碳分法制備易溶氫氧化鋁研究

韓東戰(zhàn)，樊大林，尹中林

（中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院，河南鄭州450041）

工業(yè)技術(shù)

碳分法制備易溶氫氧化鋁研究

韓東戰(zhàn)，樊大林，尹中林

（中國鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院，河南鄭州450041）

通過無晶種碳分法制備了易溶氫氧化鋁。研究了反應溫度、通氣速度、二氧化碳體積分數(shù)、鋁酸鈉溶液苛性比（氧化鈉與氧化鋁物質(zhì)的量比）等條件對氫氧化鋁酸溶率的影響。適宜工藝條件:反應溫度為65～75℃、通氣速度為400 L/h、二氧化碳體積分數(shù)為30%～38%、鋁酸鈉溶液苛性比為1.48。在此條件下制得氫氧化鋁酸溶率大于95%。X射線衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM）表征表明，物相組成是影響氫氧化鋁產(chǎn)品酸溶性的主要原因。

易溶氫氧化鋁；碳分；二氧化碳；酸溶率；晶體結(jié)構(gòu)

隨著國家對生活飲用水標準的提高，傳統(tǒng)飲用水用凈水劑聚合氯化鋁的生產(chǎn)工藝需要改良升級，以易溶氫氧化鋁代替普通氫氧化鋁為原料的低耗高效生產(chǎn)工藝，不但能降低能耗、節(jié)約成本，而且還能提高聚合氯化鋁的性能［1］。目前在中國對易溶氫氧化鋁的研究成為熱點［2-3］，但關(guān)于無晶種碳分法制備易溶氫氧化鋁報道較少，而且對碳分法制備易溶氫氧化鋁物相組成的分析鮮有報道。筆者通過無晶種碳分法制備了易溶氫氧化鋁，研究了反應溫度、鋁酸鈉溶液苛性比（Na2O與Al2O3物質(zhì)的量比）、通氣速度、二氧化碳體積分數(shù)對氫氧化鋁酸溶率的影響規(guī)律，運用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）對氫氧化鋁產(chǎn)品粒子的形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)進行了表征，并揭示了影響氫氧化鋁酸溶性的主要原因。

1 試驗方法

1.1 試驗原料及設備

原料:氫氧化鋁（工業(yè)級），氫氧化鈉（化學純），二氧化碳氣體（99.9%），氮氣（99.9%），質(zhì)量分數(shù)為36.5%鹽酸（化學純）。

設備:碳分法制易溶氫氧化鋁試驗裝置一套（3 L）；產(chǎn)品酸溶評價裝置一套。

1.2 原液配制

稱取一定量的氫氧化鋁和氫氧化鈉于燒杯中，在120℃溶解于去離子水中，待沸騰且基本溶清后過濾，得到試驗所需一定濃度的鋁酸鈉溶液。

1.3 易溶氫氧化鋁制備過程

移取2.0 L鋁酸鈉溶液于碳酸化分解反應槽中，控制溫度和攪拌速度（控溫精度為±1℃），控制CO2氣體體積分數(shù)和流量。在規(guī)定時間取樣分析，當樣品分解率達到設定值時停氣、出料，過濾、洗滌，得氫氧化鋁產(chǎn)品。

1.4 易溶氫氧化鋁酸溶評價試驗

日本昭和電工對易溶氫氧化鋁的主要評判條件:1）鹽酸質(zhì)量分數(shù)為 12.5%，酸溶溫度為 95～98℃，酸溶時間為200 min，Al（OH）3與HCl物質(zhì)的量比為1∶3；2）氫氧化鋁酸溶率＞95%，D50為50 μm左右；3）Al（OH）3酸溶率=（1-反應后剩余氫氧化鋁的質(zhì)量/反應前氫氧化鋁的質(zhì)量）×100%。

酸溶評價試驗:在三口燒瓶中加入一定量氫氧化鋁和12.5%鹽酸，待溫度升至設定溫度后開始計時，待反應結(jié)束后冷卻、過濾、洗滌、烘干，計算酸溶率。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 反應溫度對氫氧化鋁酸溶率及粒徑的影響

