Aluin: eigenschappen, productie en toepassingen

2. Algemene eigenschappen van aluin

1. Algemene formule van aluin: Aluin is een kristallijn dubbelzout met de formule (kation 1)⁺(kation 2)³⁺(anion^2-)₂ • 12 H₂O. De meest voorkomende aluin bevat driewaardige aluminiumkationen en sulfaatanionen, aangeduid als M⁺Al³⁺(SO₄^2-)₂ • 12 H₂O.

2. Componentvervanging: De componenten van aluin kunnen worden vervangen terwijl de kristalstructuur en het watergehalte behouden blijven. Aluinen met verschillende driewaardige metaalkationen kunnen ijzer, chroom, kobalt, mangaan, titanium, vanadium, gallium, indium, scandium, rhodium en iridium zijn. De monovalente component kan alkalimetalen, ammonium, alkylammonium, arylammonium of thallium zijn.

3. Kristalstructuur: Aluinkristallen zijn octaëdrisch of kubisch met sterke lichtbreking.

4. Eigenschappen: Aluinen bezitten een adstringerende smaak en vertonen eigenschappen zoals rotwerendheid en eiwitprecipitatie.

5. Chemisch gedrag: Wanneer aluinen in water worden opgelost, vertonen ze chemische eigenschappen die inherent zijn aan hun componenten. In zeer verdunde oplossingen zijn fysieke eigenschappen zoals kleur, elektrische geleidbaarheid en vriespuntverlaging additief. Bij hogere concentraties kunnen echter complexe formaties zoals [Al(SO₄)₂ • (H₂O)₂]^– optreden.

6. Oplosbaarheid: De oplosbaarheid van aluin in water neemt af van natrium naar cesium.

7. Verhittingseffecten: Aluin verliest gedeeltelijk of volledig zijn kristalwater bij verhitting. Toch kunnen ze een deel van dit water weer absorberen onder normale temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden.

3. Kaliumaluminiumsulfaat

Kaliumaluminiumsulfaat, ook bekend als kaliumaluin, heeft de chemische formule KAl(SO₄)₂ • 12 H₂O en het molecuulgewicht van 474,4 g/mol. Deze verbinding en ammoniumaluminiumsulfaat zijn de langst bekende aluminiumverbindingen.

Kaliumaluin kan in de natuur worden gevonden als een uitbloeiing op aluinschalie en in vulkanische gebieden op trachiet en lava als veeraluin.

In zijn natuurlijke staat vormt kaliumaluin grote, kleurloze, transparante octaëdrische kristallen met een smeltpunt van 92,5 °C vanwege hun inherente kristalwater.

Op de schaal van Mohs hebben deze kristallen een hardheid van 2. Ze zijn in staat om infraroodstraling met een lange golflengte bijna volledig te absorberen, terwijl ze transparant blijven voor zichtbaar licht.

Bepaalde stoffen, waaronder hydroxiden, carbonaten, boraten, carbamiden, metalen en organische kleurstoffen, vergemakkelijken de vorming van basisch aluminiumsulfaat door vrij zwavelzuur te binden in de moederloog. Onder deze omstandigheden wordt de kubische vorm, ook bekend als kubisch of Romeins aluin, gangbaarder.

Kaliumaluin blijft stabiel onder typische luchtvochtigheidsomstandigheden. Dehydratie begint pas onder de 30 °C en bij 65 °C treedt een verlies van negen mol water op. K₂SO₄, γ-Al₂O₃ en 3 K₂SO₄ • Al₂(SO₄)₃ worden gevormd bij 780 °C, terwijl K₂SO₄, α-Al₂O₃ en K₂O • 12 Al₂O₃ worden gegenereerd bij 1400 °C.

Wanneer kaliumaluin wordt verhit boven het smeltpunt, ondergaat het dehydratie en transformeert het in gecalcineerd aluin (alum ustum), weergegeven als KAl(SO₄)₂. Bij verhoogde temperaturen komt SO₃ vrij.

