氧化铝

氧化铝俗名矾土，化学式Al2O3，一种难熔又不溶于水的白色粉末。熔点为2015℃，沸点为2980℃，相对密度为4.0，莫氏硬度为8.8。具有不同晶型，主要有α和γ两种变体。氢氧化铝加热脱水可得氧化铝。自然界存在的α型氧化铝，称为刚玉，硬度仅次于金刚石，混有少量杂质可使刚玉带有各种色泽，称为宝石，如红宝石 (含有少量的Cr3+) 和蓝宝石 (含Ti3+和Fe2+，Fe3+)，现在可用熔融氧化铝人工结晶的方法制造宝石。人造宝石按其性质不次于天然宝石，广泛用于工业技术方面。例如，用做机器快速转动部分的轴承，钟表上的钻石以及磨料、耐火材料，再如刚玉坩埚，可耐1800℃高温。
氧化铝是地壳的主要成分之一。纯氧化铝是冶炼金属铝的主要原料。
铝易被空气氧化生成氧化铝，铝制品在空气中放置，其表面形成一薄层致密的氧化铝保护膜，保护了里面的铝不再被氧化，所以铝制品可以用作炊具等生活用具。氧化铝是两性氧化物，既能溶于酸，又能溶于碱。因此铝制品不耐酸碱，遇到酸或碱，外层的氧化膜会遭到破坏。
活性的氧化铝是多孔的固体，可以吸附多种物质，常用作干燥剂、吸附剂和催化剂。

图1为活性氧化铝。 随其晶格能的增大而显著降低，胶体氢氧化铝的化学活性最大，γ系列化合物的化学活性远大于α系列的同分异构体。刚玉则是惰性化合物，即使在573K温度下也不受强酸与强碱的侵蚀，而且具有高的熔点 (2326K) 和高达9的莫氏硬度。
氧化铝和氢氧化铝实际上不溶于水，但溶于酸和碱溶液，属于典型的两性化合物。它们的碱性和酸性都弱，只有强酸的铝盐溶液才很稳定而不水解，因而可以利用硫酸、盐酸或硝酸等无机酸分解铝矿制得相应的铝盐溶液来生产氧化铝。氧化铝和氢氧化铝溶解于苛性碱溶液后生成铝酸盐溶液。它们在高温下与碱金属或碱土金属氧化物反应得到各种铝酸盐。其钠、钾、钡盐是能直接溶解于水，铝酸钙则是在与碳酸钠溶液反应后才能转变为铝酸钠溶液的。氧化铝的这些性质构成了它的碱法生产的理论基础。 催化剂用氧化铝由氢氧化铝脱水、铝盐直接热分解或铝氧化等方法制得。
α-Al2O3比表面积小，几乎没有催化活性。γ-Al2O3、η-Al2O3的比表面较大、孔隙率高、耐热性强、成型性好、具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛用作催化剂和载体。
氧化铝对各种脱水反应都具有很高的催化活性，对烯烃骨架异构化、烯烃聚合、H2-D2交换、加氢、脱氢等反应都具有催化活性。作为碱性催化剂对氧硫化碳及二硫化碳的水解有很高的催化活性。
氧化铝是使用最多、用量最大的载体之一，可以制成球、片、条、三叶、蜂窝、微球等多种型状和尺寸的颗粒。作为载体负载活性组分，并可以与其发生相互作用，提高催化活性和选择性。也可以与活性组分一起经共沉淀、混合等方法制得催化剂。无催化活性的α-Al2O3虽然比表面积小，负载能力也小，但它的热稳定性好，可作为烃类气相氧化用催化剂和贵金属催化剂的载体。
经由特定低温脱水可得活性氧化铝，是一种多孔物质，密度小，表面积大(每克的表面积 可达数百平方米)，孔隙率大，因此可吸附水蒸气和多种气体、液体分子。常用作催化剂、催化剂载体和吸附剂。是一类使用最为广泛的催化剂载体，用量约占工业上负载型催化剂的70%。也常用作干燥剂，其干燥能力不亚于五氧化二磷。
本信息由Chemicalbook晓楠编辑（2015-08-07）。 1、氧化铝性质的多样化使之具有广泛的用途，但90%以上是用于制取金属铝，其余部分用作塑料及其他高分子制品的填料，吸附剂和催化剂、医药、化妆品和化工制品的原料，陶瓷、磨料及耐火材料等等。中国习惯将其称为特种氧化铝或多品种氧化铝。它的品种和需要有日渐增长的趋势。
