177265. lajstromszámú szabadalom • Eljárás nagytisztaságú legalább 99,99%-os alumíniumoxid előállítására
3 177265 4 A felsorolt eljárásokkal előállított aluiníniumoxid vagy közbenső termékek minősége nem éri el a 99,99",, tisztaságot. Találmányunk célja a nagytisztaságú, legalább 99.99°,,-os minőségű alumíniumoxid előállítására olyan eljárás kidolgozása, mely az alkalmazott alap- és segédanyagok meghatározó minőségén túlmenően további hatásos tisztítási folyamatot biztosít az előállítás során, egyszerű és gazdaságos módszerrel, amely egyúttal az egészségre is ártalmatlan. Találmányunk lényege az a felismerés, hogy a nagytisztaságú alumínium egyenáramú elektrolitos oldásával együtt hatásos rafinálási folyamat játszódik le. amikor is a szennyezők jelentős része a katódon folyamatosan leválik, és így végtermékként legalább 99,99" 0-os alumíniumoxidot állítunk elő. A találmány megvalósításánál rafinált alumíniumot kénsavas közegben elektrolitosan oldunk, illetve rafinálunk. Az elektrolitos oldás-rafinálásnál higany- vagy galliumkatódot alkalmazunk, az anód maga az oldandó alumínium. A keletkező alumíniumszulfátot a már általánosan ismert módon ammóniumhidroxiddal kettőssó formájában kicsapjuk. A tisztítási folyamat további növelésére átkristályosítjuk, majd a kettőssó kaleináló hőkezelésével az alumíniumoxidot előállítjuk. Találmányunk további előnye, hogy az eljárás folyamata automatizálható, valamint a felhasználási területek igényének megfelelően az alumíniumoxid kívánt adalékanyagokkal is ellátható, egyenletes eloszlásban, az előállítás közben. A találmány szerinti eljárás íbganatosításánál az alábbiak szerint járunk el: Edektrolizáió cellában anódként nagytisztaságú pl. 99.9",,-os fém alumíniumot, kátédként - célszerűen legalább 4 kilences tisztaságú — folyékony fémkatódot, higanyt vagy galliumot kapcsolunk. Az elektrolit 6—8 normál analitikailag legtisztább kénsav. Az elektródokon az áramsűrűség 0.2—1.5 A/cm’. Az egyenáram bekapcsolása után, 50—70 C elektrolit hőmérséklet biztosítása mellett addig folytatjuk az oldást és rafinálást. amíg annyi szabad kénsav marad az elektrolitban, amennyi a kettős só képzéséhez szükséges NH4üH szulfáttá alakításához szükséges, azaz az oldatnak 1- 2 normalitású koncentrációra való csökkenéséig. A kettőssó képzéséhez célszerű NfTOH-ot használni, mert az NH, a későbbi égetés alatt maradéktalanul eltávozik. Az alumínium oldásakor A1,(S04), keletkezik. melyhez az NH, oldat adagolása után (NH4),S04 kapcsolódik. Optimális körülmények között 4 rész kénsavbol 3 rész az alumínium oldására. 1 rész pedig az NH, lekötésére használódik el. ideális esetten az elektrolitos oldást és rafinálást addig végezzük, míg az elektrolit szabad kénsavtartalma az induló kénsavkoncentráció 14-éré csökken. Az alumíniumszulfát tartalmú oldatot az elektrolizáló cellából szakaszosan vagy folyamatosan eltávolítjuk, majd az alumíniumsót NH4OH-al kettőssó alakban kicsapjuk. Mivel a kristályosítás időtől és hőmérséklettől függő folyamat, ezért szobahőmérsékleten legalább 24 órás állásidőt kell biztosítani. A kristályosodás során az Al,(S04),-ból és az (NH4),S04-ból Al,(SO4), (NH4),S04-24H,O keletkezik. A kettőssót dekantálással különítjük el. A kristályvíz eltávolítását 220—300 C-os hőkezeléssel 6—8 órán keresztül végezzük. A felhasználási terület igényétől függően a kettőssót 900 1200 C között alakítjuk át AI,0,-dá, amikor is 600 C'-ig az Nil,. 