Aluminaten zijn metaalzouten van aluminiumoxide (aluminiumoxide, Al2O3). De belangrijkste aluminaten in de industrie zijn natriumaluminaat en bariumaluminaat.
Inhoudsopgave
1. Natriumaluminaat
Natriumaluminaat is een belangrijke commerciële anorganische chemische stof. Het is een effectieve bron van aluminiumhydroxide voor veel industriële en technische toepassingen. Commerciële soorten natriumaluminaat zijn verkrijgbaar in vaste en vloeibare vorm.
Puur natriumaluminaat (watervrij) is een witte kristallijne vaste stof met de formule NaAlO2. Commerciële soorten bevatten echter altijd meer natriumoxide (Na2O) dan de vereiste stoichiometrische hoeveelheid. De overtollige natriumoxide is doorgaans in de orde van 1,05 tot 1,50 keer de vereiste formule. Gehydrateerde vormen van natriumaluminaat worden gekristalliseerd uit geconcentreerde oplossingen.
Natriumaluminaat heeft geen gedefinieerd smeltpunt. Het wordt zacht boven 1700 °C wanneer natrium langzaam begint te verdampen, waarbij aluminiumoxide achterblijft.
1.1. Productie van natriumaluminaat
De primaire commerciële methode voor het produceren van natriumaluminaat is het oplossen van aluminiumhydroxiden in een natriumhydroxide-oplossing. Aluminiumtrihydroxide, verkregen via het Bayer-proces (ook bekend als aluminiumoxide), kan worden opgelost in waterige NaOH-oplossingen met een concentratie van 10% tot 30%. Deze oplossing vindt plaats bij temperaturen dicht bij het kookpunt.
Het gebruik van meer geconcentreerde NaOH-oplossingen resulteert in een halfvast product. De procedure wordt uitgevoerd in stoomverhitte vaten die zijn gemaakt van nikkel of staal. Het aluminiumhydroxide wordt gekookt met ongeveer 50% waterige natriumhydroxide totdat er een pulpachtige consistentie ontstaat.
Hierna wordt het mengsel overgebracht naar een tank om af te koelen, wat leidt tot de vorming van een vaste massa die ongeveer 70% NaAlO2 bevat. Nadat deze vaste massa is vermalen, ondergaat deze dehydratie in een roterende oven, hetzij direct, hetzij indirect verhit door waterstofverbranding.
Het eindproduct bestaat uit ongeveer 90% NaAlO2, 1% water en nog eens 1% vrije NaOH. De oplosbaarheidseigenschappen van het resulterende zout zijn sterk afhankelijk van de mate van overtollig natriumhydroxide dat wordt gebruikt.
Als alternatief kan bauxiet direct dienen als bron van alumina. Bauxieten die gibbsiet bevatten, worden geëxtraheerd onder omstandigheden van 150 °C en 5 bar druk. Bauxiet met boehmiet vereist echter hogere temperaturen (230 °C) en druk.
De natriumaluminaatoplossing die wordt verkregen uit het verteringsproces wordt geïsoleerd van onzuiverheden en vervolgens geconcentreerd voor de productie van de commerciële vloeibare kwaliteit door verdamping. Het vaste product wordt verkregen door het drogen van dit vloeibare mengsel.
Een andere methode die wordt gebruikt voor de productie van natriumaluminaat is de sintertechniek. Dit omvat het rechtstreeks sinteren van natriumcarbonaat met Bayer aluminiumtrihydroxide in roterende sinterovens die werken op 1000 °C. Het resultaat is een in wezen watervrij product. Bij het sinteren van bauxiet is een cruciale stap het uitlogen van de gesinterde massa met water om de onzuiverheden te scheiden.
1.2. Toepassingen van natriumaluminaat
Natriumaluminaat vindt uiteenlopende toepassingen en levert significante bijdragen in meerdere domeinen. Het wordt gebruikt in waterbehandeling, bouwtechnologie, katalyse en meer. De veelzijdige eigenschappen van natriumaluminaat maken het een onmisbare verbinding in moderne industriële praktijken.
1.2.1. Waterbehandeling
Natriumaluminaat heeft een centrale toepassing in waterbehandeling voor zowel drinkwater als industrieel water. Als aanvulling op wateronthardingssystemen verbetert het de flocculatie en helpt het bij het verwijderen van opgeloste silica.
Wanneer opgelost in water, geeft natriumaluminaat een oplossing met een pH-waarde van 8. Deze oplossing vergemakkelijkt de neerslag van aluminiumhydroxide, dat uitzonderlijke flocculatie-eigenschappen heeft en effectief onzuiverheden in het water stolt.
Voor optimale resultaten kan de toevoeging van aluminiumsulfaat de neerslagomstandigheden verder verfijnen, afhankelijk van de specifieke onzuiverheden in kwestie.
