Глинозём и его производство¶

Глинозём — техническое название оксида алюминия (Al₂O₃), применяемое в металлургической и химической промышленности. Представляет собой белое кристаллическое вещество, тугоплавкое (температура плавления около 2050 °C) и химически стойкое. Основная часть производимого в мире глинозёма используется как сырьё для электролитического получения алюминия, остальное потребляется в производстве абразивов, огнеупоров, керамики и специальных сортов стекла.

¶Сырьё и месторождения

Главное сырьё для получения глинозёма — бокситы, осадочные породы с высоким содержанием гидроксидов алюминия (гиббсит, бёмит, диаспор). Качество боксита определяется содержанием Al₂O₃ и примесей — оксидов кремния, железа, титана. Наиболее богатые месторождения расположены в Гвинее, Австралии, Бразилии, на Ямайке, в Индии и Китае. В России значимые запасы сосредоточены на Урале и в Республике Коми. Помимо бокситов, сырьём служат нефелиновые сиениты, алуниты и каолиновые глины.

¶Способы производства

¶Метод Байера

Основной промышленный способ — щелочной метод Байера, разработанный австрийским инженером Карлом Йозефом Байером в 1888–1892 годах. Суть процесса: боксит измельчают и обрабатывают горячим раствором гидроксида натрия в автоклавах при температуре 150–250 °C и давлении до 3 МПа. Гидроксиды алюминия переходят в раствор в виде алюмината натрия, а нерастворимые примеси (так называемый красный шлам) отделяются.

Далее раствор охлаждают и вводят затравку — мелкие кристаллы гидроксида алюминия, что вызывает выпадение осадка Al(OH)₃. Осадок промывают и прокаливают во вращающихся печах или печах с кипящим слоем при 1000–1300 °C, получая готовый глинозём. Метод Байера эффективен для бокситов с низким содержанием кремнезёма.

¶Метод спекания

Для высококремнистого сырья (нефелины, алуниты, некоторые бокситы) применяют метод спекания. Шихту из сырья и соды или извести спекают при 1200–1400 °C; образующиеся алюминаты выщелачивают, а из раствора осаждают гидроксид алюминия. Способ энергозатратнее, но позволяет перерабатывать бедное сырьё. В России по этой схеме работают предприятия, использующие нефелиновый концентрат.

¶Комбинированные схемы

На практике применяют параллельные и последовательные комбинации Байера и спекания, что повышает извлечение алюминия и позволяет вовлекать в переработку смешанные руды.

¶Свойства и классификация

Глинозём существует в нескольких кристаллических формах. Наиболее устойчива α-форма (корунд) — твёрдая, с высокой температурой плавления; именно она образуется при высокотемпературном прокаливании. Метастабильные γ-, η- и другие формы обладают развитой поверхностью и применяются как адсорбенты и катализаторы. По назначению различают металлургический глинозём (для электролиза) и неметаллургический (абразивный, огнеупорный, химический).

¶Применение

• Алюминиевая промышленность — свыше 90 % мирового потребления; из глинозёма в электролизёрах с расплавленным криолитом получают первичный алюминий.
• Абразивы — корунд и электрокорунд для шлифовальных кругов, наждачной бумаги.
• Огнеупоры и керамика — футеровка печей, высокопрочная техническая керамика.
• Химия и катализ — носители катализаторов, осушители, сорбенты.
• Специальные материалы — производство синтетических сапфиров, лазерных кристаллов, подложек электроники.

¶Экономика и экология

Мировое производство глинозёма измеряется десятками миллионов тонн в год; крупнейшие производители — Китай, Австралия, Бразилия. Отрасль энергоёмка и требует значительных объёмов щёлочи и топлива. Основная экологическая проблема — накопление красного шлама, высокощелочного отхода; его утилизируют в строительной индустрии, извлекают из него редкие металлы либо складируют в шламохранилищах. Разрабатываются технологии снижения расхода энергии и повторного использования отходов.