氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法研究

王大兵，李雪偉，崔海濱

（山東龍口東海氧化鋁有限公司，山東 煙臺 264000）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，電解鋁、陶瓷、醫(yī)藥、電子、機械等行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，作為這些行業(yè)重要原料之一的氧化鋁，得到市場廣泛需求，被用于分析試劑、有機溶劑的脫水、吸附劑、有機反應(yīng)催化劑、研磨劑、拋光劑、冶煉鋁的原料、耐火材料等[1]。促使氧化鋁生產(chǎn)成為比較大的工業(yè)部門之一，對國民經(jīng)濟的發(fā)展也起著重要作用。但是隨著這些行業(yè)研究日趨深入，對氧化鋁的生產(chǎn)也提出了更高的要求，目前制取氧化鋁粉的方法主要有：銨明礬熱分解、碳酸鋁銨熱分解、有機醇鹽法等[2]。但是這些方法在氧化鋁的生產(chǎn)過程中，會存在細小的雜質(zhì)，而雜質(zhì)會和鋁元素形成次晶相，影響高純氧化鋁的性能、質(zhì)量和用途，降低了產(chǎn)品的美觀度和等級，甚至在使用過程中產(chǎn)生安全事故。因此研究氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法，保證氧化鋁制品的安全質(zhì)量和產(chǎn)品等級。

1 研究氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法

氧化鋁生產(chǎn)中主要細小雜質(zhì)為Mg、Na及重金屬等，然而氧化鋁本身含有析出電位正于Al元素中的氧化物夾雜，如Fe2O3、SiO2和Ga2O3等，這些物質(zhì)也會在電解過程中被還原，給氧化鋁生產(chǎn)過程中帶來細小雜質(zhì)。氧化鋁生產(chǎn)中存在的這些細小雜質(zhì)不去除，會隨著PH升高與氫氧化鋁共同析出，從而影響產(chǎn)品的純度。

1.1 析出沉淀

氧化鋁在電解過程中，會形成氧化鋁溶液，其中析出電位正于Al元素中的氧化物夾雜，致使氧化鋁溶液中存在浮游物，影響氧化鋁加工生產(chǎn)。但是氧化鋁會和有機醇產(chǎn)生反應(yīng)，則有：

經(jīng)過對氧化鋁和有機醇的催化，產(chǎn)生醇鋁溶液，醇鋁溶液在水溶液中，Al會單純以離子狀態(tài)存在，但卻不是Al3+，而是Al(H2O)3+的形態(tài)存在，因此對醇鋁溶液進行水解，則有：

經(jīng)過水解作用，產(chǎn)生氫氧化鋁溶液。在這個過程中，有機醇會蒸發(fā)，PH值會不斷升高，隨著PH值的升高，水合鋁絡(luò)離子就會發(fā)生配位水分子離解，生成多種羥基鋁離子，從單核單羥基水合物水解成單核三羥基，最終生成氫氧化鋁將化學沉浮游物析出，析出的浮游物會沉淀在容器底部，留在反應(yīng)容器中，從而減少氧化鋁溶液中一些細小雜質(zhì)。

1.2 電解分離

氧化鋁生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)經(jīng)過析出沉淀作用，已經(jīng)去除一部分雜質(zhì)，氧化鋁中的雜質(zhì)已經(jīng)不明顯，但是經(jīng)過檢測，氧化鋁溶液依然不符合加工條件，無法進行下一步的生產(chǎn)，因此對氧化鋁顆粒進行第二步電解分離，再次去除氧化鋁溶液中存在的雜質(zhì)。

氧化鋁溶液電解條件下，陰極主反應(yīng)是析出Al，當電解電位的差值減小時，氧化鋁溶液中的雜質(zhì)可以在陰極共同電解分離，分離出的溶液雜質(zhì)大部分會被炭素陰極和內(nèi)襯所吸收，剩余的則進入Al液中，生成鈉，則有：

電解Al液中的Na含量主要受電解質(zhì)的摩爾比和電解槽溫度等因素影響，因此調(diào)整電解質(zhì)的摩爾比和電解槽溫度，依然不能有效去除Al液中的Na。故對氧化鋁溶液進行第三步，活性炭吸附作用。

1.3 活性炭吸附

經(jīng)過析出沉淀和電解作用，在氧化鋁溶液中存在的雜質(zhì)已經(jīng)無法再次析出沉淀和電解分離，因此進行第三步活性炭吸附，經(jīng)過活性炭吸附作用，再次清除氧化鋁中的雜質(zhì)。