Qua oplosbaarheid is kaliumaluin oplosbaar in verdunde zuren, maar vrijwel onoplosbaar in watervrij ethanol, aceton en methylacetaat. De oplosbaarheid in water neemt aanzienlijk toe met de temperatuur, waardoor zuivering door herkristallisatie eenvoudiger is in vergelijking met andere aluminiumzouten. Dit proces helpt met name bij het verwijderen van ijzersulfaat.

Kaliumaluin vormt gemakkelijk gemengde kristallen met ammoniumsulfaat.

Een andere variatie is basisch kaliumaluminiumsulfaat, K[Al(OH)₂]₃(SO₄)₂ • 3/2 H₂O. Deze verbinding komt van nature voor en kan synthetisch worden geproduceerd als een amorf, relatief onoplosbaar poeder door verhitting van aluminiumsulfaat, water en een overmaat kaliumsulfaat.

Bovendien wordt een ander type basisch kaliumaluminiumsulfaat, K[Al₃(OH)₆(SO₄)₂], dat minder water bevat, in de natuur aangetroffen als aluinsteen (aluniet).

3.1. Productie van kaliumaluin

Het aluminiumhydroxide wordt eerst opgelost in water om een ​​oplossing van aluminiumsulfaat te vormen. Het zwavelzuur wordt vervolgens toegevoegd aan de aluminiumsulfaatoplossing en het mengsel wordt verhit tot een druk van 5-6 bar. De reactie tussen het aluminiumhydroxide en zwavelzuur produceert een smelt van aluminiumsulfaat.

De aluminiumsulfaatsmelt wordt vervolgens in een koperen container geleid, waar een stoichiometrische hoeveelheid kaliumsulfaat wordt toegevoegd. De oplossing wordt verhit tot een temperatuur van ongeveer 100 °C gedurende 2-3 uur en wordt aangepast tot een soortelijk gewicht van 40-44 °Bé met moederloog. De oplossing wordt vervolgens gefilterd om onoplosbaar materiaal te verwijderen.

De gefilterde oplossing wordt vervolgens 10 dagen in kristallisatieboxen gelaten. Gedurende deze tijd kristalliseert het aluminiumsulfaat uit de oplossing. De aluinkristallen worden vervolgens uit de boxen verwijderd en gewassen met water.

De gewassen aluinkristallen worden vervolgens gedroogd bij een temperatuur van 50-60 °C. De gedroogde aluinkristallen worden vervolgens gezeefd om eventuele onzuiverheden te verwijderen. De zuivere aluinkristallen worden vervolgens verpakt in papieren zakken die zijn bekleed met polyethyleen.

De productie van kaliumaluin kan ook worden uitgevoerd door aluminiumsulfaat te laten reageren met kaliumhydroxide. Het aluminiumsulfaat wordt eerst opgelost in water om een ​​oplossing van aluminiumhydroxide te vormen.

Het kaliumhydroxide wordt vervolgens toegevoegd aan de aluminiumhydroxideoplossing en het mengsel wordt verwarmd tot een temperatuur van 5-6 bar. De reactie tussen het aluminiumhydroxide en kaliumhydroxide produceert een smelt van kaliumaluin.

De kaliumaluin smelt wordt vervolgens op dezelfde manier verwerkt als de aluminiumsulfaat smelt.

De productie van kaliumaluin is een relatief eenvoudig proces. Het is echter belangrijk om de reactieomstandigheden zorgvuldig te controleren om een ​​product van hoge kwaliteit te produceren.