2、氧化铝是电解法制金属铝的主要原料，所用的氧化铝越纯炼出的铝就越纯。由于提纯铝比提纯氧化铝更困难，所以电解前氧化铝的提纯非常重要。氧化铝是地壳主要成分之一，铝矿主要有铝土矿Al2O3·2H2O，明 矾 石 (AlO)2SO4· 9H2O，铝 粘 土H2Al(SiO4)·H2O等。我国铝矿资源非常丰富，如台湾、山东、山西、贵州、昆明、河北、河南、辽宁等地储量都很大。天然铝土矿是制取氧化铝的最好原料，一般含量可达40%～60%，其余主要为 二氧化硅、氧化铁及稀散元素等杂质。利用它们化学性质上的共性和个性可将氧化铝与其他杂质分开，提纯的方法主要有酸法与碱法两种。活性氧化铝即γ型氧化铝，是一种多孔物质，每克内表面积可高达数百平方米，有极高的活性，可吸附水蒸气和许多气体、液体分子，常用做吸附剂、催化剂载体和干燥剂。
3、人工制得的氧化铝纤维是以氧化铝为主要成分，约含5%二氧化硅(用以稳定氧化铝的晶相)，常用作钢铁工业中各种热处理炉及石油化工中裂解炉等的隔热炉衬，核反应堆和航天飞机的隔热材料以及轻合金的增强材料等。氧化铝纤维即是多晶氧化铝纤维。它是采用胶体法或有机纤维浸渍法(有机纤维先驱体法) 制造的，其结构是呈微晶形态，这样就排除了采用熔吹法制成的纤维有再结晶粉化的缺点。这种纤维在常温和高温下都有很大的强度，耐使用温度高、容重小、化学稳定性好、保温性强、介电和吸音性能优良等。 用作生产金属铝原料的氧化铝被称为冶金级氧化铝。冶金级氧化铝的质量对金属铝质量、生产能耗、环境保护都有重大影响。因此，对冶金级氧化铝质量有一定要求。这些要求主要包括杂质含量和物理性质两个方面。在物理性质方面要求粒度较粗而且均匀，流动性好而又不致飞扬，具有良好的吸附能力而又易溶于在铝电解质中。煅烧程度较低的“砂状”氧化铝已成为氧化铝生产的主流，粒度细而煅烧程度高的“面粉状”氧化铝已趋于淘汰。对冶金级氧化铝质量的一般要求列举于表。对氧化铝质量要求，由于各个厂家所遵循产品规范的具体情况不同而常存在差别。表中所列的磨损系数是一种表征氧化铝强度的指标，它是指氧化铝试样在一定条件下气动输送在管道中循环后，新增的-0.044mm粒级的含量。

上面的表格是对冶金级氧化铝质量的一般要求。 氧化铝陶瓷是接近惰性的生物陶瓷。植入体内及其表面生成极薄的纤维膜，具有良好的生物相容性。陶瓷与组织间为物理性结合，故必须在种植体上钻孔或制成表面螺纹、沟槽，以利骨和纤维组织长入来增强固位。有单晶和多晶两种。多晶氧化铝陶瓷系氧化铝粉末烧成，可用以制作人工牙根、人工骨和人工关节等。单晶氧化铝系滔熔法制成，比多晶氧化铝的机械强度更高。由于其高弹性模量，咀嚼时对牙槽骨会产生慢性机械刺激，导致组织的慢性炎症和其他不良后果。也可制成多孔氧化铝陶瓷，但孔径要大于250μm才能允许骨组织长入其中；表面含孔率不应超过50%，否则强度将大为降低。 白色或微红色棒状物。 不溶于水，微溶于碱和酸。 用于抛光磨料、人造牙齿、人造骨骼、磁带、显像管、红蓝宝石、电气用高密度陶瓷基片等 用于制造人造宝石，YAG激光晶体的主要配件和集成电路基板。用作分析试剂以及高压钠灯电弧管高级陶瓷原料。 用于锻造的加热炉、均热炉等工业用的高温炉。可作密封材料和填充材料。还可作强化用补强纤维，窑炉的炉衬，电子元件(IC板、铁氧体)的煅烧炉等。 用作催化剂和催化剂载体，是石油炼制和石油化工中主要的催化剂和载体。还用作空气及其他气体的脱湿剂，变压器油和透平油的脱酸剂。 用于稀土三基色荧光粉、长余辉荧光粉原料、亚微米/纳米级研磨材料等 用于功能陶瓷、电子陶瓷、激光材料、吸附剂、层析用等 用作分析试剂、催化剂 可用作研磨材料和耐火材料 用作干燥剂、吸附剂、催化剂载体 用作硅酸铝纤维结合剂、催化剂载体、纺织助剂等 用作催化剂载体、催化剂、粘结剂等 制药厂生产VB12作吸附剂，油漆工业中的填料，在石油工业中可作助燃剂 广泛用于生产高铝陶瓷和高档耐火材料及电子原器件、火花塞、电容器、刚玉制品、陶瓷器具、耐磨模具等 用作柱色谱吸附剂、抛光剂、硅晶切片粘合剂 用于薄层色谱分析，也用作吸附剂和催化剂载体 用作石油化学工业中的干燥剂、净化剂、催化剂及催化剂载体 纳米氧化铝由于粒径细小，可用来造人造宝石、分析试剂以及纳米级催化剂和载体，用于发光材料可大大提高其发光强度，对陶瓷、橡胶增韧、要比普通氧化铝高出数倍，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳等。纳米氧化铝主要用于YGA激光晶的主要配件和集成电路基板，并用在涂料中来提高耐磨性。 应用范围： 1、 透明陶瓷：高压钠灯灯管、EP-ROM窗口； 2、 化妆品填料； 3、 单晶、红宝石、蓝宝石、白宝石、钇铝石榴石； 4、 高强度氧化铝陶瓷、C基板、封装材料、刀具、高纯坩埚、绕线轴、轰击靶、炉管； 5、 其制备方法有酸法，碱法和醇铝法三种。目前国内主要采用碱法，少数厂家采用醇铝法。
