硫酸铝制备高纯氧化铝

硫酸铝制备高纯氧化铝目录第一章概述第二章氧化铝和氢氧化铝的性质及用途第三章原料中杂质的去除方法的设计第四章原料反应过程的设计第五章具体实验设计结束语参考文献致谢第一章概述1.1引言随着现代科学技术的进步，特别是航天航空技术的高速发展、大规模原子能的利用和海洋开发等新兴工业的出现，工业生产对结构材料提出了越来越高的要求。在许多方面，传统的金属或合金材料已经难以满足实际应用的需要。这些都促进了人们对材料的研究逐步摆脱单纯依靠经验的摸索方法，而向着按照预定性能设计新材料的研究方向发展。近年来，国内高纯、超细α-Al2O3的应用领域迅速拓宽，引进和消化吸收的氧化铝高技术材料生产线增加，使得高纯、超细α-Al2O3的研究、开发成为一个非常活跃的领域。生产1t多品种Al2O3可获利润为等量级的冶金级Al2O3的10倍，甚至100倍，可创造相当可观的经济效益。因此，迅速开发一种低成本、具有竞争力的高纯、超细α-Al2O3的新方法显得尤为重要。高纯氧化铝粉体已成为先进无机非金属材料中的一大重要分支，是20世纪以来新材料产业中产量大、产值高、用途广的高端材料产业之一。第一章概述1.2.1国外氧化铝制备的发展现状目前国外制备高纯氧化铝方法有硫酸铝铵热裂法，有机金属化合物水解法，氯乙醇法，火花放电法，碳酸铝铵热裂法和改进的拜耳法等。硫酸铝铵热裂法制得的氧化铝含量在99．98％以上，但此法成本高；有机金属化合物水解法得到的氧化铝粒度细和含量大于99.995％，成本低；氯乙醇法得到的氧化铝含量在99.99％以上，副产品得到的氯乙醇可循环使用。火花放电法得到的氧化铝纯度视原料铝的质量而定；碳酸铝铵热裂法得到粒状0.1～O.5μm高纯度和烧结性良好的氧化铝;改进的拜耳法得到粒度小于1μm的氧化铝;在上述制备高纯氧化铝的方法中,以有机金属化合物水解制得的氧化铝纯度较高和成本低。1.2高纯氧化铝制备的发展现状(1)火花放电法利用水溶液在高电压下放电的原理，由铝电极制得的水合氧化铝经焙烧得到氧化铝。直径1.0~1.5μm的高纯粒状铝浸入反应器内的无离子水内。在24KV高电压下每秒1，200次火花放电。由电能使粒状铝生成粉末状铝。同时使水分解成氢氧离子。粉末状铝与氢氧离子反应生成水合氧化铝。由于火花放电冲击，产生的气体激烈地搅拌粒状铝。使全部粒状铝的表面产生放电，防止粒状铝熔融。水合氧化铝经焙烧后得到α-Al2O3。α-Al2O3的纯度视原料铝的质量而定。第一章概述（2)碳酸氢铵热解法碳酸氢铵浓度为每升大于1摩尔。在反应温度35℃时，铵明矾与碳酸氢铵摩尔比为10~15。若每升小于1摩尔的碳酸氢铵浓度,不能生成碳酸铝铵而生成水合氧化铝。摩尔比大于10时，生成碳酸铝铵与水合氧化铝混合物。摩尔比大于15时，不能得到合适的粒状。在反应温度25℃时，生成碳酸铝铵和水合氧化铝混合物。此法易控制产品α-Al2O3粒度大小。最大的优点是不产生三氧化硫气体。在最佳工艺条件下，生成较大直径0.9~1.2um和较小直径0.5～0.9um的椭圆形碳酸铝铵。经烈裂后得到粒状0.1～0.5μm高纯度和烧结性良好的氧化铝。第一章概述（3)改良拜耳法拜耳法是由铝土矿制氧化铝。铝土矿含50%左右的氧化铝，其余含杂质氧化硅,氧化铁和氧化钛。用热氢氧化钠溶液萃取铝土矿中氧化铝，并分离不溶于碱溶液的杂质。但拜耳法仅能生产含2%左右钠含量和0.1%左右的铁和硅含量的氧化铝。用不同的方法除去钠，铁和二氧化硅：(1)除去铁采用共沉淀法。(2)除去二氧化硅采用二氧化硅，氧化铝与碳酸钠溶液反应生成沸石。直接从水合氧化铝和氧化铝中除去钠：(1)氧化铝或水合氧化铝与盐酸或硼酸焙烧，杂质钠转变或可溶性盐，再用水洗。(2)水合氧化铝在400℃焙烧生成氧化铝，再用水洗除去钠。改良型拜耳法由于控制水合氧化铝沉淀的条件，水合氧化铝的焙烧和氧化铝的磨碎，故得到小于1μm的粒子。