Глинозем. Процесс массопереноса (диффузии) в твердых телах

Применение  оксида алюминия

Многобразие применения оксида алюминия определяет необходимость  производства широкой гаммы его сортов.

1. Применение оксида  алюминия в качестве адсорбента:

• для осушки газов (глубокая осушка до точки росы -60°С и ниже);
• для улавливания углеводородных примесей из воздуха;
• для извлечения фтора из различных сред (способность оксида алюминия хемо-сорбировать фтор-ионы используется для очистки вод с повышенным содержанием фтора; для улавливания паров HF из газов суперфосфатных и электролизных производств);
• для осветления растворов в сахарном производстве;
• для улавливания растворителей;
• для адсорбционной очистки масел (в первую очередь трансформаторных). Амфотерный характер Al2O3 делает его эффективным адсорбентом кислот - продуктов окисления масел, желательно выбирать окись алюминия с наличием крупных пор (радиус десятки и сотни нанометров);
• как осушитель при консервации приборов и оборудования, а также для таких систем, как дыхательные клапаны цистерн, трансформаторов и т.д.;
• для создания защитных атмосфер при длительном хранении разлагающихся от воздействия влаги фармацевтических и пищевых продуктов.

2. Применение оксида  алюминия как катализатора и  носителя для катализаторов (Ni, Pt).

3. Применение Al2O3 в хроматографии:

• для газовой и жидкостной адсорбционной хроматографии (молекулярная адсорбция);
• для ионообменной и осадочно-сорбционной хроматографии из водных растворов (ионный обмен и осаждение);
• в качестве инертного носителя при жидкостной распределительной хроматографии.

Перед использованием в  качестве молекулярного сорбента газов  или органических веществ (из неводных растворов) окись алюминия активируют, т.е. обезвоживают, при температуре 180-350°С (для ГАХ) или приблизительно 130°С (для жидкостной хроматографии) [7]

 

Кору́нд — минерал, кристаллический α-оксид алюминия (Al2O3) , тригональной сингонии, дитригонально-скаленоэдрический. [1]

Образование корундов связано с  различными процессами: магматическими, контактово-магматическими (скарновыцми), метаморфогенными. Промышленные концентрации ювелирных разновидностей также  приурочены к экзогенным образованиям; они возникают в результате разрушения коренных источников.Корунд - полигенный минерал, образующийся из высокоглиноземистых базальтовых и щелочных магм, а также гидротермально-метасоматическим путем (скарны, вторичные кварциты и т. п.) и при региональном метаморфизме гранулитовой фации. [8]

 

Форма нахождения в природе.

 Корунд - широко распространённый  минерал, присутствующий в различных  минеральных ассоциациях, в некоторых  из них он является породообразующим. В основном связан с геологическими  образованиями магматического, постмагматического (пегматиты) и метаморфического генезиса. Устойчив в процессах денудации - накапливается в россыпях.

Характерными корундсодержащими  объектами являются корундовые сиениты  и сиенит-пегматиты, образующие дайки  и жилы среди щелочных сиенитов или гранито-гнейсов и гнейсов вблизи контактов их с массивами щелочных или нефелиновых сиенитов. Таковы месторождения Ильменских и Вишнёвых гор в России , провинций Онтарио и Квебек в Канаде, Мадраса и Кашмира в Индии, острова Шри-Ланка (Цейлон) и другие.

 Среди ультраосновных пород и серпентинитов, в случае прорыва их дайками кислого или среднего состава (аплиты, анортозиты), в результате десиликации последних образуются специфические мелко-, средне- и грубозернистые породы, содержащие корунд - плюмазиты, марундиты, кыштымиты (содержание корунда в последних достигает 90%). Примером месторождений этого типа является Борзовское месторождение корунда на Урале (южная часть Вишнёвогорского щелочного комплекса). Интересно месторождение массива Рай-Из на Полярном Урале, где красивый карминово-красный корунд (размеры кристаллов достигают 20 см) приурочен к дайкам плагиоклазитов, преимущественно к слюдитовым зонам в них.

 К вторичным кварцитам месторождения  Семиз-Бугу (Казахстан), которые являются  гидротермально-метасоматическими породами, приурочены мусковит-корундовые и андалузит-корундовые линзовидные и жилообразные тела и гнёзда. В самих кварцитах вкрапленность корунда тоже присутствует.

