工業(yè)氫氧化鋁重溶重結(jié)晶制備高純氧化鋁試驗(yàn)研究

李中林，李思佳，耿繼業(yè)，林杰榜，李義兵，蘇積波，黃桃娥

(1.桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541000；2.百色百礦集團(tuán)有限公司，廣西 百色 533000； 3.廣西田東錦鑫化工有限公司，廣西 田東 531500)

高純氧化鋁(HPA)在高溫下具有較高的轉(zhuǎn)化率、較低的鈉含量[1]及較強(qiáng)的收縮性能，廣泛用于制備單晶材料、發(fā)光載體、激光材料、透明陶瓷材料等[2-3]。

目前，已有多種制備HPA工藝，但都存在一些優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)合有機(jī)鋁醇鹽水解法[4-6]可以獲得平均粒徑25 nm、分散性好、尺寸均一、球形顆粒α-Al2O3粉體，但制備條件要求極高，生產(chǎn)成本高；碳酸鋁銨結(jié)晶熱解法[7-8]和硫酸鋁銨結(jié)晶熱解法[9]工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，反應(yīng)母液可循環(huán)利用[10]，但制備過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢氣造成環(huán)境污染，且K、Ga、鹵素等雜質(zhì)很難去除；水熱合成法[11]生產(chǎn)周期短，成本低，是制備超細(xì)粉體的一種新工藝，但其反應(yīng)條件較為苛刻，需高溫高壓，反應(yīng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氫氣，易發(fā)生爆炸，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[12-13]；在拜耳法[14]基礎(chǔ)上，采用石灰法對(duì)拜耳法生產(chǎn)的高純鋁酸鈉溶液進(jìn)行深度脫硅，再脫鈉[15-16]、煅燒，所得Al2O3純度在99.9%左右[17]，鈉、硅雜質(zhì)含量有所降低[18]，但生產(chǎn)效率較低，燒結(jié)溫度過高。因此，研究在簡(jiǎn)單生產(chǎn)條件下，用低成本原料生產(chǎn)HPA有重要意義。

試驗(yàn)研究了以氫氧化鈉溶液溶解工業(yè)氫氧化鋁(Al(OH)3)，然后重結(jié)晶氫氧化鋁，焙燒制備高純氧化鋁。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)原料：工業(yè)氫氧化鋁(w(Al(OH)3)≥96.0%)由廣西某公司提供。

試驗(yàn)試劑：氫氧化鋁、氫氧化鈉，分析純；鹽酸，購(gòu)自廣東西隴科學(xué)股份有限公司。

試驗(yàn)設(shè)備：高純水處理器，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，紫外可見分光光度計(jì)，反應(yīng)釜，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，熒光光譜儀。

1.2 試驗(yàn)原理及方法

在一定溫度下，工業(yè)Al(OH)3用NaOH重溶為鋁酸鈉溶液(NaAl(OH)4)，此時(shí)，只有微量Fe2O3雜質(zhì)與NaOH反應(yīng)生成NaFe(OH)4進(jìn)入溶液；而溶于水中的SiO2與苛性堿在重溶和種分階段反應(yīng)生成的可溶性硅酸鈉(Na2SiO3)則繼續(xù)與NaAl(OH)4反應(yīng)生成水合鋁硅酸鈉沉淀(Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O)。種分所得Al(OH)3粉末中Na2O含量較高，這是Al(OH)3晶體慢慢長(zhǎng)大后發(fā)生團(tuán)聚，晶間和晶體內(nèi)會(huì)殘留和吸附一定量Na2O雜質(zhì)所致；最后，在酸性水熱條件下，用超聲沖擊使晶體中殘留的Na2O脫落，進(jìn)一步降低產(chǎn)物中Na2O含量。超聲波波長(zhǎng)短，近似直線傳播，能量較集中，對(duì)微粒具有分散沖擊作用，能夠滲透到Al(OH)3晶粒微孔中，且其產(chǎn)生的高壓、高強(qiáng)沖擊波可大幅度降低分子間的作用力，能有效阻止Na2O發(fā)生團(tuán)聚和吸附。整個(gè)過程中的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

