ما هي الألومينا (Al2O3)؟

الألومينا خاملة كيميائيًا ومقاومة للتآكل، مما يجعلها مناسبة لعوازل شمعات الإشعال وركائز الرقائق الدقيقة وإنتاج السيراميك والاستخدامات الطبية مثل تطبيقات زراعة الأسنان.

ويتطلب إنتاج الألومينا كميات كبيرة من الحرارة والطاقة، ويتم استخلاصها من البوكسيت الخام باستخدام عملية باير. يتم سحق البوكسيت وغسله وتجفيفه قبل أن يتم إذابته في الصودا الكاوية في درجات حرارة عالية قبل أن يتم نقله في النهاية إلى خزانات طويلة تعرف باسم خزانات المرسبات لترشيحه وتصفيته قبل أن يصبح صالحاً للاستخدام مرة أخرى.

إنه معدن

الألومينا (Al2O3) هو معدن بلوري أبيض خامل ذو صلابة بمقياس موس 9. يشتهر الألومينا بخصائصه الكيميائية والميكانيكية الاستثنائية، ويجد استخدامًا واسعًا في الأشكال والمكونات الخزفية المتقدمة المستخدمة في العديد من القطاعات الصناعية - عوازل شمعات الإشعال إلى حزم الدوائر المتكاملة إلى غرسات العظام إلى حبيبات ورق الصنفرة وعجلات الطحن - في حين أن توصيلها الكهربائي المنخفض يجعلها أيضًا مرشحًا رئيسيًا في التغذية الكهربائية المحكم لمحطات الطاقة والمفاعلات النووية.

البوكسيت هو المصدر الرئيسي لإنتاج الألومينا التجاري. وتتوفر الألومينا في كل من النوعين المعدني والسيراميك؛ حيث يستخدم البوكسيت المسحوق المخصص لصهر الألومنيوم كنوع واحد، بينما تستخدم أنواع السيراميك في تطبيقات أوسع مثل الطحن الناعم للاستخدامات المختلفة. ويتحقق كلا النوعين من إنتاج الألومينا من خلال تقنيات مختلفة، ولكن يبقى التكليس هو العملية الأكثر استخدامًا؛ حيث يحول الألومينا إلى سيراميك - الذي يشترك في العديد من الخصائص مع السيراميك التقليدي.

تُستخدم هذه العملية أيضًا لتصنيع مادة الألومينا المقاومة للحرارة، وهي عنصر أساسي في وحدات التغذية المحكمة، المستخدمة في محطات الطاقة والمفاعلات النووية. ونظراً لقوتها العالية وصلابتها الشديدة، فإن مادة الألومينا المقاومة للحرارة تُعد مادة ممتازة لتبطين الحاويات المعدنية من أجل منع التسريبات مع خفض تكاليف الصيانة.

لا تُعد الألومينا معدنًا صناعيًا لا يُقدّر بثمن فحسب، بل هي أيضًا حجر كريم رائع يُعرف بالياقوت والياقوت الأزرق. ويمنح الشكل البلوري المعروف باسم الكوراندوم الياقوت والياقوت الأزرق ألوانهما الكلاسيكية بينما تمنحهما أكاسيد الحديد والتيتانيوم ألوانهما المتنوعة.

كما هو الحال مع المعادن الأخرى، تتكون الألومينا من روابط كيميائية أيونية تساهمية قوية ولا يمكن ثنيها أو ضغطها مثل المعادن والسبائك. ولذلك، لا يمكن صب الأشكال المعقدة عن طريق التشكيل، بل يجب تشكيلها باستخدام أدوات ومواد كاشطة قياسية بأبعاد دقيقة باستخدام أدوات ومواد كاشطة قياسية. تُظهر الألومينا مقاومة معتدلة للشد والانحناء بالإضافة إلى سلوك الكسر الهش المشابه للعديد من السيراميك متعدد الكريستالات على الرغم من هذه القيود؛ ومع ذلك فهي تقدم مزايا عديدة مقارنةً بالمعادن والسبائك في دورها كمادة خزفية؛ حيث إن خصائص العزل الفعالة للغاية تجعل هذه المادة بديلاً ممتازاً للزجاج في العديد من التطبيقات بينما تقيّد قيود درجة الانصهار استخدامها في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

إنه معدن

الألومينا (Al2O3) هو مركب أبيض خامل وعديم الرائحة يوجد بشكل طبيعي في معادن مختلفة مثل الكوراندوم والبوكسيت - وهما مصدران أساسيان لخام الألومنيوم. ونظرًا لخصائصه الكيميائية والحرارية والميكانيكية الفائقة، فقد وجد العديد من التطبيقات في المجتمع وتطبيقات إطالة العمر الافتراضي.