鋁酸鈉原液成分見表1。在通氣速度為400 L/h、二氧化碳體積分數(shù)為35%條件下，考察了反應溫度對氫氧化鋁酸溶率及粒徑的影響，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，氫氧化鋁酸溶率隨著反應溫度的升高而降低，平均粒徑隨著反應溫度的升高而增加。反應溫度為60℃時，氫氧化鋁酸溶率可達99.41%；反應溫度為90℃時，氫氧化鋁酸溶率僅為84.84%。當反應溫度為65～75℃時，氫氧化鋁粒徑D50為35～50 μm，酸溶率＞95%。溫度升高使鋁酸鈉溶液的黏度和表面張力降低，有利于擴散速度的提高，使晶體長大速度加快［4］。而反應溫度低且無晶種存在時，溶液黏度和表面張力大，促進二次成核過程，使產(chǎn)品粒度變細，而粒度較細的產(chǎn)品較為易溶。根據(jù)以上分析，適宜反應溫度為65～75℃。

表1 鋁酸鈉原液成分

圖1 反應溫度對氫氧化鋁酸溶率和粒度的影響

2.2 CO2體積分數(shù)和通氣速度對氫氧化鋁酸溶率的影響

在反應溫度為70℃、通氣速度為400 L/h、鋁酸鈉原液成分同表1條件下，考察了二氧化碳體積分數(shù)對氫氧化鋁酸溶率的影響，結(jié)果見表2。從表2可知，CO2體積分數(shù)越大氫氧化鋁酸溶率越大。這是因為，碳酸化分解反應為氣液反應，CO2體積分數(shù)越大鋁酸鈉分解速度越快，氫氧化鋁成核越多［5］，產(chǎn)品晶型越不穩(wěn)定，越有利于提高產(chǎn)品的酸溶率。

表2 CO2體積分數(shù)對氫氧化鋁酸溶率的影響

在反應溫度為70℃、二氧化碳體積分數(shù)為35%、鋁酸鈉原液成分同表1條件下，考察了CO2通氣速度對氫氧化鋁酸溶率的影響，結(jié)果見表3。由表3看出，CO2通氣速度越高氫氧化鋁酸溶率越大。CO2通氣速度對氫氧化鋁的硅含量影響較大［4］，通氣速度快，縮短分解時間，使分解的氫氧化鋁迅速與母液分離，可以減少SiO2的析出數(shù)量，降低產(chǎn)品中二氧化硅的含量。氫氧化鋁中的二氧化硅影響聚合氯化鋁的過濾性能，硅含量越高聚合氯化鋁越難過濾。綜合工廠實際條件，CO2適宜通氣速度為400L/h。

表3 CO2通氣速度對氫氧化鋁酸溶率的影響

2.3 鋁酸鈉溶液苛性比對氫氧化鋁酸溶率的影響

在反應溫度70℃、CO2通氣速度為400 L/h、CO2體積分數(shù)為35%條件下，考察了鋁酸鈉溶液苛性比對氫氧化鋁酸溶率的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可知，鋁酸鈉溶液苛性比對氫氧化鋁的酸溶率影響不大。但苛性堿濃度過高，對二氧化碳的吸收率會有不利影響。

圖2 鋁酸鈉溶液苛性比對氫氧化鋁酸溶率的影響

2.4 不同反應溫度制得氫氧化鋁SEM表征

鋁酸鈉原液成分見表4。在CO2體積分數(shù)為35%、CO2通氣速度為400 L/h條件下，在不同反應溫度下制備了氫氧化鋁產(chǎn)品，其SEM照片見圖3。

表4 鋁酸鈉原液成分

圖3 不同反應溫度制得氫氧化鋁SEM照片

碳分過程是一個氣、液參與的多相反應，由于碳分過程中溶液分解速度較快，一直處于較高的過飽和狀態(tài)，晶核的形成、長大、附聚合二次成核的過程同時發(fā)生，產(chǎn)品形貌、組成受溫度的影響比較大。從不同溫度產(chǎn)品的SEM照片可知，隨著反應溫度的升高，氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑逐漸增大，60、70℃產(chǎn)品顆粒呈簇狀，以少數(shù)粒子附聚為主，且粒度分布均勻；80、90℃產(chǎn)品形貌呈鑲嵌型，粒子間隙較小，粒徑較大，且分布不均勻。