稱取219.4 g NaOH和281.4 g工業(yè)Al(OH)3，用400 mL高純水在95 ℃水浴中攪拌至全部溶解，過濾后定容至1 000 mL。NaAl(OH)4溶液中，Na2O和Al2O3質(zhì)量濃度分別為170、184 g/L。加入5 g分析純Al(OH)3作為晶種，種分后過濾干燥，以熒光光譜法分析中間產(chǎn)物Al(OH)3粉末中主要雜質(zhì)含量；種分后中間產(chǎn)物Al(OH)3粉末經(jīng)過焙燒再與稀鹽酸一起加入反應(yīng)釜中，在200 ℃下反應(yīng)4 h，沉淀物洗滌過濾后干燥、磨細(xì)；在900 ℃下焙燒1.5 h，并在酸性環(huán)境下超聲加熱0.5 h，之后洗滌至中性，干燥后測(cè)定產(chǎn)物Al2O3中Na2O雜質(zhì)含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)Al(OH)3重溶及晶種分解除雜

2.1.1 水質(zhì)的影響

分別用去離子水和高純水配制1 000 mL NaAl(OH)4溶液，其中Na2O和Al2O3質(zhì)量濃度均為170、184 g/L。用鉬藍(lán)光度法和鄰菲啰啉分光光度法測(cè)定NaAl(OH)4中Si、Fe吸光度，結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)對(duì)溶液中雜質(zhì)含量的影響

由表1看出：2種水質(zhì)所得NaAl(OH)4溶液的Fe吸光度基本相等，表明去離子水不影響Fe2O3雜質(zhì)含量；去離子水配制的NaAl(OH)4溶液Si吸光度低于參比組溶液Si吸光度，這是因?yàn)槿ルx子水中Si含量較高，且配制參比溶液所用去離子水量高于配制NaAl(OH)4溶液，導(dǎo)致參比組中Si含量較高。綜合考慮，確定整個(gè)制備過程使用高純水。

2.1.2 分級(jí)過篩及洗滌的影響

取一定體積Na2O和Al2O3質(zhì)量濃度分別為170、184 g/L的NaAl(OH)4溶液，加入適量Al(OH)3晶種，于30 ℃下種分48 h。對(duì)種分后的部分溶液分級(jí)過篩(用325#945 μm網(wǎng)篩)，篩上和篩下的中間產(chǎn)物Al(OH)3分別干燥后，以熒光光譜法測(cè)定Al(OH)3中主要雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；剩余溶液分別洗滌一次和多次，過濾干燥后分析雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 分級(jí)過篩及洗滌對(duì)產(chǎn)品中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表2看出：篩下物Al(OH)3中SiO2和Na2O雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于篩上物，這是因?yàn)槲捶旨?jí)過篩的Al(OH)3顆粒較大，晶間和晶體中殘留的雜質(zhì)更多；洗滌對(duì)SiO2和Fe2O3雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，這是因?yàn)橄礈靸H能洗去溶液中大部分未反應(yīng)的Na2O，無法脫除殘留在晶體中的雜質(zhì)。

2.1.3 Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度的影響

將Na2O和Al2O3質(zhì)量濃度170、184 g/L視為D，配制Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度分別為0.50D、0.75D、1.00D和1.25D的NaAl(OH)4溶液各1 000 mL，每組加入5 g晶種，30 ℃下種分48 h， 考察Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度對(duì)Al(OH)3產(chǎn)物中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度對(duì)產(chǎn)物Al(OH)3雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖1看出：隨Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度升高，中間產(chǎn)物Al(OH)3干粉中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后略有升高，而Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較?。籒aAl(OH)4溶液中Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度為170、184 g/L時(shí)，Al(OH)3干粉中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，僅為8.0×10-4%。這表明：在溶解和種分過程中，只有微量Fe2O3進(jìn)入溶液，而可溶性SiO2與NaOH生成的Na2SiO3則與NaAl(OH)4反應(yīng)生成沉淀；隨溶液中Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度升高，溶液苛性比增大，對(duì)去除SiO2更有利；但Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度過大，則溶液黏度會(huì)增大，容易發(fā)生團(tuán)聚，反而不利于雜質(zhì)的去除。

2.1.4 種分溫度的影響

配制5份1 000 mL NaAl(OH)4溶液，其中Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度均為170、184 g/L，在不同溫度下種分48 h。種分溫度對(duì)中間產(chǎn)物Al(OH)3干粉中SiO2和Fe2O3雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 種分溫度對(duì)Al(OH)3產(chǎn)物中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖2看出，種分溫度在30～45 ℃條件下，種分溫度較低時(shí)，雜質(zhì)含量較低，Al(OH)3純度更高。體系溫度較低時(shí)，溶液黏度較大，晶核較多，形成的Al(OH)3顆粒較小，晶體對(duì)雜質(zhì)的作用力較小，雜質(zhì)殘留和吸附得更少；但溫度過低，漿料黏度過大，不利于雜質(zhì)的去除。為提高分解速度、降低中間產(chǎn)物Al(OH)3干粉中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，需要采用起始始溫度較高并逐漸降溫的控溫方式進(jìn)行種分。