 Метаморфические мусковит-силлиманит-корундовые  и кианит-корундовые породы в  гнейсах и кристаллических сланцах известны на Украине, в Якутии (месторождение Чайныт), Индии и других регионах.

Интересны месторождения  корунда, главным образом - рубина, в  метаморфизованных мраморах. Они образуются в результате контактового метасоматоза при прорыве карбонатных толщ магматическими породами, как правило, основного состава. Примером месторождений такого типа может служить Кучинское месторождение на Южном Урале. [9]

 

Получение искусственного корунда.

Выращивание искусственных  корундов методом Киропулуса.

В качестве сырья используется химически чистый порошок оксида алюминия. Уникальная технология предварительной подготовки сырья, позволяет выращивать сапфир с содержанием чистого оксида алюминия 99,997%. Весь процесс выращивания кристалла сапфира весом 25 кг занимает 14 дней и поддерживается автоматической системой контроля.

 Исходный материал  помещается в установку, создающую  оптимальные условия для выращивания  кристаллов сапфира.

 Сущность усовершенствованного  метода Киропулоса состоит в  том, что кристалл сапфира как  бы прорастает вглубь расплава  и приобретает в процессе кристаллизации  цилиндрическую форму за счет  образования усадочной раковины. Возникновение усадочной раковины объясняется разностью плотностей жидкого и твердого сапфира (3 и 4 г/смЗ соответственно). Поддержание необходимого диаметра кристалла осуществляется за счет автоматического перемещения затравочного кристалла (без вращения). Тигель во время процесса неподвижен. Скорость вытягивания кристалла значительно ниже скорости кристаллизации. В результате в расплаве находится не весь кристалл, а только небольшой слой, прилегающий к растущей поверхности. Температурный градиент, обеспечивающий рост кристалла, обеспечивается конструкцией теплового узла, придающей форме фронта кристаллизации клиновидную форму.

 Получение расплава  в тигле осуществляется путем  резистивного нагрева. Снижение  мощности на нагревателе осуществляется  с использованием прецизионной  системы регулировки мощности.

 Охлаждение кристалла  происходит практически в той  же зоне роста внутри тигля.  Такой способ позволяет выращивать  кристаллы с минимальными механическими напряжениями. [10]

 

Применение  корунда.

Условно в применении корунда можно выделить две области: первая - геммология и тесно связанное с ней ювелирное дело, второе - промышленность в широком смысле, то есть не только собственно какое-либо производство, но и в том числе наука, медицина и т.д. В геммологии основное значение имеют красота камня, его совершенство, редкость, оригинальные кристаллы, необычные ассоциации минералов и пр. В промышленности же корунд используется в различных отраслях в связи с различными физическими свойствами (как, собственно, и любой другой минерал).

Геммология. Главное значение в этой области конечно же имеет корунд ювелирного качества. В геммологии существует разделение всех драгоценных камней на классы. В зависимости от конъюнктуры рынка, моды, появления новых видов драгоценных камней, состав этих классов в различные времена менялся. Но рубин и сапфир, вместе с алмазом и изумрудом, всегда принадлежали к первому классу. В мире широко развита индустрия этих драгоценных камней, связанная с их добычей, обработкой и реализацией.

Промышленность. Наиболее раннее использование корунда в производственных целях основано на его исключительной твёрдости, уступающей лишь алмазу. Корунд является жёстким абразивом, пригодным для обработки самых твёрдых материалов. Применялся он как в качестве свободного абразива (в виде “песка” различной крупности), так и в виде наждачных камней - брусков, кругов и пр. Такими абразивами обрабатывались изделия из камня, металлов, стекла и т.п. Практическое значение в качестве абразива природный корунд сохранял вплоть до второй половины 20-го века и был вытеснен более дешёвым электрокорундом, то есть корундом, получаемым искусственным путём специально для абразивных целей. Осколки природного корунда использовались также в качестве вставок в резцах, где они выполняли роль рабочего (режущего) элемента.

Когда были разработаны методы его искусственного получения и появилась возможность получать крупные блоки, стержни, монокристаллы. Из корунда изготавливали иглы различного назначения (например, для звукозаписи), резцы для чистовой обработки металлов, фильеры для протягивания проволоки, различные нитеводители для ткацкого производства и многое другое. Большое количество искусственного корунда по-прежнему использовалось и используется в часовой промышленности и в производстве других точных механизмов. [11]

 

Свойства  корундов.

