알루미나: 저는 나트륨과 공존할 수 없어요!
고온 알루미나는 산업용 알루미나 수화물을 주원료로 하여 탈수 및 결정상 전이를 위한 소성 공정을 통해 제조됩니다. 산업용 알루미나 수화물은 알칼리성 매질에서 제조되므로 고온 알루미나에는 불가피하게 일정량의 불순물이 포함됩니다.
산화나트륨의 위험성
그중 산화나트륨 불순물 함량은 고온 알루미나 제품 등급 결정의 주요 기준이며, 후속 제품의 물리적 및 화학적 지표, 제품 품질, 그리고 적용 성능에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
고온 알루미나를 내마모 세라믹으로 사용할 경우, 나₂O 함량은 알루미나 제품의 압축 강도와 전기 절연성에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 나₂O 함량이 높을수록 전기 전도도가 높아져 알루미나 세라믹 및 내마모 제품의 전기 절연 성능이 저하됩니다. 동시에, α-알₂O₃의 전환율이 낮아져 고온 알루미나의 α-알₂O₃ 함량이 95% 이상이어야 한다는 품질 기준을 충족하지 못하여 알루미나 세라믹 및 내마모 제품의 변형 및 균열을 초래합니다.
전자 세라믹에서 나₂O의 존재는 전자 세라믹의 밀도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 나₂O와 알₂O₃의 결합으로 인해 특정 전도도를 갖는 β-알₂O₃를 형성하여 전기적 특성에 영향을 미칩니다.
전자 세라믹에서 나₂O의 존재는 전자 세라믹의 밀도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 나₂O가 알₂O₃와 결합하여 특정 전도도를 갖는 β-알₂O₃를 형성하게 함으로써 전기적 특성에 영향을 미칩니다.
나트륨 불순물은 어디에서 오는가?
고온 알루미나의 나₂O는 원료인 알루미나 수화물에서 유래합니다. 알루미나 수화물의 나₂O는 알루미나 생산 공정에서 생성되는 주요 오염 불순물 중 하나입니다. 알루미나 수화물에 함유된 나₂O는 세 가지(또는 네 가지) 형태로 존재합니다.
Ⅰ. 모액 알칼리는 수용성 알칼리에 속하며, 부착된 알칼리 형태로 존재한다. 나₂O는 물 세척으로 제거할 수 있지만, 포집된 알칼리는 세척이 어려워 부분적으로만 제거된다.
Ⅱ. 격자 알칼리는 물에 녹지 않으며, 격자 구조가 재배열될 때에만 수용성 알칼리가 될 수 있습니다.
Ⅲ. 화합알칼리는 물, 산, 알칼리에 녹지 않으며, 고온에서도 분해되지 않습니다.
원료인 수산화알루미늄의 산화나트륨 함량에 영향을 미치는 요인
알루미나의 나트륨 불순물은 주로 그 전구체인 수산화 알루미늄에서 유래하므로, 수산화 알루미늄의 나트륨 불순물 함량에 영향을 미치는 요인은 무엇입니까?
수산화알루미늄의 산화나트륨 함량에는 여러 요인이 영향을 미칩니다. 시드 침전 공정에서는 원래 분해 용액의 농도, 분해 온도, 분해 시간 등이 모두 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 생산 과정에서는 다음과 같은 요인들도 산화나트륨 함량에 상당한 영향을 미칩니다.
(1) 종자 침전 공정에서의 초기 분해 온도
분해 과정에서는 일반적으로 수산화알루미늄의 생산량을 높이기 위해 다양한 냉각 방법을 사용하는데, 이는 제품 내 세척 불가능한 알칼리 함량 증가로 이어집니다. 여러 연구에 따르면 분해 생성물 내 불용성 산화나트륨에 영향을 미치는 주요 요인은 초기 분해 온도입니다. 초기 온도가 낮을수록 제품 내 불용성 산화나트륨 함량이 높아집니다.
(2) 수산화알루미늄 제품의 입자 크기
바이어법의 종자 침전 공정에서 재료는 종종 주기적인 정제 과정을 거칩니다. 한편, 종자 침전 재료의 순환량은 크고 정제 주기가 도래하면 비교적 오랜 시간 동안 지속되는 경우가 많습니다. 재료가 정제되면 평평한 디스크에 수산화알루미늄이 동반하는 모액의 양이 증가하여 세척 불가능한 알칼리가 증가합니다. 재료들은 서로 매우 강하게 결합되어 재료의 공기 투과도 및 여과 성능이 저하되어 교차 구역 오염을 쉽게 유발하고 제품의 산화나트륨 함량에 영향을 미칠 수 있습니다.
(3) 원래 분해 용액의 고형분 함량
분해조의 고형분 함량에 영향을 미치는 요인에는 생산과 세척의 불균형, 시드 필터의 낮은 효율, 분해조의 시운전 또는 격리, 그리고 분해율 변동 등 여러 가지가 있습니다. 이러한 요인들은 최종 탱크의 고형분 함량에 큰 변동을 초래하는 경우가 많습니다. 고형분 함량이 감소하면 재료가 너무 희석되어 평판 디스크가 교차 오염되기 쉬워 제품 품질에 영향을 미치고 수산화알루미늄의 산화나트륨 함량 증가로 이어집니다.
나트륨을 제거하는 방법은?
현재 일반적으로 사용되는 나트륨 제거 공정은 주로 다음과 같습니다.
첫 번째 방법은 알루미늄 수산화물의 분해 과정에서 분해 시간을 늘리는 등의 방법으로 결정알칼리 및 결정간알칼리 함량을 낮추고, 여러 차례 세척을 통해 부착된 알칼리 함량을 최소화하는 것이다.
두 번째 방법은 광화제를 합리적으로 선택하는 것입니다. 광화제의 주요 기능은 알루미나의 격자 결함을 증가시켜 양이온 및 음이온 공공을 형성함으로써 결정화를 촉진하고 α상 변태 온도를 효과적으로 낮추는 것입니다. 동시에, 광화제는 알루미나 내의 산화나트륨과 반응하여 휘발성 나트륨 화합물을 형성할 수도 있습니다. 따라서 광화제는 고온 알루미나의 소성 공정에서 널리 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 광화제로는 불화알루미늄, 붕산, 산화마그네슘, 질산암모늄 등이 있습니다.
세 번째 방법은 원료를 전처리하는 것입니다. 습식 공정으로 산을 주입하여 산-염기 중화 반응을 통해 나트륨을 제거한 후, 반응 후 생성된 염을 뜨거운 물로 세척합니다. 나트륨 제거 효과는 원료에 존재하는 산화나트륨의 형태에 따라 달라지며, 나트륨 함량을 최소 0.05% 이하로 낮출 수 있습니다. 이 방법은 제품 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.