超聲場(chǎng)中偏鋁酸鈉溶液碳分制備氫氧化鋁

袁 杰，李 敏，袁著迪，何 超

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

氧化鋁粉體具有高硬度、高絕熱性、高絕緣性等物理性質(zhì)而廣泛應(yīng)用于耐磨材料、隔熱與絕緣材料，多孔高比表面積活性氧化鋁粉體常用作催化劑、吸附劑等[1]。氧化鋁制備常用氫氧化鋁作前驅(qū)體，目前氫氧化鋁的制備主要有熱分解法[2]、溶膠-凝膠法[3]、沉淀法、水熱法[4]、化學(xué)氣相沉積法等，但這些方法都存在或生產(chǎn)成本高、或工藝復(fù)雜等弊端。相對(duì)來說，二氧化碳碳酸化分解(碳分)偏鋁酸鈉溶液沉淀氫氧化鋁法操作簡(jiǎn)單，且粉體粒徑可控[5]。

超聲波是一種彈性機(jī)械振動(dòng)波，具有獨(dú)特的空化作用，而空化作用在溶液中可以產(chǎn)生微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)、湍動(dòng)效應(yīng)和聚能效應(yīng)。通過超聲波控制晶體結(jié)晶沉淀實(shí)現(xiàn)更小粒徑的產(chǎn)生已被證實(shí)[6-8]。

試驗(yàn)研究了通過超聲波強(qiáng)化偏鋁酸鈉溶液碳分沉淀氫氧化鋁粉體，考察了超聲波功率、結(jié)晶溫度、CO2流量等對(duì)氫氧化鋁晶體粒徑的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

偏鋁酸鈉溶液：用氫氧化鋁(分析純)溶解于氫氧化鈉(分析純)溶液制備。

CO2氣體：99.99%，高純，國瑞氣體公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

電子天平，0.000 1 g，上海力辰儀器科技有限公司；超聲波清洗器，KQ-400DE型，昆山舒美超聲儀器有限公司；集熱式電磁加熱攪拌器，DF-101S型，上海秋佐科學(xué)儀器有限公司；鼓風(fēng)干燥箱，101-0BS，力辰科技；激光粒度分析儀，MS2000型，英國馬爾文儀器有限公司；X射線衍射儀，Riguka D/max 2500型，日本電子株式會(huì)社。

1.3 試驗(yàn)原理與方法

表1 Al-H2O體系主要平衡反應(yīng)式及E-pH關(guān)系

圖1 Al-H2O體系的E-pH關(guān)系

偏鋁酸鈉溶液中通入CO2，溶液中發(fā)生的主要反應(yīng)見式(1)～(4)[9]。CO2通入氫氧化鈉溶液后，溶液苛性比下降，偏鋁酸鈉按式(2)分解；CO2與偏鋁酸鈉按式(3)反應(yīng)生成Al(OH)3。

(1)

(2)

2Al(OH)3+Na2CO3；

(3)

2NaAl(CO3)(OH)2+H2O。

(4)

偏鋁酸鈉溶液的配制：在塑料燒杯中，用去離子水溶解氫氧化鈉，水浴鍋中恒溫80 ℃；將氫氧化鋁粉末少量多次加入到氫氧化鈉溶液中，溶解后即得一定苛性比的偏鋁酸鈉溶液。溶液裝于廣口瓶中密封保存于鼓風(fēng)干燥箱(60 ℃)中備用。試驗(yàn)所用偏鋁酸鈉溶液苛性比為1.42，鋁元素濃度為1.54 mol/L。

氫氧化鋁粉體的制備：將裝有一定量偏鋁酸鈉溶液的錐形瓶置于超聲波清洗器和集熱式電磁攪拌器中加熱至預(yù)設(shè)溫度，向溶液中通入CO2氣體以析出氫氧化鋁沉淀。

粉體表征：用激光粒度分析儀測(cè)定粉體粒徑，X射線衍射儀(XRD)分析物相與晶型。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 超聲波功率對(duì)粉體粒徑的影響

取100 mL偏鋁酸鈉溶液2份,分別放入250 mL錐形瓶中，分別置于超聲波清洗器和集熱式電磁攪拌器中加熱至預(yù)定溫度60 ℃，然后以0.1 L/min流量通入CO2氣體，控制超聲波功率和機(jī)械攪拌速度，持續(xù)結(jié)晶15 min；過濾干燥后測(cè)定粉體粒徑。超聲波功率和機(jī)械攪拌速度對(duì)氫氧化鋁粉體平均粒徑和粒徑分布的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 超聲波功率和機(jī)械攪拌速度對(duì)氫氧化鋁粉體平均粒徑的影響