الألومينا النقية هي معدن صلب وهش ذو سطح زجاجي، وتستخدم كمادة كاشطة لعجلات الطحن وورق الصنفرة وكذلك كبديل للماس الصناعي. كما تُعد الألومينا أيضًا مكونًا مهمًا للعديد من الحراريات والسيراميك مثل عوازل شمعات الإشعال في المركبات الحديثة؛ ولزيادة صلابته قد يحتوي على جزيئات الزركونيا أو شعيرات كربيد السيليكون التي تجعل أدوات القطع مناسبة؛ وعلاوة على ذلك قد يصبح شفافًا بإضافة المغنيسيا.

يتم إنتاج الألومينا من خام الألومنيوم البوكسيت من خلال عملية كيميائية تعرف باسم تكرير الألومينا، حيث فتحت المصانع التجارية أبوابها لأول مرة للتشغيل في الستينيات. وبمجرد تكريره، يتم نقله إلى مصانع الألومنيوم حيث يتم تحليله كهربائياً إلى معدن الألومنيوم؛ وبعد ذلك يتم طحنه في شكل مسحوق ناعم لاستخدامه في منتجات مثل الحراريات والسيراميك.

يحتوي البوكسيت على 30-55 في المائة من Al2O3. ولاستخلاص الألومينا منه، يتم خلط البوكسيت المسحوق والمغسول مع الصودا الكاوية لتكوين ملاط. بعد التصفية والضخ في خزانات الترسيب لمزيد من المعالجة، يشكل هيدروكسيد الألومنيوم الصلب الذي يشكل أساس الصناعة.

يحتوي الطين الأحمر، وهو البقايا المتبقية بعد الاستخراج من الخام، على شوائب مثل أكاسيد الحديد والسيليكات والكوارتز التي تلوث البيئة، بما في ذلك تركيزات عالية من الزئبق والمعادن الأخرى التي تجعل التخلص منها أمراً صعباً - وقد شهد حادث وقع في مصنع مجري للألومينا في عام 2010 انهيار أحد الجدران في بركة طين أحمر مجاورة مما أدى إلى إطلاق نفايات سامة مباشرة في نهر قريب.

شهدت مبيعات الألومينا نموًا سريعًا مع تزايد طلب المزيد من المصنعين على نقاوته العالية لاستخدامه في تصنيع الألومنيوم. واليوم، يتم استخدام أكثر من 50 مليون طن من الألومينا سنويًا في جميع أنحاء العالم كمادة أولية لصناعة الألومنيوم؛ ومع تحركنا نحو مستقبل منخفض الكربون، يجب أن تظل الألومينا لاعبًا مهمًا.

إنه سيراميك

الألومينا هي مادة خزفية معروفة بصلابتها، ومقاومتها للحرارة وخمولها الحيوي. ونظراً لقوته العالية ومرونته وانخفاض معدل التآكل ومقاومته للتآكل وخصائصه المقاومة للتآكل والصدمات، فإن الألومينا تُعد وسط طحن ممتاز في المطاحن الكروية والمطاحن المقلوبة، مع ثبات درجة الحرارة على مدى فترات زمنية طويلة، مما يجعلها متعددة الاستخدامات بما يكفي لاستخدامها في مجموعة من التطبيقات الصناعية.

تُصنع الألومينا صناعياً من خام البوكسيت الذي يحتوي على كميات مختلفة من أكاسيد الألومنيوم المائية. وللألومينا العديد من الاستخدامات الصناعية الهامة؛ فعلى سبيل المثال، يعتمد إنتاج السيراميك المتطور اعتماداً كبيراً على استخدامها، كما أنها تلعب دوراً أساسياً في صهر معدن الألومنيوم وتصنيع منتجات كيميائية مختلفة، وعلاوة على ذلك فهي تتميز بخصائص عازل كهربائي ممتازة في كل من درجات حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة - مما يجعل الألومينا مادة حرارية هامة لا تتطلب عوامل ربط خارجية لخصائص العزل.

الخواص الفيزيائية تحتل الألومينا المرتبة الثانية بعد الماس من حيث الصلابة على مقياس موس للصلابة. ويتميز بدرجة انصهار عالية للغاية، فضلاً عن مقاومته للحرارة الشديدة والبرودة والتآكل وقوة ضغط تصل إلى 250,000 رطل لكل بوصة مربعة وقوة ضغط تصل إلى 250,000 رطل لكل بوصة مربعة وانخفاض ضغط البخار والتحلل.

توفر الألومينا النقية ثباتًا كيميائيًا متميزًا، حيث تقاوم التآكل بواسطة معظم الأحماض والمحاليل القلوية. ومع ذلك، قد تكون قابلة للذوبان بشكل طفيف في محاليل حمض الكبريتيك (الساخن) وحمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك؛ ومع ذلك تظل خياراً مثالياً للمادة في العديد من التطبيقات الهندسية نظراً لثباتها الكيميائي الفائق.