2.5 不同反應溫度制得氫氧化鋁XRD表征

鋁酸鈉溶液成分同表4。在CO2體積分數(shù)為35%、CO2通氣速度為400 L/h條件下，在不同反應溫度下制備了氫氧化鋁產(chǎn)品，其XRD譜圖見圖4。由圖4可知，反應溫度影響產(chǎn)品的物相組成，溫度較高時容易形成三水鋁石，溫度偏低時形成拜耳石和諾爾石。反應溫度為60℃時，產(chǎn)品物相組成主要為諾爾石和拜耳石，其酸溶率為99.41%；反應溫度為70℃時，產(chǎn)品物相組成主要為諾爾石、拜耳石和三水鋁石，產(chǎn)品酸溶率為97.53%；反應溫度為90℃時，產(chǎn)品物相組成主要為諾爾石、拜耳石和三水鋁石，產(chǎn)品酸溶率為84.84%。隨著反應溫度的降低，氫氧化鋁產(chǎn)品中諾爾石和拜耳石含量增加，其酸溶率也逐漸變大，諾爾石增加幅度遠大于拜耳石。碳分過程CO2通氣量大，溶液過飽和度大，拜耳石和諾爾石型晶體發(fā)育不完善，屬于非晶質(zhì)氫氧化鋁［6］，存在有晶格缺陷或扭曲，酸溶反應自由能低、酸溶率高，其表面活性很大，易與鹽酸反應，與文獻報道［7］諾爾石易溶于10%鹽酸相符。因此，無晶種碳分產(chǎn)品的物相組成是影響酸溶率的主要因素。

圖4 不同反應溫度制得氫氧化鋁XRD譜圖

3 結(jié)論

1）采用無晶種碳分工藝，控制適宜條件，可以制備出酸溶率＞95%的易溶氫氧化鋁。2）分解溫度越低、二氧化碳濃度越大、通氣速度越大，產(chǎn)品酸溶率越高。3）無晶種碳分制備氫氧化鋁，晶型結(jié)構(gòu)和物相組成是影響產(chǎn)品酸溶率的主要因素，無晶種碳分產(chǎn)品中三水鋁石含量越高，酸溶率越低；諾爾石和拜耳石含量越高，酸溶率越高。

［1］ 韓東戰(zhàn).聚合氯化鋁制備技術(shù)研究進展［J］.河南化工，2012，29（5下）:3-6.

［2］ 晏永祥，劉少峰，陳枚燕，等.種分法制備易溶氫氧化鋁的工藝［J］.長沙理工大學學報:自然科學版，2013，10（2）:93-96.

［3］ 薛忠秀，王剛，周曉燕.易溶性氫氧化鋁生產(chǎn)方法及特性論述［J］.輕金屬，2011（1）:20-22.

［4］ 王志，楊毅宏，畢詩文，等.鋁酸鈉溶液碳酸化分解過程的影響因素［J］.有色金屬，2002，54（1）:43-46.

［5］ 上官正，王曉峰.碳分法制取高純氫氧化鋁微粉［J］.中南礦冶學院學報，1994，25（2）:182-185.

［6］ 仇振琢，魏旭華.商品氫氧化鋁的類別及其酸溶性比較［J］.廣州化工，1992，20（1）:60-65.

［7］ Milton C，Dwornik E J，F(xiàn)inkelman R B.Nordstrandite，Al（OH）3，from the green river formation in Rio Blanco County，Colorado［J］. American Mineralogist，1975，60:285-291.

聯(lián)系方式：zyy_hdz@rilm.com.cn

Study on synthesis of easing soluble aluminum hydroxide by carbonation decomposition

Han Dongzhan，F(xiàn)an Dalin，Yin Zhonglin
（Zhengzhou Research Institute of Chalco，Zhengzhou 450041，China）

The easily soluble aluminum hydroxide was prepared by carbonation decomposition.The effects of decomposition temperature，gas passing velocity，volume fraction of CO2，and caustic molar ratio（amount-of-substance ratio of sodium oxide to alumina）of sodium aluminate solution etc.on the aluminum hydroxide′s acid solubility were investigated.Results showed that the optimum conditions:the carbonation decomposition temperature was 65～75℃，gas passing velocity was 400 L/h，the volume fraction of CO2was 30%～38%，and the caustic molar ratio of sodium aluminate solution was 1.48.The acid soluble rate of the product was more than 95%under those conditions.The product was characterized by XRD and SEM，and the results showed the acid solubility mainly depended on the phase composition of aluminum hydroxide.

easing soluble aluminum hydroxide；carbonation decomposition；CO2；acid solubility；crystal structure

TQ133.1

A

1006-4990（2015）06-0047-03

2015-01-20

韓東戰(zhàn)（1977— ）男，碩士，高級工程師，主要從事特種氧化鋁研究與開發(fā)。