bilden.
Sie werden auch als Spezialzement beispielsweise als Bindemittel für die Herstellung von Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien und bei der Herstellung von Strahlenschutzschilden eingesetzt.
Referenz
- Aluminum Compounds, Inorganic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2
FAQ
Die chemische Formel für Aluminat wird typischerweise als MAlO2 oder M2Al2O4 ausgedrückt, wobei M ein Metallkation darstellt, häufig Natrium (Na) oder Barium (Ba).
In der Chemie ist Aluminat eine Verbindung, die das Aluminat-Anion (AlO2–) enthält. Es kommt in verschiedenen Formen vor, darunter fest, flüssig und gasförmig.
Natriumaluminat ist basischer Natur. Beim Auflösen in Wasser entstehen Hydroxidionen (OH–), die zu seinen alkalischen Eigenschaften beitragen.
Natriumaluminat wird durch Auflösen von Aluminiumhydroxid in Natriumhydroxidlösung hergestellt. Darüber hinaus kann Bauxit, eine Aluminiumquelle, mit Natriumhydroxid behandelt werden, um Natriumaluminat zu erhalten.
Natriumaluminat findet verschiedene Anwendungen, einschließlich der Wasseraufbereitung zur Erweichung und Koagulation, zur Beschleunigung der Betonerstarrung, als Katalysatorträger und bei der Herstellung synthetischer Zeolithe. Es verbessert außerdem die Opazität von Papier, dient als Beizmittel für Textilien und wird unter anderem in der Emailindustrie eingesetzt.
Natriumaluminat wird als Gerinnungsmittel verwendet, da es die Aggregation und Entfernung suspendierter Partikel und Verunreinigungen im Wasser unterstützt. Es fördert die Flockung, was die Trennung von Verunreinigungen aus dem Wasser vereinfacht.
Wenn Natriumaluminat mit Wasser reagiert, entsteht durch die Bildung von Hydroxidionen (OH–) und Aluminiumoxidhydrat eine stark alkalische Lösung. Der pH-Wert der Lösung kann bis zu 13 betragen.