第一章概述1.2.2国内高纯氧化铝的制备方法。(1)中和沉淀法关于此法有很多研究，其原理大致相似。采用工业硫酸溶解工业氢氧化铝(或工业硫酸铝)，经溶液精制，氨水中和析出Al(OH)3·nH2O，烘干、煅烧得α-Al2O3。(2)喷雾热解法喷雾热分解法(spraypyrolysis，简称SP法)，SP法是一种较理想的新方法，但目前在用该方法制备氧化铝细粉的研究中，多采用硝酸铝为原料，刘粤惠、苏雪筠等在比较了几种原料性质的基础上，选用硫酸铝铵为SP法前驱体，在自制装置上，制取了高纯氧化铝超细粉。第一章概述(3)有机铝醇盐水解有机铝水解主要有醇铝即烷氧基铝水解和烷基铝水解工艺。有机铝醇盐水解后得到溶胶，再经处理得凝胶，经解凝得超细粉前驱体，进而得超细粉末。东北大学的付高峰、毕诗文等用有机铝盐中的异丙醇铝水解对α-Al2O3的影响进行了研究。研究发现：①异丙醇铝水解能够制取纯度大于99．98％，粒度分布范围较窄的超细α-Al2O3；②水解体系pH值对异丙醇铝水解产物有较大影响；③异丙醇铝水解产物煅烧过程．由勃母石凝胶经无定形Al2O3转变为稳定的α-Al2O3。第一章概述2.1氧化铝的性质和用途2.1.1氧化铝的性质纯氧化铝(Al2O3)是白色无定形粉末，俗称矾土，密度为3.9﹣4.0g/cm3,熔点为2050，沸点为2980，不溶于水，为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中。有五种同素异形体：无定形氧化铝，α-Al2O3，β-Al2O3，δ-Al2O3，γ-Al2O3，主要有α-Al2O3和γ-Al2O3。其中，α-Al2O3是最硬最致密的结构，最适合作客料或陶瓷应用。随着温度的升高，所有氧化铝的晶型最终都能转化成α-Al2O3。其晶型转变过程为：无定型Al2O3→γ-Al2O3→δ-Al2O3→β-Al2O3→α-Al2O3，其个阶段的转化温度分别为450~750℃，750~930℃，930~1030℃,1030~1200℃。第二章氧化铝和氢氧化铝的性质及用途2.1.2氧化铝的用途Al2O3是一种特殊的共价金属氧化物，具有独特的晶体结构。由于这个性质，使它在材料方面有着广泛地应用范围。Al2O3陶瓷是在多芯片式封装陶瓷多层电子基板材料、透明窗口材料、荧光载体、陶瓷传感器、生物陶瓷、固定化酶载体以及其他功能陶瓷和结构陶瓷方面，有着极其重要的作用，Al2O3精细陶瓷被认为是通向21世纪高技术领域基础材料之一，随着高新技术的不断发展，对原材料的要求越来越高，如粒度的超细化、颗粒的均匀化、组分高纯化、低的烧结温度等等。第二章氧化铝和氢氧化铝的性质及用途2.2氢氧化铝的性质及用途2.2.1氢氧化铝的性质氢氧化铝（aluminumhydroxide），化学式Al(OH)3，是铝的氢氧化物。是一种碱，由于又显一定的酸性，所以又可称之为铝酸（H3AlO3），但实际与碱反应时生成的是偏氯酸盐，因此通常在把它视作一水合偏铝酸（HAlO2·H2O）第二章氧化铝和氢氧化铝的性质及用途2.2.2氢氧化铝的用途2.2.2.1工业用氢氧化铝氢氧化铝是用量最大和应用最广的无机阻燃添加剂。氢氧化铝作为阻燃剂不仅能阻燃，而且可以防止发烟、不产生滴下物、不产生有毒气体，因此，获得较广泛的应用，使用量也在逐年增加。使用范围：热固性塑料、热塑性塑料、合成橡胶、涂料及建材等行业。第二章氧化铝和氢氧化铝的性质及用途2.2.2.2医药用氢氧化铝Al(OH)3（医学称胃舒平）对胃酸的分泌无直接影响，对胃内已存的胃酸起中合或缓冲的化学反应，可导致胃内PH值升高。化学方程式为：Al(OH)3+3HCl===AlCL3+3H2O从而使胃酸过多的症状得以缓解。其中和酸的能力比含镁制剂和碳酸钙为低，而比碳酸铝、碳酸双羟铝钠为高。