將氫氧化鋁溶液高溫燒結(jié)，則有：

經(jīng)過高溫燒結(jié)作用，可以得到氧化鋁顆粒，該氧化鋁顆粒顏色純白，雖然已經(jīng)經(jīng)過析出沉淀和電解分離作用，但在氧化鋁顆粒上依然存在黑色斑點，證明氧化鋁純度不夠，存在極其細小的雜質(zhì)。經(jīng)過以上作用后，氧化鋁會以Al(H2O)4-的形式存在，使用活性炭會對氧化鋁中的雜質(zhì)產(chǎn)生影響，因此使用活性炭吸附去除氧化鋁顆粒上的細小雜質(zhì)。

使用活性炭吸附氧化鋁顆粒上的雜質(zhì)時，可以根據(jù)氧化鋁加工需求，選擇活性炭纖維、活性炭粉末和活性炭顆粒，吸附氧化鋁顆粒上的雜質(zhì)。

其中活性炭纖維吸附能力最強，表面積較大，有利于氧化鋁雜質(zhì)的擴散，促使氧化鋁雜質(zhì)更容易接觸到活性炭纖維的活性表面，從而進入活性炭微孔內(nèi)，使活性炭的吸附速率和脫附速率更快。因此在氧化鋁生產(chǎn)過程中，除特殊需求外，都會選擇活性炭纖維去除氧化鋁顆粒上的雜質(zhì)。在活性炭纖維吸附過程中，需要溫度達到一定平衡狀態(tài)，即吸附平衡等溫線。當Ka為吸附平衡速率常數(shù)，Kd為脫附速率常數(shù)，qmax為最大吸附量，qe為平衡吸附量，Ce為吸附平衡時吸附質(zhì)濃度，b為常數(shù)。則有：

當（1）式成立時，活性炭纖維吸附氧化鋁顆粒中的雜質(zhì)的吸附溫度達到平衡。當kF為表示吸附能力的強弱的常數(shù)，為表示吸附量隨吸附質(zhì)濃度增長強度的常數(shù)。則有：

2 實驗論證分析

為保證本文提出的氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法的有效性，進行實驗論證分析。因為主要研究的是對氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制，所以生產(chǎn)出的氧化鋁中存在的雜質(zhì)量是衡量氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法效果的衡量指標。故通過判定氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)存在率，對比本文提出的氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法與傳統(tǒng)控制方法。在實驗過程中，準備兩套一樣的氧化鋁制備器材，保證氧化鋁制取方法一致，使用不同的控制方法，控制氧化鋁中存在的雜質(zhì)。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 雜質(zhì)存在率對比圖

從圖1中可以看出，本文提出的氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法與傳統(tǒng)控制方法，對氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)存在率最高在40%以下，但是本文提出的控制方法比傳統(tǒng)控制方法控制雜質(zhì)后比傳統(tǒng)方法控制雜質(zhì)后，雜質(zhì)存在率低。雜質(zhì)存在率總體差在0.2～0.1之間，雜質(zhì)最高存在率在第四次實驗中，本文提出的方法雜質(zhì)存在率不超過20%，控制氧化鋁雜質(zhì)基本保持在3%～20%之間，然而傳統(tǒng)方法雜質(zhì)存在率卻達到40%，控制氧化鋁雜質(zhì)只能保持在20%～40%之間。由此可見，本文提出的氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法比傳統(tǒng)控制方法，可以更好地控制氧化鋁生產(chǎn)中存在的細小雜質(zhì)，保證氧化鋁生產(chǎn)品質(zhì)，氧化制品的安全質(zhì)量和產(chǎn)品等級。

3 結(jié)語

綜上所述，氧化鋁是我國工業(yè)生產(chǎn)的主要原材料之一，廣泛用于電解鋁、陶瓷、醫(yī)藥、電子、機械等行業(yè)，作為分析試劑、有機溶劑的脫水、吸附劑、有機反應(yīng)催化劑、研磨劑、拋光劑、冶煉鋁的原料、耐火材料等，但是氧化鋁生產(chǎn)中存在細小雜質(zhì)問題一直沒有很好地解決，影響氧化鋁工藝制品的質(zhì)量、美觀度、等級和安全。

因此本文提出對氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法研究具有是分重要的意義，通過實驗論證分析，本文研究出的氧化鋁生產(chǎn)中細小雜質(zhì)的控制方法，可以較好地控制氧化鋁生產(chǎn)中存在的細小雜質(zhì)，從而確保氧化鋁工藝制品的質(zhì)量、美觀度、等級和安全。但是本文對氧化鋁氧化鋁生產(chǎn)中的細小雜質(zhì)不能完美控制雜質(zhì)存在率在10%以下，還需不斷改進。因此還需不斷深入研究氧化鋁生產(chǎn)中存在細小雜質(zhì)的控制方法，將氧化鋁生產(chǎn)中存在的細小雜質(zhì)存在率控制在1%。