3.2. Toepassingen van kaliumaluin

Kaliumaluin kent verschillende toepassingen, waaronder:

• Looien van huiden: Kaliumaluin wordt gebruikt bij het looien van huiden om leer te maken. Het helpt om de haren van de huid te verwijderen en de huid soepeler te maken.
• Beits bij het verven: Kaliumaluin wordt gebruikt als beits bij het verven. Een beits is een substantie die de kleurstof helpt om zich aan de stof te binden. Kaliumaluin helpt om de kleur van de kleurstof permanenter te maken.
• Stollingsmiddel voor latex: Kaliumaluin wordt gebruikt als coagulatiemiddel voor latex. Latex is een melkachtige vloeistof die wordt gemaakt van het sap van rubberbomen. Kaliumaluin helpt om de latex te laten stollen, waardoor het gemakkelijker te hanteren en te verwerken is.
• Sastringerende en proteïne-precipiterende eigenschappen: Kaliumaluin heeft adstringerende en proteïne-precipiterende eigenschappen. Dit betekent dat het weefsel kan laten krimpen en proteïnen kan laten neerslaan. Kaliumaluin wordt in de farmaceutische en cosmetische industrie gebruikt vanwege deze eigenschappen. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt in bloedstelpende potloden om bloedingen te stoppen.
• Verhardingsmiddel en uithardingsversneller voor gips: Kaliumaluin wordt gebruikt als verhardingsmiddel en uithardingsversneller voor gips. Gips is een mineraal dat wordt gebruikt om pleister en beton te maken. Kaliumaluin helpt om het gips sneller te laten uitharden en om het sterker te maken.
• Water zuiveren: Kaliumaluin werd vroeger gebruikt om water te zuiveren. Het helpt om onzuiverheden uit het water te verwijderen en het helderder te maken. Kaliumaluin wordt echter niet meer voor dit doel gebruikt omdat het niet zo effectief is als andere methoden.
• Papierlijm: Kaliumaluin werd vroeger gebruikt om papier te lijmen. Lijmen is het proces van het coaten van papier met een substantie om het waterbestendiger te maken. Kaliumaluin wordt echter niet meer voor dit doel gebruikt omdat het niet zo effectief is als andere methoden.

In de papierindustrie wordt aluminiumsulfaat traditioneel, hoewel onjuist, aangeduid als aluin. Dit komt omdat aluminiumsulfaat oorspronkelijk werd gemaakt door kaliumaluin te behandelen met zwavelzuur. Aluminiumsulfaat wordt echter nu gemaakt door een ander proces en het bevat geen kalium.

4. Ammoniumaluminiumsulfaat

Ammoniumaluin is een dubbelzout van ammonium- en aluminiumsulfaten, NH₄Al(SO₄)₂ • 12 H₂O. Het is een witte, geurloze en smaakloze vaste stof die kristalliseert in grote, kleurloze, transparante octaëders. Ammoniumaluin heeft een smeltpunt van 93,5 °C en een dichtheid van 1,64 g/cm³. Het is oplosbaar in water en verdunde zuren, maar onoplosbaar in absolute alcohol.

Ammoniumaluin komt van nature voor als shermigite. Kristallen van ammoniumaluin die zijn gedoteerd met andere aluinen vertonen dubbelbreking. Dit betekent dat ze verschillende brekingsindices hebben voor verschillende lichtrichtingen.

De oplosbaarheid van ammoniumaluin in water is vergelijkbaar met die van kaliumaluin. Ammoniumaluin kan een continue reeks gemengde kristallen vormen met kaliumaluin.

Ammoniumaluin is licht oplosbaar in verdunde zuren en glycerol. Het is onoplosbaar in absolute ethanol.

In waterige oplossing is ammoniumaluin neutraal. Dit betekent dat het geen zure of basische pH heeft.

De gegevens over het verlies van water bij verhitting van ammoniumaluin zijn niet consistent. Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat het kristalwater in drie fasen vrijkomt. Eerst komt 21 mol water vrij om het hydraat met 21 mol water te geven.

