アルミナ: ナトリウムとは共存できませんよー！
高温アルミナは、工業用アルミナ水和物を主原料とし、焼成による脱水と結晶相転移を経て製造されます。工業用アルミナ水和物はアルカリ性媒体中で製造されるため、高温アルミナには必然的に一定量の不純物が含まれます。
酸化ナトリウムの危険性
中でも、酸化ナトリウム不純物の含有量は、高温アルミナ製品の等級分けにおける主要な基準であり、下流製品の物理化学指標、製品品質、および応用性能に大きな影響を与えます。例えば、
高温アルミナを耐摩耗セラミックスとして使用する場合、ナ₂O含有量はアルミナ製品の圧縮強度と電気絶縁性に直接影響を及ぼします。一般的に、ナ₂O含有量が高いほど電気伝導性は高まりますが、アルミナセラミックスや耐摩耗製品の電気絶縁性は低下します。同時に、α-アル₂O₃への転化率も低下し、高温アルミナ中のα-アル₂O₃含有量が95%以上という品質要件を満たせなくなり、アルミナセラミックスや耐摩耗製品の変形や割れの原因となります。
電子セラミックスにおいて、ナ₂O の存在は電子セラミックスの密度に影響を与えるだけでなく、ナ₂O と アル₂O₃ の組み合わせにより一定の導電性を持つ β-アル₂O₃ の形成につながり、それによって電子セラミックスの電気特性に影響を与えます。
電子セラミックスでは、ナ₂O の存在は電子セラミックスの密度に影響を与えるだけでなく、ナ₂O が アル₂O₃ と結合して一定の導電性を持つ β-アル₂O₃ を形成し、それによって電子セラミックスの電気特性に影響を与えます。
ナトリウムの不純物はどこから来るのでしょうか?
高温アルミナ中のNa₂Oは、原料のアルミナ水和物に由来します。アルミナ水和物中のNa₂Oは、アルミナ製造工程で生成される主要な汚染不純物の一つです。アルミナ水和物に含まれるNa₂Oは、3つ（または4つ）の形態で存在します。
Ⅰ. 母液アルカリは水溶性アルカリに属し、付着アルカリの形で存在します。ナ₂Oは水洗で除去できますが、封入アルカリは洗浄が難しく、部分的にしか除去できません。
Ⅱ. 格子アルカリは水に溶けず、格子構造が変化することによってのみ水溶性アルカリになることができます。
Ⅲ. 複合アルカリは水、酸、アルカリに溶けず、高温でも分解しません。
原料である水酸化アルミニウム中の酸化ナトリウム含有量に影響を与える要因
アルミナ中のナトリウム不純物は主にその前駆体である水酸化アルミニウムに由来するものですが、水酸化アルミニウム中のナトリウム不純物の含有量に影響を与える要因は何ですか?
水酸化アルミニウム中の酸化ナトリウム含有量に影響を与える要因は数多くあります。シード沈殿操作においては、元の分解溶液の濃度、分解温度、分解時間などが直接的に影響を及ぼします。しかし、実際の製造においては、以下の要因も酸化ナトリウム含有量に大きな影響を与えます。
（１）シード沈殿プロセスにおける分解の初期温度
分解プロセスでは、通常、水酸化アルミニウムの収率を向上させるために様々な冷却手段が採用されますが、これは生成物中の洗浄不可能なアルカリ含有量の増加につながります。様々な研究により、分解生成物中の不溶性酸化ナトリウムに影響を与える主な要因は、分解初期温度であることが示されています。初期温度が低いほど、生成物中の不溶性酸化ナトリウム含有量は高くなります。
（２）水酸化アルミニウム製品の粒子径
バイエル法の種晶沈殿工程では、原料は定期的に精製されることが多い。同時に、種晶沈殿原料の循環量が多く、精製サイクルが到来すると、比較的長時間にわたることが多い。原料が精製されると、平板上の水酸化アルミニウムに同伴される母液量が増加し、洗浄しきれないアルカリが増加する。原料同士が非常に強く結合するため、原料の通気性と濾過性能が低下し、クロスゾーン汚染を引き起こしやすく、製品の酸化ナトリウム含有量に影響を与える。
（３）分解液中の固形分
分解槽内の固形分濃度に影響を与える要因は数多くあります。例えば、生産と洗浄のアンバランス、シードフィルターの効率低下、分解槽の試運転または隔離、分解速度の変動などです。これらの要因は、最終槽の固形分濃度に大きな変動を引き起こすことがよくあります。固形分濃度が減少すると、原料が過度に希釈され、平板がクロスゾーン汚染されやすくなり、製品の品質に影響を与え、水酸化アルミニウム中の酸化ナトリウム含有量の増加につながります。
ナトリウムを除去するにはどうすればいいですか？
現在一般的なナトリウム除去プロセスには主に次のものがあります。
第一の方法は、水酸化アルミニウムの分解過程において、分解時間を長くする等の手段により結晶アルカリ及び結晶間アルカリの含有量を低減し、また複数回の洗浄により付着アルカリの含有量を最小限にする方法である。
2つ目の方法は、鉱化剤を適切に選択することです。鉱化剤の主な機能は、アルミナの格子欠陥を増加させ、陽イオンと陰イオンの空孔を形成することで結晶化を促進し、α相転移温度を効果的に低下させることです。同時に、鉱化剤はアルミナ中の酸化ナトリウムと反応して揮発性のナトリウム化合物を生成することもあります。そのため、鉱化剤は高温アルミナの焼成プロセスで広く使用されています。一般的に使用される鉱化剤には、フッ化アルミニウム、ホウ酸、酸化マグネシウム、硝酸アンモニウムなどがあります。
3つ目の方法は、原料を前処理する方法です。湿式法で酸を導入し、酸塩基中和反応によってナトリウムを除去し、反応後に生成した塩を温水で洗い流します。ナトリウム除去効果は原料中に存在する酸化ナトリウムの形態によって異なりますが、最低でもナトリウム含有量を0.05%未満まで低減できます。この方法により、製品品質が大幅に向上します。