Βηρύλλιο - Ιδιότητες, Ιστορία και Εφαρμογές

Το βηρύλλιο είναι ένα σκληρό και ελαφρύ μέταλλο που έχει υψηλό σημείο τήξης και μοναδικές πυρηνικές ιδιότητες, που το καθιστούν απαραίτητο για πολλές αεροδιαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές.

Ιδιότητες

• Ατομικό σύμβολο: Be
• Ατομικός αριθμός: 4
• Στοιχείο Κατηγορία: Μεταλλικό αλκαλικό μέταλλο
• Πυκνότητα: 1,85 g / cm3
• Σημείο τήξης: 2349 ° C°F (1287°ΝΤΟ)
• Σημείο βρασμού: 4476° F (2469 °ΝΤΟ)
• Mohs Σκληρότητα: 5.5

Χαρακτηριστικά

Το καθαρό βηρύλλιο είναι ένα εξαιρετικά ελαφρύ, ισχυρό και εύθραυστο μέταλλο. Με πυκνότητα 1,85g / cm³, το βηρύλλιο είναι το δεύτερο ελαφρύτερο στοιχειακό μέταλλο, πίσω από το λίθιο.

Το γκρι χρώμα του μετάλλου αποτιμάται ως στοιχείο κράματος λόγω του υψηλού σημείου τήξης του, της αντοχής στην ερπυσμό και της διάτμησης, καθώς και της υψηλής αντοχής του σε εφελκυσμό και της ακαμψίας λόγω κάμψης. Αν και μόνο το ένα τέταρτο του βάρους του χάλυβα, το βηρύλλιο είναι έξι φορές ισχυρότερο.

Όπως το αλουμίνιο, το μέταλλο του βηρυλλίου σχηματίζει στην επιφάνεια του ένα στρώμα οξειδίου που βοηθά να αντισταθεί στη διάβρωση. Το μέταλλο είναι τόσο μη μαγνητικές όσο και μη σπινθηριστικές ιδιότητες που αποτιμώνται στο πετρέλαιο και το αέριο - και έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα σε μια σειρά θερμοκρασιών και εξαιρετικές ιδιότητες διασποράς θερμότητας.

Η χαμηλή διατομή απορρόφησης ακτίνων Χ του Beryllium και η υψηλή διατομή σκέδασης νετρονίων το καθιστούν ιδανικό για παράθυρα ακτίνων Χ και ως ανακλαστήρα νετρονίων και συντονιστή νετρονίων σε πυρηνικές εφαρμογές.

Αν και το στοιχείο έχει γλυκιά γεύση, είναι διαβρωτικό για τους ιστούς και η εισπνοή μπορεί να οδηγήσει σε μια χρόνια, επικίνδυνη για τη ζωή αλλεργική νόσος, γνωστή ως βηρυλίωση.

Ιστορία

Παρόλο που απομονώθηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 18ου αιώνα, δεν δημιουργήθηκε μια καθαρή μεταλλική μορφή βηρυλλίου παρά το 1828. Θα ήταν ένας άλλος αιώνας πριν αναπτυχθούν οι εμπορικές εφαρμογές για βηρύλλιο.

Ο Γάλλος χημικός Λούης-Νικολάου Βάουκελιν αρχικά ονόμασε το νεοανακαλυφθέν στοιχείο του «γλουκίνιο» (από τα ελληνικά glykys για το "γλυκό") λόγω της γεύσης του. Ο Friedrich Wohler, ο οποίος εργάστηκε ταυτόχρονα για την απομόνωση του στοιχείου στη Γερμανία, προτίμησε τον όρο beryllium και ήταν, τελικά, η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας που αποφάσισε να χρησιμοποιηθεί ο όρος beryllium.

Ενώ η έρευνα για τις ιδιότητες του μετάλλου συνεχίστηκε μέχρι τον 20ό αιώνα, δεν ξεκίνησε η εμπορική ανάπτυξη του μετάλλου μέχρι την πραγματοποίηση των χρήσιμων ιδιοτήτων του βηρυλλίου ως παράγοντα κραματοποίησης στις αρχές του 20ου αιώνα.

Παραγωγή

Το βηρύλλιο εξάγεται από δύο τύπους μεταλλευμάτων. beryl (Be₃Al₂(SiO₃)₆) και bertrandite (Be₄Σι₂Not not τηot notkykykykykyot τηotot not notky notot not₇(ΟΗ)₂). Ενώ το Beryl γενικά έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε βηρύλλιο (3 έως 5% κατά βάρος), είναι πιο δύσκολο να βελτιωθεί από το bertrandite, που κατά μέσον όρο περιέχει λιγότερο από 1,5% βηρύλλιο. Ωστόσο, οι διεργασίες διύλισης και των δύο μεταλλευμάτων είναι παρόμοιες και μπορούν να πραγματοποιηθούν σε μία μοναδική εγκατάσταση.

Λόγω της προστιθέμενης σκληρότητας του, το μετάλλευμα βηρύλλων πρέπει πρώτα να υποβληθεί σε προκατεργασία με τήξη σε φούρνο ηλεκτρικού τόξου. Το τηγμένο υλικό στη συνέχεια βυθίζεται σε νερό, παράγοντας μια λεπτή σκόνη που αναφέρεται ως «frit».