 Физические свойства

Блеск стеклянный. Твёрдость по Моосу 9.Удельный вес 3,9-4,1 г/см3. Теплота плавления 109,2 кДж/моль. Температура плавления — 2050 °C. Цвет голубовато-серый, голубой, синий, красный, розовый, реже желтый, зеленый, фиолетовый или бесцветный. Иногда кристалл корунда различно окрашен. Черты не дает. Спайность отсутствует; у плотных разностей нередко наблюдается отдельность со штриховкой в трех направлениях. По плоскостям отдельности довольно легко раскалывается. Бочонковидные и веретенообразные кристаллы, взросшие в породу, или сплошные плотные и мелкозернистые массы. Сингония тригональная.

Отличительные признаки. Корунд имеет неметаллический блеск; очень твердый; кристаллы веретенообразной или бочонковидной формы.

Химические свойства. В кислотах не растворяется. [12]

 

2. Процесс массопереноса  (диффузии) в твердых телах. Что  такое коэффициент диффузии и  от каких факторов зависит  его абсолютная величина? Типы  диффузии. Сравнительная характеристика  объемной, поверхностной диффузии и диффузии по границам зерен. Природа диффундирующих частиц: теория Вагнера и современные представления о природе диффундирующих частиц в твердых телах. Механизм диффузии частиц в твердых телах, какой механизм реализуется на практике наиболее часто (имеет наименьшую энергию активации).

 

Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию, и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). [1]

 

Диффузионные  процессы при твердофазовых реакциях.

Основным условием протекания твердофазовой реакции является наличие массообмена между реагирующими твердыми веществами. Перенос вещества при массообмене осуществляется за счет диффузии. Диффузия представляет собой перемещение вещества в результате хаотического движения его частиц, обладающих определенной кинетической энергией, или направленного их движения, обусловленного наличием градиента концентраций или разности химических потенциалов. Диффузия идет в сторону меньшей концентрации или большего химического потенциала.

Количество вещества, диффундирующего в направлении, перпендикулярном какой-то плоскости в образце, определяется первым законом диффузии Фика:

 

 

 

 

Где dG-количество вещества, моль;

dc/dx – градиент концентраций диффундирующего вещества в диффузионном слое (с-концентрация, моль/см³; х- расстояние в направление диффузии, см);

dS- Площадь, см²; dτ – время, с;

D- Коэффициент диффузии в диффузионном слое, см²/с.

 

Обозначив                      через         , получаем:

 

 

 

 

 

т.е. количество вещества, диффундирующего за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению диффузии, пропорционально градиенту концентраций. Знак минус в правой части выражений (1), (2) указывает на направление диффузии в сторону убывания концентрации.

Скорость диффузионного  процесса определяется величиной коэффициента диффузии D, которая показывает количество вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном 1. Величина коэффициента диффузии зависит от ряда факторов и, в частности, от температуры, концентрации диффундирующего вещества, природы диффундирующего вещества и диффузионной среды - их структуры и поляризационных свойств, концентрации дефектов в кристаллической решетке и пр. Коэффициент диффузии является весьма сложной функцией концентрации диффундирующего вещества, но при малых концентрациях указанной зависимостью можно пренебречь, считая величину D не зависящей от концентрации. Для многих твердых тел коэффициент диффузии в температурном интервале 20-1500°С равен 10^-20-10^-4 см²/с, а энергия активации диффузии составляет несколько сот (100-500) кДж/моль. В жидкостях коэффициент диффузии на несколько порядков выше, чем в твердых телах. [13]

Коэффициент диффузии D, зависит от температуры, строения исходных реагентов, концентрационных соотношений:

 

 

 

где Е — энергия  активации диффузии (или энергия  «разрыхления» решетки).

Коэффициент А, часто обозначаемый как D₀ или предэкспоненциальный множитель, формально равен коэффициенту диффузии при температуре, равной бесконечности.

Следует, однако, заметить, что подобная трактовка в действительности лишена физического смысла. Поэтому предложены другие пути, раскрывающие природу параметра А.

По Я. И. Френкелю, величину А можно определить, зная среднее расстояние б между соседними положениями равновесия в решетке и продолжительность t₀ периода собственных колебаний атома; для большинства веществ значения б и t₀ известны.

По аналогии с теорией  броуновского движения Эйнштейна коэффициент диффузии