Структура порошков гидроксида алюминия, получаемых в качестве побочного продукта при производстве водородного топлива

СТРУКТУРА ПОРОШКОВ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧАЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ПОБОЧНОГО ПРОДУКТА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Исследована структура порошков гидроксидов алюминия, получаемых в качестве побочного продукта при производстве водородного топлива. Одним из основных исходных компонентов была алюминиево-магниевая стружка с массовым содержанием 0,6, 6 и 12 % магния. Исследовали фазовый состав и морфологию частиц порошков с помощью рентгенофазового и петрографического методов анализа. Установлено, что полученный порошок гидроксида алюминия является перспективным материалом для получения корундовой керамики

Ключевые слова: гидроксид, структура, состав, байерит, гибсит

В процессе работы генератора водорода [1] в качестве побочного продукта реакции образуется гидроксид алюминия. Образование гидроксида алюминия происходит в результате воздействия водного раствора едкого натра на алюминий (порошок, стружка) в объеме картриджа водородного генератора в соответствии со следующей химической реакцией:

Выделяющийся водород используется по прямому назначению в качестве топлива, а гидроксид алюминия является побочным продуктом рабочего цикла генератора водорода, который необходимо утилизировать для снижения стоимости производимого водорода.

Реакцию (1), в результате которой получается высокоэффективное топливо (водород), с точки зрения авторов, можно рассматривать как оригинальный технологический подход для получения наряду с экологически чистым топливом (водородом), порошка ультрадисперсного оксида алюминия. Ультрадисперсный порошок оксида алюминия получается в результате прокаливания в воздушной среде порошка гидроксида алюминия. При этом необходимо отметить, что, используя в качестве исходного продукта реакции не чистый алюминий, а его сплавы со строго контролируемым содержанием легирующих добавок, мы будем получать порошки ультрадисперсного оксида алюминия, в которых легирующая добавка распределена равномерно (на молекулярном уровне) по объему всего порошка. Такой технологический прием получения высококачественных ультрадисперсных порошков, описанный в современной технической литературе, получил название метода химического диспергирования [2, 3].

Целью данной работы является изучение структуры порошков гидроксида алюминия, получаемых в результате работы генератора водорода, для оценки возможности получения из них высококачественных ультрадисперсных порошков оксида алюминия.

В качестве исходных продуктов реакции в работе использовали алюминиево-магниевую стружку с массовым содержанием 0,6, 6 и 12 % магния и концентрированный водный раствор едкого натра. В результате проведения процесса получены три типа образцов порошков гидроксида алюминия: образец № 1 (Al–Mg 0,6%), образец № 2 (Al–Mg 6%), образец № 3 (Al–Mg 12%). В дальнейшем проводили анализ структуры этих образцов порошков.

Петрографический анализ фазового состава иструктуры порошков гидроксида алюминия.

Петрографическое исследование порошковых проб проводили на поляризационном микроскопе-?Полам Р-211? методом иммерсионных препаратов [4] в проходящем свете. Результаты петрографического анализа порошков гидроксида алюминия приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты петрографического анализа порошков гидроксида алюминия

Образец № 1. Основная фаза Al(OH)3 – гиббсит, кристаллизующийся в моноклинной сингонии (показатели преломления Ng = 1,566; Nm = 1,587). Габитус кристаллов гиббсита – базальные пластинки. Это субмикронные кристаллы, которые образуют агломераты, повторяющие форму кристаллов. Длина агломератов составляет 4 – 8 мкм, ширина – от десятых долей микрометра до 6 мкм. Количество гиббсита по площади препарата – 80 %, остальные 20 % – это чешуйчатые кристаллы размером менее 0,4 мкм с показателем преломления Np = 1,555. Их структура близка к байеритовой структуре гидроксида алюминия (Np байерита 1,583), они представляют собой плотную однородную массу, не распадающуюся при растирании. Такие кристаллы объединены в сферолиты размером 6 – 10 мкм. Также зафиксирована примесная фаза (менее 1 %, приходящихся на две основные фазы гидроксида алюминия) – непрерывный твердый раствор NaAlO2 в сложном гидроксиде NaMgAlOH. У этой фазы показатель преломления ниже, чем для NaAlO2 (Ng < 1,558), при этом наблюдается изменение егосостава от центра к периферии частиц. Эти частицы образуют агломераты неправильной (неизометричной) формы, линейный размер которых составляет 12 – 16 мкм.