Vervolgens komt 3 mol water vrij om het hydraat met 3 mol water te geven. Ten slotte wordt het watervrije product gevormd. Andere onderzoeken hebben aangetoond dat het kristalwater in twee fasen vrijkomt. Eerst komt 12 mol water vrij om het hydraat met 3 mol water te geven. Vervolgens wordt het watervrije product gevormd.

Boven 193 °C begint ammoniumaluin te ontbinden met de afgifte van ammoniak. Bij gloeien boven 1000 °C gaat zwaveltrioxide verloren, waarbij een aluminiumoxideresidu achterblijft.

4.1. Productie van ammoniumaluin

Ammoniumaluin wordt doorgaans geproduceerd door aluminiumhydroxide op te lossen in zwavelzuur en ammoniumsulfaat toe te voegen. De resulterende oplossing wordt vervolgens verdampt om het ammoniumaluin te kristalliseren. Dit proces is analoog aan de productie van kaliumaluin.

Om een ​​zeer zuiver ammoniumaluin te verkrijgen, wat vereist is voor sommige toepassingen zoals de productie van synthetische edelstenen, moeten zeer zuivere uitgangsmaterialen worden gebruikt. Het ijzeroxidegehalte van het ammoniumaluin moet minder dan 0,0001% zijn.

Ammoniumaluin kan ook worden geproduceerd door ammoniakgas te laten reageren met aluminiumsulfaat en zwavelzuur. Dit proces is minder gebruikelijk, maar het kan worden gebruikt om ammoniumaluin te produceren met een hoog ijzeroxidegehalte.

Ammoniumaluin is een tussenproduct in het “aloton”-proces, een methode voor het produceren van aluminiumhydroxide en aluminiumoxide. Dit proces werd vóór 1945 in Duitsland en de Verenigde Staten gebruikt, maar wordt tegenwoordig niet meer veel gebruikt.

4.2. Toepassingen van ammoniumaluin

Ammoniumaluin wordt in verschillende toepassingen gebruikt, waaronder:

• Looien: Ammoniumaluin wordt gebruikt om bont te looien. Het helpt de vacht te laten krimpen en soepeler te maken.
• Productie van aluminiumoxidedeeltjes: Ammoniumaluin kan worden gebruikt om zeer fijne aluminiumoxidedeeltjes te produceren, die worden gebruikt voor het polijsten van metallografische oppervlakken.
• Desinfectiemiddel: In sommige landen buiten Europa wordt ammoniumaluin gebruikt als desinfectiemiddel. Het kan worden gebruikt om bacteriën en andere micro-organismen te doden.
• Bakpoeder: Ammoniumaluin is een ingrediënt in bakpoeder. Het helpt om gebakken goederen te laten rijzen door koolstofdioxidegas vrij te geven.
• Productie van synthetische edelstenen: Ammoniumaluin wordt gebruikt als uitgangsmateriaal voor de productie van synthetische edelstenen, zoals robijnen en saffieren. Wanneer het wordt verhit tot 1000 °C, ontleedt ammoniumaluin tot aluminiumoxide, wat het hoofdbestanddeel is van deze edelstenen.

In Europa wordt ammoniumaluin niet in grote hoeveelheden gebruikt. Het wordt echter breder gebruikt in de Verenigde Staten, waar het een belangrijk ingrediënt is in bakpoeder. Ammoniumaluin wordt ook steeds belangrijker als uitgangsmateriaal voor de productie van synthetische edelstenen.

5. Natriumaluminiumsulfaat

Natriumaluminiumsulfaat (NaAl(SO₄)₂·12 H₂O), ook bekend als soda-aluin, is een anorganische verbinding met een wit kristallijn uiterlijk. Het is oplosbaar in water, maar onoplosbaar in absolute alcohol. Natrium-aluin smelt bij 61 °C en komt van nature voor als het mineraal mendoziet.

De gegevens over de thermische dehydratie van natrium-aluin zijn niet consistent. Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat het water stapsgewijs verliest, terwijl andere hebben aangetoond dat het water in één stap verliest.

