1.3.5.1. Cấu trúc của Nhôm oxit
Nhôm oxit là một hợp chất hóa học của nhôm và oxy với công thức hóa học Al2O3 còn được biết đến với tên gọi alumina trong cộng đồng các ngành khai khoáng, gốm sứ, và khoa học vật liệu.
Nhôm ôxit là chất rắn, màu trắng, không tan và không tác dụng với nước. Nóng chảy ở nhiệt độ rất cao (trên 20000C), có hệ số giãn nở nhiệt 0.063 K-1
Cấu trúc của nhôm ôxit được xây dựng từ các đơn lớp của các quả cầu bị bó chặt Lớp này có dạng tâm đối mà ở đó mọi ion O2- được định vị ở vị trí 1 như hình 2.8. Lớp tiếp theo được phân bố trên lớp thứ nhất, ở đó tất cả những quả cầu thứ hai nằm ở vị trí lõm sâu của lớp thứ nhất như hình vẽ (vị trí 2). Lớp thứ 3 có thể được phân bố ở vị trí như lớp thứ nhất, và tiếp tục như vậythứ tự phân bố của kiểu cấu trúc này là : 1,2; 1,2 …hoặc được phân bố trên những hố sâu khác của lớp thứ nhất vị trí 3, còn lớp thứ 4 lại được phân bố như vị trí 1, thứ tự phân bố của cấu trúc này : 1,2,3; 1,2,3…
Vị trí của các ion Al3+:
Các cation Al3+ nhất thiết được phân bố trong không gian giữa các lớp bó chặt anion. Lỗ hổng duy nhất mà ion Al3+ có thể phân bố là ở giữa 2 lớp. Khả năng, các ion Al3+ nằm ở vị trí trên lỗ hổng tứ diện hoặc nằm ở vị trí tâm bát diện.
Xét lớp oxy thứ hai của oxit trong vị trí 2 phân bố trên Al3+. Nếu tiếp tục sắp xếp bằng phương pháp này : O2-, Al3+, O2-,và Al3+ trong sự bó chặt lục giác như trường hợp thì thấy rằng có bao nhiêu vị trí dành cho cation thì có bấy nhiêu vị trí dành cho O2- ở lớp anion. Sự bố trí này không thoả mãn tính trung hoà điện tích. Để thoả mãn độ trung hoà điện tích thì cần thiết trống 1 trong 3 vị trí của cation.
O2-
Hình 1.12: Vị trí của ion Al3+ trong cấu trúc bó chặt anion
Ở trường hợp khi có mặt hydro (H) trong η và γ-Al2O3 các ion nhôm nằm trong khối tứ diện còn proton không nằm trong lỗ trống tứ diện mà nằm trên bề mặt trong dạng nhóm OH. Suy diễn ra rằng một trong 8 ion O2- nằm trên bề mặt trong dạng OH-. Điều đó có nghĩa tinh thể bé và phần lớn các nhóm OH- nằm
trên bề mặt. Giả thiết này phù hợp với kết quả thực nghiệm thu được η và γ- Al2O3 có diện tích bề mặt lớn và trên bề mặt chứa nhiều OH- liên kết.
Các nhôm oxit khác nhau về tỷ lệ ion nhôm trong khối bát diện và tứ dịên, cũng như mức độ bao bọc đối xứng ion Al3+ trong lỗ trống tứ và bát diện. η- Al2O3 chứa ion Al3+ trong tứ diện lớn hơn trong γ-Al2O3.
Đặc điểm cấu trúc bề mặt của nhôm oxit có vai trò quan trọng trong xúc tác. Do nhôm oxit có cấu trúc lớp nên có thể trên mỗi bề mặt chỉ có một dạng xác định bề mặt tinh thể. η-Al2O3 có độ axit lớn hơn do mật độ Al3+ lớn hơn trong vị trí tứ diện trên bề mặt.
Trong quá trình nung nhôm oxit đến khoảng 900oC, gần như toàn bộ nước được giải phóng, kéo theo sự thay đổi cơ bản nước bề mặt. Rõ ràng ở đây đồng thời xảy ra sự tuơng tác giữa các bề mặt tinh thể tạo nên tinh thể lớn hơn. Khi đó sẽ mở rộng khoang tinh thể và tăng khả năng hấp phụ. Bề mặt các ôxit hoàn toàn mất proton, do vậy chúng được cấu tạo hoàn toàn từ các ion O2- và các lỗ trống anion.
1.3.5.2. Ứng dụng của Nhôm oxit
Ngoài vai trò được sử dụng làm chất xúc tác, Al2O3 còn được sử dụng làm chất hấp phụ để tách loại một số cấu tử khỏi các cấu tử khác hay làm chất hút ẩm .Ví dụ như dùng để làm chất hấp phụ trong quá trình sấy khí, hoặc làm khô chất lỏng hữu cơ, hay để tách SOx có trong khí, đôi khi còn sử dụng để làm lớp hấp phụ bảo vệ chất xúc tác trong thiết bị phản ứng khỏi các chất gây ngộ độc xúc tác.
Trong công nghiệp Nhôm oxit có thể:
Khi nung ở nhiệt độ cao sẽ mở rộng khoang tinh thể tăng khả năng hấp phụ các chất trong nước thải.
Xúc tác cho quá trình Clause : Trong quá trình này oxit nhôm được sử dụng như một chất xúc tác nhằm chuyển hoá H2S thành muối sunfua.
Xúc tác cho quá trình Reforming:Nhôm oxit-Al2O3 trong quá trình này đóng vai trò vừa là chất mang, vừa là xúc tác. Chất mang Al2O3 kết hợp với các cấu tử kim loại quý, tạo xúc tác lưỡng chức năng. Mục đích của quá trình là nâng cao trị số octan của xăng.
Xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu sạch Dimetyl ete DME
Làm chất mang cho quá trình cracking xúc tác tầng sôi (FCC)
Làm chất mang trong quá trình xử lý bằng hydro
Làm chất mang cho quá trình chuyển hóa CO với hơi nước (water gas shift)
Ngoài vai trò làm chất xúc tác cho quá trình xử lý khí thải. Al2O3 còn được dùng trong công nghiệp dược phẩm, đặc biệt dùng để xử lý nước chứa flo.
CHƯƠNG 2