Образец № 2. Основная фаза – байерит с явно выраженной кристаллизацией (Np = 1,583). Форма кристаллов – чешуйчатая. Размеры чешуек – 0,5 –0,7 мкм. Они объединены в изометричные пористые сферолиты размером 15 – 25 мкм. По границам чешуек в агломератах расположен твердый раствор замещения Mg2+ в Al(OH)3 с показателем преломления Np < 1,534. Распределение этой фазы между чешуйками байерита – однородное. Примесной фазы NaAlO2 не обнаружено. Образец № 3. Частицы, входящие в состав порошка, имеют слоистое строение: в центре непрореагировавший с раствором едкого натра алюминиевый сплав (20 – 25 %), представляющий собой ядро (10 – 12 мкм), покрытое тонким слоем (1,5 – 6 мкм) аморфного бемита (12 – 15 %). Поверх указанной аморфной фазы располагается слой (20 –60 мкм) гидроксида алюминия в форме байерита (40 – 50 %). Форма кристаллов байерита – изометричная, с прямыми кристаллографическими гранями. Это 6 – 8-угольные кристаллы размером 0,4 –0,5 мкм. По границам прямых граней байерита адсорбируется аморфная гидратная фаза благороднойшпинели (Al2O3⋅MgO)⋅nH2O (10 – 18 %). Зафиксировано наличие примесной фазы NaAlO2 (4 %). Она состоит из кристаллов короткопризматической формы шириной 4 – 8 мкм, длиной 8 – 12 мкм. На основании результатов петрографического анализа образцов порошков смешанных гидроксидов можно сделать вывод, что основными кристаллическими формами гидроксида алюминия, образующимися при реакции алюминиевого сплава с гидроксидом натрия, являются гиббсит и байерит.

Рентгенофазовый анализ образцов порошков гидроксида алюминия

Рентгенофазовый анализ проводили на установке ?ДРОН-3? по стандартной методике [5]. Образец № 1. Преобладающей фазой является гиббсит. Кроме того, в данном образце в малом количестве идентифицируются баейрит и алюминат натрия β-модификации. Наблюдаются также следы гидрата благородной шпинели MgAlOН. Следует также отметить, что помимо кристаллических фаз этот образец содержит аморфное вещество неизвестного состава. Можно предположить, что это вещество является зародышевой фазой MgAl2O4 на начальной стадии кристаллизации.

Образец № 2. В образце порошка идентифицированы байерит и сложный гидроксид NaAlMgOH. При этом в сложном гидроксиде имеются две фазы, различающиеся периодами кристаллических решеток. Период решетки одной из них а = 0,8086 нм, второй – а = 0,8068 нм. Эти значения позволяют предположить, что первая фаза является твердым раствором MgOН в NaAlMgOН, а вторая – твердым раствором Al(OН)3 в NaMgAlOН. Обе фазы присутствуют в одинаковом количестве. Содержание байерита превышает суммарное количество этих фаз примерно в 7 раз.

Образец № 3. В качестве преобладающей фазы зафиксирован сложный гидроксид NaAlMgOH. Этот сложный гидроксид представлен двумя фазами с разными периодами кристаллических решеток. У первой фазы параметр решетки составляет 0,8080 нм, у второй – 0,8028 нм. Содержание первой фазы в 2 раза выше, чем второй. Кроме этого необходимо отметить, что в материале присутствует гиббсит, содержание которого меньше, чем содержание основной фазы примерно в 6 раз.

Анализ полученных данных показывает, что увеличение массовой доли магния (от 6 до 12 %) в исходном Al–Mg сплаве закономерно приводит к повышению выхода сложных гидроксидов.

Таблица 2. Результаты рентгенофазового анализа порошков гидроксида алюминия

ВЫВОДЫ