De twee grootste uitdagingen bij het verkrijgen van natriumaluin zonder ijzer zijn:

• Het is moeilijk om natriumaluinpoeder (zeer fijne kristalvorm) commercieel te produceren.
• Natriumaluin is zeer oplosbaar in water, waardoor het moeilijk is om de ijzerverontreinigingen te verwijderen.

Door deze uitdagingen heeft natriumaluin niet dezelfde belangrijkheid gekregen als andere aluinsoorten. In Europa is het gebruik ervan stopgezet. Het wordt echter nog steeds in relatief grote hoeveelheden (ongeveer 3.000 ton per jaar) gebruikt in de Verenigde Staten, voornamelijk in bakpoeder.

Hier zijn enkele aanvullende details over de eigenschappen van natriumaluin:

• De molaire massa van natriumaluin is 242,10 g/mol.
• De dichtheid van natriumaluin is 1,67 g/cm³.
• Het smeltpunt van natriumaluin is 61 °C.
• Het kookpunt van natriumaluin is 330 °C.
• De oplosbaarheid van natriumaluin in water is 39,1 g/100 ml (bij 20 °C).

5.1. Productie van natriumaluminiumsulfaat

Natriumaluin wordt in de Verenigde Staten geproduceerd door een heldere oplossing van natriumsulfaat toe te voegen aan aluminiumsulfaat. De oplossing wordt verdund tot 30 Baumé en verhit. Een slib van kaliumsulfaat, natriumsilicaat en natronloog wordt vervolgens toegevoegd om de zuiverheid van het product te verbeteren.

Het mengsel wordt in een geroerd vat gepompt en gedurende enkele uren gemengd. Tijdens deze fase wordt de verhouding van aluminiumsulfaat tot natriumsulfaat aangepast aan de stoichiometrische hoeveelheid.

Het smeltsel wordt vervolgens in een verdamper gepompt en geconcentreerd totdat het stolt tot een harde koek wanneer het in een koeltank wordt gegoten. De natriumaluinkoek wordt vervolgens verhit en gemalen tot de gewenste grootte (99% door een zeef van 100 mesh).

6. Toxicologie

Aluinoplossingen staan ​​bekend om hun adstringerende effecten, wat betekent dat ze samentrekking van weefsels kunnen veroorzaken. Dit kan nuttig zijn in sommige toepassingen, zoals bloedstelpende pennen. Aluinoplossingen kunnen echter ook schadelijk zijn als ze in grote hoeveelheden worden ingeademd of ingenomen.

Er werd een TLV van 2 mg/m³ vastgesteld voor in water oplosbare aluminiumzouten. TLV staat voor Threshold Limit Value, wat het niveau van een stof in de lucht is dat als veilig wordt beschouwd voor de meeste mensen gedurende een werkdag van acht uur.

Dit betekent dat het inademen van 2 mg in water oplosbare aluminiumzouten per kubieke meter lucht naar verwachting geen gezondheidsproblemen zal veroorzaken voor de meeste mensen.

Het is echter belangrijk om op te merken dat de TLV slechts een gemiddelde waarde is. Sommige mensen zijn mogelijk gevoeliger voor de effecten van aluinoplossingen dan anderen. Het is ook belangrijk om rekening te houden met de duur van de blootstelling.

Het inademen of innemen van zelfs kleine hoeveelheden aluinoplossingen gedurende een lange periode kan leiden tot gezondheidsproblemen.

Hier zijn enkele gezondheidsproblemen die kunnen worden veroorzaakt door aluinoplossingen:

• Oogirritatie
• Huidirritatie
• Irritatie van de luchtwegen
• Misselijkheid
• Overgeven
• Diarree
• Nierproblemen
• Leverproblemen
• Problemen met het centrale zenuwstelsel

Referentie

• Aluminiumverbindingen, anorganisch; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2