L'alumine haute température est fabriquée à partir d'hydrate d'alumine industriel, principal matériau de départ, par calcination pour déshydratation et transformation de phase cristalline. L'hydrate d'alumine industriel étant préparé en milieu alcalin, l'alumine haute température contient inévitablement une certaine quantité d'impuretés.
Dangers liés à l'oxyde de sodium
Parmi ces paramètres, la teneur en impuretés d'oxyde de sodium constitue le principal critère de classification des produits d'alumine haute température et influe considérablement sur les caractéristiques physico-chimiques, la qualité du produit et les performances des produits dérivés. Par exemple :
Lorsqu'on utilise de l'alumine haute température comme céramique résistante à l'usure, la teneur en Na₂O influe directement sur la résistance à la compression et l'isolation électrique des produits. En général, plus la teneur en Na₂O est élevée, plus la conductivité électrique est importante et plus les performances d'isolation électrique des céramiques d'alumine et des produits résistants à l'usure sont faibles. Parallèlement, cela entraîne également une diminution du taux de conversion de l'α-Al₂O₃, ce qui ne permet pas d'atteindre l'exigence de qualité d'une teneur en α-Al₂O₃ supérieure à 95 % dans l'alumine haute température. Il en résulte des déformations et des fissures dans les céramiques d'alumine et les produits résistants à l'usure.
Dans les céramiques électroniques, la présence de Na₂O affecte non seulement la densité des céramiques électroniques, mais conduit également à la formation de β-Al₂O₃ avec une certaine conductivité due à la combinaison de Na₂O et Al₂O₃, affectant ainsi leurs propriétés électriques.
Dans les céramiques électroniques, la présence de Na₂O affecte non seulement la densité des céramiques électroniques, mais provoque également la combinaison de Na₂O avec Al₂O₃ pour former du β-Al₂O₃ avec une certaine conductivité, influençant ainsi leurs propriétés électriques.
D'où proviennent les impuretés de sodium ?
Le Na₂O présent dans l'alumine haute température provient de l'hydrate d'alumine, matière première. Ce Na₂O est l'une des principales impuretés polluantes formées lors du processus de production de l'alumine. Il existe sous trois (ou quatre) formes.
I. L'alcali de la liqueur-mère est un alcali soluble dans l'eau et se présente sous forme d'alcali lié. Le Na₂O peut être éliminé par lavage à l'eau ; l'alcali encapsulé est difficile à éliminer et ne peut être que partiellement retiré.
II. L'alcali du réseau est insoluble dans l'eau et ne peut devenir un alcali soluble dans l'eau que lorsque la structure du réseau se réorganise.
III. L'alcali combiné est insoluble dans l'eau, les acides ou les bases, et ne se décompose pas même à haute température.
Facteurs influençant la teneur en oxyde de sodium dans sa matière première : l’hydroxyde d’aluminium
Étant donné que les impuretés de sodium dans l'alumine proviennent principalement de son précurseur, l'hydroxyde d'aluminium, quels sont les facteurs qui affectent la teneur en impuretés de sodium dans l'hydroxyde d'aluminium ?
De nombreux facteurs influent sur la teneur en oxyde de sodium dans l'hydroxyde d'aluminium. Lors de la précipitation ensemencée, la concentration de la solution de décomposition initiale, la température et la durée de décomposition, entre autres, ont un impact direct. Toutefois, en pratique, les facteurs suivants affectent également de manière significative cette teneur :
(1) Température initiale de décomposition dans le processus de précipitation ensemencée
Lors du procédé de décomposition, diverses mesures de refroidissement sont généralement mises en œuvre pour améliorer le rendement en hydroxyde d'aluminium, ce qui entraîne une augmentation de la teneur en alcalis non solubles dans le produit. Plusieurs études ont montré que le principal facteur influençant la teneur en oxyde de sodium insoluble dans les produits de décomposition est la température initiale de décomposition. Plus cette température est basse, plus la teneur en oxyde de sodium insoluble dans le produit est élevée.
(2) Taille des particules des produits d'hydroxyde d'aluminium
Lors du procédé de précipitation par ensemencement de la méthode Bayer, les matériaux subissent souvent des raffinages périodiques. Le volume de circulation des matériaux de précipitation étant important, chaque cycle de raffinage est généralement assez long. Durant le raffinage, la quantité de liqueur-mère entraînée par l'hydroxyde d'aluminium sur le disque plat augmente, générant ainsi davantage d'alcalis non éliminables. Les matériaux s'agglomèrent fortement, ce qui réduit leur perméabilité à l'air et leurs performances de filtration. Ceci peut facilement entraîner une contamination croisée et affecter la teneur en oxyde de sodium des produits.
(3) Teneur en solides dans la solution de décomposition originale
De nombreux facteurs influent sur la teneur en matières solides dans le réservoir de décomposition, tels que le déséquilibre entre la production et le lavage, la faible efficacité du filtre d'ensemencement, la mise en service ou l'isolement du réservoir et les fluctuations du taux de décomposition. Ces facteurs entraînent souvent d'importantes variations de la teneur en matières solides dans le réservoir final. Lorsque cette teneur diminue, le matériau devient trop dilué et le disque plat est sujet à la contamination croisée, ce qui affecte la qualité du produit et conduit à une augmentation de la teneur en oxyde de sodium dans l'hydroxyde d'aluminium.
Comment éliminer le sodium ?
Les procédés d'élimination du sodium actuellement courants comprennent principalement les suivants :
La première méthode consiste à réduire la teneur en alcalis cristallins et intercristallins par des moyens tels que l'allongement du temps de décomposition pendant le processus de décomposition de l'hydroxyde d'aluminium, et à minimiser la teneur en alcalis fixés par des lavages multiples.
La seconde méthode consiste à sélectionner judicieusement les minéralisateurs. Leur fonction principale est d'accroître les défauts du réseau cristallin de l'alumine, créant des lacunes cationiques et anioniques, ce qui contribue à accélérer la cristallisation et à abaisser efficacement la température de transformation de phase α. Par ailleurs, les minéralisateurs peuvent également réagir avec l'oxyde de sodium présent dans l'alumine pour former des composés sodiques volatils. C'est pourquoi ils sont largement utilisés lors de la calcination de l'alumine à haute température. Parmi les minéralisateurs couramment utilisés, on trouve le fluorure d'aluminium, l'acide borique, l'oxyde de magnésium et le nitrate d'ammonium.
La troisième méthode consiste à prétraiter les matières premières : on introduit de l’acide par voie humide pour réaliser une neutralisation acido-basique et éliminer le sodium, puis on lave les sels formés après la réaction à l’eau chaude. L’efficacité de l’élimination du sodium varie selon les formes d’oxyde de sodium présentes dans les matières premières, et la teneur en sodium peut être réduite à moins de 0,05 %. Cette méthode permet d’améliorer significativement la qualité du produit.