900 C'-ig a SO, eltávozik. 100'7,-o.s alfa-alumíniumoxid előállítása legalább 1200 C hőmérsékletű és az anyag mennyiségétől függő különböző idejű höntartást igényel. A termékkel szemben támasztott igénytől függően kell megválasztani a kát ód anyagát és a katód áramsűrűségét. A higanykatód nagyobb végtermék tisztaságot biztosít, mint a galliumkatód A katodikus áramsűrűség növelése (amelynél a hidrogén túlfeszültsége a meghatározó) a tisztaságot kedvező irányban befolyásolja. A tisztaság fokozásának másik útja a ketlőssó feloldása és új rak ristályosítása, illetve annak ismétlése, ahol azonban egy-egy újrakristályosításnál 4 5",,-os anyagveszteséggel kell számolni. Egy újrakristályositás általában egy nagyságrenddel növeli a végtermék tisztaságát a kiindulási anyagok tisztaságához viszonyítva. A katódként felhasznált higany vagy gallium mindaddig alkalmazható, amig annak tisztasága egy nagyságrenddel nem csekken. Az egyenáramú elektrolitos oldásnál és rafinálásnál az alkalmazott áramerősség az elektródok keresztmetszetétől, az elektrolit mennyiségétől és az üzemi hőmérséklettől függ. A cellafeszültség viszont a mindenkori elektrolit-öszszetétel és az áramerősség függvénye. Az eljárás nagymértékben automatizálható, mert az elektrolit hőmérsékletének beállítását automatikus szabályzóval ellátott vízhűtéses hűtőspirál végzi, a hálózati vízkimaradás esetén ugyancsak automatikus tápegység-kikapcsoló elhárítja az üzemzavart. Hűtőspirál törésből adódó üzemzavart szintjelzővel összekapcsolt tápegységkikapcsoló védi. az anódmozgatás motorikus kézi, illetve automatikus szabályozású berendezéssel végezhető. Az eljárás folyamatos üzemeltetésnél 40~ 44 g Al, liter elektrolit koncentrációnál a kénsavat, illetve az elektrolitot folyamatosan vagy sűrű szakaszosan visszük be. illetve távolítjuk el, az anód állásának szabályozása ilyen üzemmenetnél automatikus. Az. oxidkerámiák gyártásánál ismert, hogy az alumíniumoxidhoz különböző adalékanyagokat kevernek be. melyek az oxidkerámia tulajdonságait kedvezően befolyásolják. így egyes oxidkerámiák gyártásánál az alfa-alumíniumoxid alapanyaghoz MgO adalékanyagot használnak. A MgO adalék javítja az oxidkerámiai termék mechanikai tulajdonságait, csökkenti a zsugorítási hőfokot, mely a MgO kristálynövekedést gátló hatására vezethető vissza. Eljárásunk lehetőséget nyújt az adalékanyag száraz vagy nedves mechanikus bekeverése helyett oldat állapotban történő homogén bekeverésére. Ezért a végtermékben 0.08—0,5'j„ mennyiségben úgy alakítjuk ki homogén eloszlásban a MgO adalékot, hogy az ismert mennyiségű alumínium-ammóniumszulfát kettős sóhoz a 220 -300 C-os hőkezelés előtt bemért mennyiségben Mg(NO,)/6- H,0 oldatot adunk. A hőkezelés alatt a kristályvizében megolvadt kettős sóval a Mg(NO,E egyenletesen elkeveredik és a kiégetés során salétromsav lehasadásával MgO- dá alakul. Találmányunk kivitelezését a következő példákban mutatjuk be, amelyek azonban nem korlátozzák a találmány szerinti eljárást: 1. példa Zárható és elszívás alatt álló műanyag elektrolizáló cellában anódként 99,9%-os fém alumíniumot, katódként 99,99%-os higanyt kapcsolunk, amelyre 33 liter 7n-H,SO, 343 g H:S04/liter) oldatot töltünk. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