1.2.2. Bouwontwikkelingen
In de bouwtechnologie wordt natriumaluminaat gebruikt om de stolling van beton te versnellen, met name in uitdagende omstandigheden zoals vorst, onderwatertoepassingen en vochtige grond.
Vergeleken met calciumchloride heeft natriumaluminaat een voordeel bij het bereiken van een snelle uithardingsversnelling, met name bij lage water-cementverhoudingen. Met name de compatibiliteit met staalversterkt beton, zonder schadelijke effecten op wapeningsmetalen te veroorzaken, draagt bij aan de aantrekkingskracht ervan.
Toevoegingen van stoffen zoals oxozuren, suiker, nafteen, K2CO3 of Na2SO4 kunnen de uiteindelijke sterkte versterken zonder de uithardingssnelheid substantieel te beïnvloeden. Natriumaluminaat versterkt niet alleen de weerstand tegen water, alkali en zuur in mortel, maar speelt ook een rol bij de productie van geëxpandeerd beton door stikstofafgevende stoffen te activeren.
Bovendien stabiliseert de toevoeging ervan de schuimvorming bij de productie van lichte vuurvaste stenen, waarbij tot 5% natriumaluminaat (ten opzichte van de totale droge massa) wordt opgenomen.
1.2.3. Breed scala aan toepassingen
Natriumaluminaat is steeds belangrijker geworden bij de productie van synthetische zeolieten en dient zowel als katalysatordrager als katalysator. Het is de belangrijkste bron van alumina voor de bereiding van alumina-adsorbentia en katalysatoren.
Het wordt gebruikt in de papierindustrie om de opaciteit, de retentie van vezels en vulmateriaal en de sterkte van het papier te verbeteren. Het stabiliseert ook de pH-waarden in de watercirculatie en versterkt de dispersiestabiliteit van titaniumdioxide.
Een andere toepassing is het gebruik van natriumaluminaat als beits om metalen oppervlakken van koper, aluminium of andere materialen te beschermen.
Dit beschermende effect is gebaseerd op de vorming van een dunne en stevig hechtende laag aluminiumhydroxide of, na warmtebehandeling, aluminiumoxide op het oppervlak, waardoor de metaalachtige glans behouden blijft.
De emaille-industrie profiteert van de toevoeging van natriumaluminaat aan emailmengsels om laagsmeltende afdekkingen te verkrijgen.
De invloed van natriumaluminaat blijft groeien in sectoren als lithografie voor de productie van drukinkten en drukvormen, evenals in de wasmiddelen- en vernisindustrie.
Het draagt bij aan de creatie van in water onoplosbare vloerwassen en dient als een dispersiemiddel voor de productie van asbest met een hoge zuiverheid. Het vindt ook toepassingen in boorvloeistoffen, textiel als beitsmiddel bij het verven en bedrukken van textiel en talloze andere domeinen.
De mogelijkheden ervan omvatten het remmen van glasetsen door alkalische oplossingen, het beschermen van stalen oppervlakken tijdens het galvaniseren, het verbeteren van de verf- en antistatische eigenschappen van polyester synthetische vezels en het fungeren als additief in gieterijzandvormen en -kernen. Bovendien vindt het een rol als bindmiddel in de keramische industrie, wat zijn betekenis in het industriële landschap bevestigt.
2. Bariumaluminaten
Bariumaluminaten zijn verbindingen van barium- en aluminiumoxiden. De belangrijkste industriële zijn BaO·6 Al2O3 (smeltpunt 1915 °C), BaO·Al2O3 (smeltpunt 1815 °C) en 3 BaO·Al2O3 (smeltpunt 1425 °C). De eerste twee kristalliseren in het hexagonale kristalsysteem.
Bariumaluminaten worden geproduceerd door bauxiet te smelten met steenkool en bariet. De smelt wordt uitgeloogd om een oplossing van bariumaluminaat te geven, waaruit het zout wordt verkregen door verdamping. Zeer zuivere bariumaluminaten kunnen worden geproduceerd door mengsels van aluminiumoxide met bariumcarbonaat te sinteren.
Alle bariumaluminaten, inclusief gehydrateerde verbindingen zoals BaO·Al2O3·4 H2O, 2 BaO·Al2O3·5 H2O, BaO·Al2O3·7 H2O en 7 BaO·6 Al2O3·36 H2O, hydrolyseren in water en vormen gibbsiet (Al(OH)3) en relatief oplosbaar bariumhydroxide.
Bariumaluminaten worden gebruikt voor het zuiveren van water omdat het Ba2+-ion zowel sulfaten als carbonaten neerslaat, terwijl de aluminaationen onoplosbaar calciumaluminaat vormen.
Ze worden ook gebruikt als speciaal cement, bijvoorbeeld als bindmiddel voor de productie van vuurvaste materialen met hoge temperaturen en bij de productie van stralingsschilden.
Referentie
- Aluminiumverbindingen, anorganisch; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2