酸法将硫酸铝配成6%的水溶液，加入中和槽中，再将液氨配成15%～20%的氨水，按计算量将氨水快速加入，在强烈搅拌下于室温反应40～60 min，至pH值达到8～9左右时，反应基本完成。将生成的沉淀物经压滤、用无离子水洗涤除去杂质离子，洗涤水中一般加少量氨水调节pH值为8～9，以防洗涤过程中氢氧化铝发生胶凝过程而引起物料损失。将洗涤过的沉淀物加入少量33%的硝酸溶液，在强烈搅拌下生成胶状料浆(此过程称为打浆)。再经喷雾干燥，将得到的微球形氢氧化铝挤条成型，在550℃下焙烧活化4h，即脱水形成活性氧化铝。其
A12(SO4)3+6NH3?H2O→2AI(OH)3↓+3(NH4)2SO4
2AI(OH)3→A12O3+3H2O
碱法把工业固体烧碱加水配成浓度为600 g/L的烧碱溶液，在50～80℃下加入氢氧化铝后升温至110℃，保温3 h进行反应，将所得溶液用水稀释至含氧化铝为100g/L，静置0.5～1h，经过滤，除去氢氧化铁等不溶性杂质，再将清液和20%硝酸溶液按照一定比例进行中和反应，温度控制在30～50℃下，控制pH 7～7.5，反应10 min 左右以后，再将反应液在常温搅拌下老化2h，经过滤、用无离子水多次洗涤、于110℃烘干、挤条成型、干燥、500℃活化4h，制得活性氧化铝。其
AI(OH)3+NaOH→NaAIO2+2H2O
NaAIO2+HNO3→AI(OH)3+NaNO3
2AI(OH)3[△]→A12O3+3H2O
醇铝法将金属铝片加入异丙醇溶液中进行反应，生成异丙醇铝，通过水蒸气鼓泡(入口温度180℃，水解温度175℃)，使异丙醇铝水解，生成水合氧化铝，经熟化、过滤、于100℃干燥、500℃脱水活化，制得活性氧化铝。其
Al+3(CH3)2CHOH→(C3H7O)3AI+H2↑
2(C3H7O)3AI+4H2O→A12O3?H2O+6C3H7OH
A12O3?H2O[△]→A12O3+H2O 将有机铝化合物如三烷基铝加水聚合成黏稠的聚合物溶液，再加入烷基硅酸盐和有机溶剂。将其用通常的干式纺丝法制成有机铝化合物纤维。将一次纤维加热无机化，在1000℃的高温下煅烧成氧化铝纤维。
在A12(OH)3 C13?2H2O的水溶液中加入亚微细粒子的α-Al2O3微粉和六水氯化镁，制成黏稠的一次纤维，在纤维表面形成SiO2玻璃涂层，进一步制成氧化铝长纤维。
在铝盐水溶液中加入聚环氧硅氧烧和有机高分子化合物制成黏稠的一次纤维，再加工成δ-A12O3短纤维。 高温快脱法：将氢氧化铝(水合氧化铝)经高温快速脱水、成型、水热处理及干燥后制得成品。
炭化铝胶法：将氢氧化铝和氢氧化钠混合，再经中和、二氧化碳碳化、水洗、压滤、干燥、粉碎、捏合、挤条、干燥、煅烧等过程制得成品。
喷雾干燥法：将氢氧化铝与工业硫酸反应，再经碱液中和、水洗、喷雾干燥、煅烧等过程制得成品。
油柱成型法：将铝锭用工业盐酸溶解，再经油柱成球、水洗、干燥、煅烧等过程制得成品。
制备过程中各种条件，特别是沉淀条件对产品的晶型、表面积、孔结构等影响很大，一般地，低温、低 pH 值下易得到无定形氢氧化铝及拟薄水铝石，高 pH 值易生成三水铝石。拟薄水铝石在 430～500℃下，煅烧得到γ-Al₂O₃，β三水铝石在 300℃煅烧得到 η-Al₂O₃。 高纯铵明矾热解法以硫酸铝、硫酸铵为原料合成铵明矾(硫酸铝铵)，经脱水、热解生成氧化铝，再经转相制得γ-，α-氧化铝。