لسيراميك الألومينا تطبيقات واسعة النطاق في مجالات الفضاء والبترول والكهرباء والسيارات والإلكترونيات وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية - بالإضافة إلى بطاريات تخزين الطاقة الشمسية الكهروضوئية وبطاريات الطاقة الجديدة. يتفوق سيراميك الألومينا عند تطبيقه في المواقف التي تتطلب ثباتاً في درجات الحرارة العالية مع خصائص عزل كهربائي ممتازة.

الألومينا الطبية (MA) هي شكل من أشكال الألومينا التي تمت معالجتها لتحسين خصائصها الميكانيكية. وقد أثبتت الدراسات التي أُجريت انخفاض معدل فشلها خلال التجارب السريرية مقارنةً بالجيل الثالث من الألومينا، مما يجعل الألومينا الطبية خياراً ممتازاً لغرسات الأسنان والمفاصل الاصطناعية وبدائل العظام وكذلك معدات الحماية مثل الخوذات والنوافذ المضادة للرصاص نظراً لخمولها الحيوي الذي يجعلها آمنة للاستخدام في جسم الإنسان.

إنها مادة حرارية

الألومينا مادة صلبة ومتينة للغاية ولها استخدامات صناعية عديدة. وتُستخدم عادةً كمادة كاشطة لحماية المواد الأخرى من التآكل والتلف، وكذلك في تصنيع المنتجات المقاومة للحرارة. تتشكل الألومينا من خلال عملية تكليس هيدروكسيد الألومنيوم في درجات حرارة عالية لتكوين أكسيد الألومنيوم، والمعروفة باسم التلبيد. وتتميز الألومينا نفسها بلونها الأبيض وخصائصها الخاملة وعديمة الرائحة مما يجعلها خياراً ممتازاً للمواد للتطبيقات الصناعية الصعبة مثل اللحام.

غالبًا ما تتميز المواد المقاومة للحرارة المكونة من الألومينا بقدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية للغاية دون أن تفقد ثبات أبعادها والحفاظ على الحرارة ومقاومة التلوث من المواد المسببة للتآكل - وهي خصائص تجعل هذه المواد المقاومة للحرارة مناسبة لتطبيقات الصب والتشغيل الآلي على حد سواء. ومع ذلك، قبل الاستخدام، يجب إجراء اختبار على هذه المواد من حيث الخواص الكيميائية والميكانيكية والفيزيائية.

يمكن تقسيم المواد الحرارية إلى ثلاث فئات عريضة استنادًا إلى علم المعادن وتركيبها، مثل المواد الحرارية المعدنية السيليكا التي تحتوي على السيليكا والألومينا الخاملة كيميائيًا والقادرة في الوقت نفسه على مقاومة التآكل في درجات الحرارة العالية؛ بالإضافة إلى ذلك يمكن أيضًا تصنيفها وفقًا لكيفية تفاعلها مع المحاليل الحمضية والقاعدية، أو مقاومتها ضد التآكل في درجات الحرارة العالية. ومن الأمثلة على ذلك حراريات الألومينا والسيليكا التي تحتوي على هذه المواد المقاومة كيميائيًا ضد تآكل الألومنيوم؛ وتستخدم هذه الأنواع من الحراريات على نطاق واسع في إنتاج الصلب والأفران.

يمكن التمييز بين المواد الحرارية الأخرى من خلال تركيبها وبنيتها، مع وجود عدة مجموعات حسب كمية السيليكا والألومينا التي تحتوي عليها. ويوفر طين الكاولين تكلفة منخفضة ولكن حراريته ممتازة؛ وقد أثبتت هذه المواد الحرارية مقاومة للتآكل في بيئات معينة ولكنها قد تصبح عرضة للتآكل بمرور الوقت.

الحراريات المكونة من المغنيسيا هي مواد أساسية، مما يعني أنها لن تتفاعل مع الأحماض؛ ويمكن لتلك المصنوعة من الكروم والمغنيسيوم تحمل درجات الحرارة العالية دون الخضوع لتأثيراتها؛ ويمكن للبعض الآخر، مثل الزركونيا، تحمل ظروف ذوبان الزجاج بسهولة. وبغض النظر عن المادة الحرارية التي يتم اختيارها للاستخدام، فإن اختبار موادها الخام بدقة لمعرفة كثافتها الظاهرية ومعدل امتصاص الماء وخصائص المسامية المفتوحة أمر بالغ الأهمية وكذلك تحليل قوة الانحناء ثلاثي النقاط وقوة الضغط.