由圖2看出：隨超聲波功率逐漸增強(qiáng)，粉體平均粒徑呈先減小后增大的“U”形趨勢(shì)；相同條件下，超聲波場(chǎng)中的粉體粒徑較機(jī)械攪拌條件下的粒徑小。超聲波功率增強(qiáng)可以促進(jìn)溶液中成核速率增大，較短時(shí)間內(nèi)就可以產(chǎn)生較多的晶核；但晶核粒度較小，且團(tuán)聚現(xiàn)象較輕。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是超聲波作用于溶液介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，使溶液內(nèi)部存在一定微擾作用，粒子在溶液中的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，成核物質(zhì)分散更加均勻[10]；高速微沖流可以破壞已成核結(jié)晶體，使晶體縫隙處或枝晶處產(chǎn)生裂紋甚至斷裂；空化效應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓微氣泡長大爆炸也會(huì)導(dǎo)致附近的結(jié)晶體破碎或生長受抑制。綜合試驗(yàn)現(xiàn)象，確定超聲波適宜功率為320 W。

a—超聲波；b—機(jī)械攪拌。

2.2 碳分溫度對(duì)粉體粒徑的影響

取偏鋁酸鈉溶液100 mL于250 mL錐形瓶中，在超聲波清洗器中加熱至預(yù)定溫度后通入CO2氣體，氣體流量0.1 L/min，超聲波功率320 W，結(jié)晶時(shí)間15 min，過濾干燥后測(cè)定粉體粒徑。碳分溫度對(duì)氫氧化鋁粉體粒徑的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 碳分溫度對(duì)氫氧化鋁粉體粒徑的影響

由圖4看出：隨碳分溫度升高，氫氧化鋁粉體粒徑先逐漸減小，在50 ℃時(shí)中位粒徑(D50)降至7.509 μm；溫度繼續(xù)升高，粒徑又呈增大趨勢(shì)。

溫度對(duì)碳分過程有直接影響[11]，進(jìn)而影響氫氧化鋁粉體形貌與粒徑。偏鋁酸鈉溶液的過飽和度隨溫度升高而降低，碳分過程中溫度升高會(huì)導(dǎo)致分解反應(yīng)推動(dòng)力減小[12]；另外，溶液擴(kuò)散速率與晶體生長速率成正比，較高溫度有利于晶體的生長。因此，碳分溫度對(duì)晶體粒徑的影響較為復(fù)雜：溫度較低時(shí)，溶液黏度較大，溶液中粒子擴(kuò)散速率較低，結(jié)晶成核速率和晶體生長速率都受到抑制；溫度低于45 ℃后，會(huì)發(fā)生結(jié)晶附聚現(xiàn)象，導(dǎo)致粉體粒徑較大[13]；隨溫度升高，溶液黏度降低、布朗運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，結(jié)晶成核速率和晶體生長速率都大幅升高，晶體生長方式逐漸由小面化向粗糙化轉(zhuǎn)變，可能出現(xiàn)枝晶或晶體分形；碳分溫度高于55 ℃，晶體顆粒表面變粗、團(tuán)聚物表面出現(xiàn)纖維化[14]；此外，工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，分解溫度越低，氫氧化鋁晶體中所含不溶Na2O越多[15]。綜合考慮，確定碳分溫度以50 ℃為宜。

2.3 CO2流量對(duì)粉體粒徑的影響

其他條件相同，50 ℃下以不同流量通入CO2。CO2流量對(duì)氫氧化鋁粉體粒徑的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 CO2流量對(duì)氫氧化鋁粉體粒徑的影響

碳分過程中，氫氧化鋁晶體沉淀速度受CO2通入流量和通氣量影響，通氣速率太快或太慢都不利于晶體粒徑和形貌控制。當(dāng)以較快流量通入CO2時(shí)，溶液中產(chǎn)生白色沉淀時(shí)間較短，但所得粉體不規(guī)則、結(jié)構(gòu)疏松；但CO2流量過慢，產(chǎn)生的晶核量較少，易導(dǎo)致晶體過度生長而產(chǎn)生大顆粒粉體[16]。由圖5看出：CO2通入流量為0.1 L/min時(shí)，析出的氫氧化鋁粉體中位粒徑為9.786 μm；隨通入流量提高，粉體中位粒徑先降低而后升高；CO2流量高于0.5 L/min后，粉體中位粒徑急劇增大，這可能是過高的CO2流量加劇了液體攪拌強(qiáng)度，一定程度上促進(jìn)了晶體生長，這與工業(yè)生產(chǎn)中提高攪拌速度可產(chǎn)出更大粒徑氫氧化鋁顆粒結(jié)果一致[17]。綜合考慮，CO2通入流量以0.2 L/min為宜。

2.4 綜合試驗(yàn)

在50 ℃、CO2流量0.2 L/min、超聲波功率320 W、結(jié)晶時(shí)間15 min條件下進(jìn)行綜合試驗(yàn)。所得氫氧化鋁粉體的XRD分析結(jié)果如圖6所示，氫氧化鋁粉體粒徑分布如圖7所示。

圖6 氫氧化鋁粉體的XRD分析結(jié)果

圖7 氫氧化鋁粉體粒徑分布

由圖6看出：用偏鋁酸鈉溶液經(jīng)過碳分制備氫氧化鋁，粉體中除氫氧化鋁外，還含有少量NaAl(CO3)(OH)2，可通過高溫煅燒后用稀鹽酸溶液酸洗脫除。由圖7看出：在超聲波輔助下，所得氫氧化鋁粉體中位粒徑為5.565 μm。

3 結(jié)論

偏鋁酸鈉溶液碳分可制備氫氧化鋁粉體，以超聲波輔助，所得粉體更細(xì)。在溫度50 ℃、CO2流量0.2 L/min、超聲波功率320W、結(jié)晶時(shí)間15 min 條件下，所得氫氧化鋁粉體較細(xì)，中位粒徑為5.565 μm。