另外，铝离子在肠内与磷酸盐结合成不溶解的磷酸铝自粪便排出。第二章氧化铝和氢氧化铝的性质及用途3.1原料中杂质硅的去除对于杂质硅，由硅酸的性质，当PH在3.0~4.0范围时，硅酸会以原硅酸的形式析出，只要过滤就能将硅杂质除去。所以除硅的方法是：在配好硫酸铝的溶液中，再滴加配制的浓度为1:3的稀H2SO4之前，先用精密pH试纸测溶液pH,因为硫酸铝溶液呈酸性，根据其溶液的密度不同，其溶液pH最低可达2.5。测过pH之后，如果溶液pH大于4.0，滴加配制的稀H2SO4，调pH在3.5左右（调pH的方法是往硫酸铝溶液中滴加两滴配制的稀H2SO4，用范围为0.5~5.0的精密pH试纸测pH,当pH为3.5左右时停止滴加）。pH调好后，用玻璃棒搅拌2分钟之后，用G4漏斗过滤。为了节省过滤时间，用抽滤机和抽滤瓶进行抽滤。第三章原料中杂质的去除方法的设计3.2原料中杂质铁的去除对于杂质铁离子，由于Fe2+在PH为1.0~2.0时，会被过氧化氢氧化为Fe3+，所以往除过硅的溶液中加入配制的稀H2SO4（1:3），调PH为1.5。滴加几滴30％H2O2。搅拌2分钟。一滴一滴的加入氨水，调PH大于2.0，因为Fe3+在pH为1.8时就会完全沉淀。滴加氨水后，由于产生的氢氧化铝溶解缓慢，可以微热烧杯，加速氢氧化铝溶解。当pH大于2.0时，用G4漏斗抽滤。向滤液中加入绿豆大小的铝粉，搅拌1~2分钟，目的是为了置换出其他较不活泼的金属杂质。用G4漏斗抽滤。第三章原料中杂质的去除方法的设计3.3原料中杂质钠和钾的去除对于原料中的钠离子和钾离子，由于金属钠、钾和铝的化学活性较高，它们的离子完全溶解于水中，所以为了除去钠离子和钾离子，可以让活性较低的铝离子转化成氢氧化铝沉淀出来，再经过清洗步骤将钠离子和钾离子除去。清洗的方法是：让除过杂质硅和铁的硫酸铝溶液与碳酸氢铵溶液反应，生成沉淀氢氧化铝，用G4漏斗过滤氢氧化铝，将滤饼转移到组织搅拌匀浆机中，加入20~50倍的水（水的体积是滤饼体积的倍数）。搅拌10分钟后，用布氏漏斗过滤。为了把钠离子和钾离子去除干净（含量低于30ppm）,重复清洗步骤5次。第三章原料中杂质的去除方法的设计4.1.1反应生成氢氧化铝由于硫酸铝溶液和碳酸氢铵溶液反应有气泡产生，反应较剧烈，所以采用并流法使两溶液参与反应。受实验条件限制，采用并流法时，所使用的实验仪器是废弃的矿泉水瓶和没使用过的输液管各两个。将去除过杂质的硫酸铝溶液加入到干净的矿泉水瓶中，把溶解完全的NH4HCO3溶液加入到另一个干净的矿泉水瓶中，用两个干净的输液管，分别把NH4HCO3溶液和Al2(SO4)3溶液加入到干净大烧杯中，由于反应有气泡产生，控制两输液管中溶液流量，且边搅拌边加入。溶液低价完全后，继续搅拌，直至不再产生气泡为止。第四章试验设计4.1.2反应生成高纯氧化铝有文献查的氢氧化铝在400~500℃时分解生成γ-Al2O3，γ-Al2O3在1200℃时完全转化为α-Al2O3。因此，在氢氧化铝清洗干净后，转移到空坩埚中，在转移前，称量空坩埚质量，然后把坩埚放入预热到110℃的烘箱中烘1个小时，冷却至室温称量。再把坩埚转移到预热到600℃的马弗炉中，烤1个小时。冷却至室温称量坩埚质量。再把坩埚放入预热到1200℃的马弗炉中，烤一个小时。冷却至室温，称量坩埚质量。第四章试验设计4.2实验过程4.2.1实验原理该实验是利用硫酸铝与碳酸氢铵反应制备氢氧化铝，氢氧化铝在600下生成γ-Al2O3，在1200℃下γ-Al2O3转化为α-Al2O3。反应原理：（1）Al2(SO4)3+6NH4HCO3→2Al(OH)3+6CO2↑+3H2O+(NH4)2SO4（2）2Al(OH)3（600℃）→Al2O3+3H2O（3）γ-Al2O3（1200℃）→α-Al2O3第四章试验设计