Το θρυμματισμένο μετάλλευμα του Bertrandite και το frit αρχικά κατεργάζονται με θειικό οξύ, το οποίο διαλύει το βηρύλλιο και άλλα μέταλλα που υπάρχουν, καταλήγοντας σε υδατοδιαλυτό θειικό άλας. Το θειικό διάλυμα που περιέχει βηρύλλιο αραιώνεται με νερό και τροφοδοτείται σε δεξαμενές που περιέχουν υδρόφοβα οργανικά χημικά.

Ενώ το βηρύλλιο προσκολλάται στο οργανικό υλικό, το διάλυμα με βάση το νερό διατηρεί το σίδηρο, το αργίλιο και άλλες ακαθαρσίες. Αυτή η διεργασία εκχύλισης με διαλύτη μπορεί να επαναληφθεί μέχρις ότου συμπυκνωθεί το επιθυμητό περιεχόμενο βηρυλλίου στο διάλυμα.

Το συμπύκνωμα βηρυλλίου στη συνέχεια κατεργάζεται με ανθρακικό αμμώνιο και θερμαίνεται, οπότε καθιζάνει το υδροξείδιο του βηρυλλίου (BeOH₂). Το υδροξείδιο του βηρυλλίου υψηλής καθαρότητας είναι το υλικό εισόδου για τις κυριότερες εφαρμογές του στοιχείου, συμπεριλαμβανομένων των κραμάτων χαλκού βηρυλλίου, των κεραμικών από βηρύλλια και της κατασκευής μεταλλικού μεταλλικού βηρυλλίου.

Για να παραχθεί μέταλλο βηρυλλίου υψηλής καθαρότητας, η μορφή υδροξειδίου διαλύεται σε διφθοριούχο αμμώνιο και θερμαίνεται σε πάνω από 1652°F (900°C), δημιουργώντας ένα τετηγμένο φθορίδιο του βηρυλλίου. Αφού χυτεύεται σε καλούπια, το φθορίδιο του βηρυλλίου αναμιγνύεται με τηγμένο μαγνήσιο σε χωνευτήρια και θερμαίνεται. Αυτό επιτρέπει στο καθαρό βηρύλλιο να διαχωριστεί από τη σκωρία (απόβλητο υλικό). Αφού διαχωρίστηκαν από τη σκωρία του μαγνησίου, οι σφαίρες βηρυλλίου που μετρούν περίπου 97 τοις εκατό καθαρό παραμένουν.

Η περίσσεια μαγνησίου καίγεται με περαιτέρω κατεργασία σε φούρνο κενού, αφήνοντας το βηρύλλιο να έχει καθαρό 99,99%.

Οι σφαίρες βηρυλλίου μετατρέπονται κανονικά σε σκόνη μέσω ισοστατικής συμπίεσης, δημιουργώντας σκόνη η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή κραμάτων κράματος βηρυλλίου-αλουμινίου ή προστατευτικών μεταλλικών ασπίδων από βηρύλλιο.

Το βηρύλλιο μπορεί επίσης εύκολα να ανακυκλωθεί από κράματα θραυσμάτων. Ωστόσο, η ποσότητα των ανακυκλωμένων υλικών είναι μεταβλητή και περιορισμένη λόγω της χρήσης τους σε τεχνολογίες διασποράς, όπως τα ηλεκτρονικά. Το βηρύλλιο που υπάρχει στα κράματα χαλκού-βηρυλλίου που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά είναι δύσκολο να συλλεχθεί και όταν συλλεχθεί πρώτα αποστέλλεται για ανακύκλωση χαλκού, το οποίο αραιώνει το περιεχόμενο βηρυλλίου σε ένα μη οικονομικό ποσό.

Λόγω της στρατηγικής φύσης του μετάλλου, είναι δύσκολο να επιτευχθούν ακριβή στοιχεία για το βηρύλλιο. Ωστόσο, η παγκόσμια παραγωγή εξευγενισμένων υλικών βηρυλλίου υπολογίζεται σε περίπου 500 μετρικούς τόνους.

Η εξόρυξη και ο καθαρισμός του βηρυλλίου στις ΗΠΑ, που αντιπροσωπεύει το 90% της παγκόσμιας παραγωγής, κυριαρχείται από τη Materialon Corp.Πρώην γνωστή ως Brush Wellman Inc., η εταιρεία εκμεταλλεύεται το ορυχείο Spor Mountain bertrandite στη Γιούτα και είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός και ραφιναριστής του μεταλλικού βηρυλλίου στον κόσμο.

Ενώ το βηρύλλιο εξευγενίζεται μόνο στις ΗΠΑ, το Καζακστάν και την Κίνα, το βηρύλαιο εξορύσσεται σε αρκετές χώρες, όπως η Κίνα, η Μοζαμβίκη, η Νιγηρία και η Βραζιλία.

Εφαρμογές:

Οι χρήσεις του βηρυλλίου μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε πέντε τομείς:

• Καταναλωτικά ηλεκτρονικά και τηλεπικοινωνίες
• Βιομηχανικά εξαρτήματα και εμπορική αεροδιαστημική
• Άμυνα και στρατιωτική
• Ιατρικός
• Αλλα

Πηγές:

Walsh, Kenneth Α. Χημεία και επεξεργασία του βηρυλλίου . ASM Intl (2009).Αμερικανική Γεωλογική Έρευνα. Brian W. Jaskula.Ένωση επιστήμης και τεχνολογίας του βηρυλλίου. Σχετικά με το Beryllium.Vulcan, Tom. Βασικά για το βηρύλλιο: Building On Strength ως κρίσιμο & στρατηγικό μέταλλο. Περίοδος Ορυκτών 2011 . Βηρύλλιο.