2.1.5 種分時(shí)間的影響

配制5份1 000 mL NaAl(OH)4溶液，其中Na2O和Al2O3初始質(zhì)量濃度分別為170、184 g/L，在30 ℃下進(jìn)行種分。種分時(shí)間對(duì)中間產(chǎn)物Al(OH)3干粉中SiO2和Fe2O3雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 種分時(shí)間對(duì)Al(OH)3產(chǎn)物中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖3看出：中間產(chǎn)物Al(OH)3干粉中SiO2雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨種分時(shí)間延長(zhǎng)先降低后升高，在36～60 h時(shí)間范圍內(nèi)去除效果較好；Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，溶液苛性比隨種分時(shí)間延長(zhǎng)而增大；種分時(shí)間過長(zhǎng)，晶體顆粒過大，晶間和晶體對(duì)雜質(zhì)作用力增大，晶間和晶體包裹的雜質(zhì)會(huì)更多；但過早停止種分不僅會(huì)降低Al(OH)3產(chǎn)率，也會(huì)降低溶液苛性比，使SiO2和Fe2O3雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。綜合考慮，種分時(shí)間以60 h為宜。

2.2 料液酸度的影響

表3為料液酸度對(duì)最終產(chǎn)物Al2O3中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：與高純水(鹽酸質(zhì)量濃度為0)相比，料液中添加適量鹽酸，最終產(chǎn)物Al2O3中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)顯著降低；隨鹽酸質(zhì)量濃度增大，Al2O3產(chǎn)物中Na2O雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；用質(zhì)量濃度100 g/L的鹽酸溶液深度脫鈉效果最好，Al2O3產(chǎn)物中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)可低至3.8×10-2%。在超聲波沖擊下，熱的酸性環(huán)境中，焙燒中間產(chǎn)物Al(OH)3得到的Al2O3晶間和晶體中殘留的Na2O發(fā)生脫落，但脫落Na2O的物質(zhì)的量是一定的。

表3 鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)最終產(chǎn)物Al2O3中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.3 種分產(chǎn)物的形貌

圖4為Al(OH)3種分產(chǎn)物的SEM照片?？梢钥闯?，Al(OH)3晶體形貌為塊狀顆粒上附著類似于金字塔的細(xì)小圓錐形顆粒。結(jié)合Al(OH)3結(jié)晶機(jī)制可知：結(jié)晶早期，NaAl(OH)4溶液處于過飽和狀態(tài)，主金字塔側(cè)面通過填充扭結(jié)部位形成次金字塔并繼續(xù)生長(zhǎng)，次生金字塔出現(xiàn)在前核簇中，金字塔底部則通過填充螺旋結(jié)構(gòu)的方式逐漸展開；結(jié)晶后期，溶液過飽和度慢慢降低，側(cè)面僅通過填充扭結(jié)部位而生長(zhǎng)，螺旋結(jié)構(gòu)也逐漸收縮變形，初始階段的錐形顆粒漸漸變形為最終的塊狀顆粒。

圖4 Al(OH)3種分產(chǎn)物的SEM照片

3 結(jié)論

Al(OH)3重溶時(shí)，只有微量Fe2O3會(huì)與苛性堿反應(yīng)進(jìn)入到溶液中，而可溶性SiO2在重溶和種分過程中與NaOH反應(yīng)生成的NaSiO3則會(huì)與NaAl(OH)4反應(yīng)生成沉淀。采用起始溫度較高并逐漸降低的控溫方式，將較高濃度NaAl(OH)4溶液置于30 ℃溫度下進(jìn)行種分，延長(zhǎng)種分時(shí)間至60 h左右，中間產(chǎn)物Al(OH)3晶體中SiO2雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3.0×-3%，F(xiàn)e2O3雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5.0×10-3%， 但殘留和吸附的Na2O雜質(zhì)含量相對(duì)較高，需要進(jìn)一步去除。在超聲波的沖擊下，熱稀酸中晶體殘留的部分NaAl(OH)4被脫除，最終的Al2O3產(chǎn)物中Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降至3.8×10-2%左右，純度可達(dá)99.9%。