硫酸鋁制備高純氧化鋁

1、硫酸鋁制備高純氧化鋁 目目 錄錄v第一章 概述v第二章 氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途v第三章 原料中雜質(zhì)的去除方法的設(shè)計(jì)v第四章 原料反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)v第五章 具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)v結(jié)束語(yǔ)v參考文獻(xiàn)v致謝第一章 概述1.1引言v 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是航天航空技術(shù)的高速發(fā)展、大規(guī)模原子能的利用和海洋開(kāi)發(fā)等新興工業(yè)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了越來(lái)越高的要求。在許多方面，傳統(tǒng)的金屬或合金材料已經(jīng)難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。這些都促進(jìn)了人們對(duì)材料的研究逐步擺脫單純依靠經(jīng)驗(yàn)的摸索方法，而向著按照預(yù)定性能設(shè)計(jì)新材料的研究方向發(fā)展。 v 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高純、超細(xì)- Al2O3 的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，引進(jìn)和消化吸

2、收的氧化鋁高技術(shù)材料生產(chǎn)線增加，使得高純、超細(xì)- Al2O3 的研究、開(kāi)發(fā)成為一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域。生產(chǎn)1t多品種Al2O3 可獲利潤(rùn)為等量級(jí)的冶金級(jí)Al2O3 的10倍，甚至100倍，可創(chuàng)造相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，迅速開(kāi)發(fā)一種低成本、具有競(jìng)爭(zhēng)力的高純、超細(xì)- Al2O3 的新方法顯得尤為重要。高純氧化鋁粉體已成為先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料中的一大重要分支，是20世紀(jì)以來(lái)新材料產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)量大、產(chǎn)值高、用途廣的高端材料產(chǎn)業(yè)之一。第一章 概述1.2.1 國(guó)外氧化鋁制備的發(fā)展現(xiàn)狀v 目前國(guó)外制備高純氧化鋁方法有硫酸鋁銨熱裂法，有機(jī)金屬化合物水解法， 氯乙醇法，火花放電法， 碳酸鋁銨熱裂法和改進(jìn)的拜耳法等。硫酸

3、鋁銨熱裂法制得的氧化鋁含量在9998以上，但此法成本高；有機(jī)金屬化合物水解法得到的氧化鋁粒度細(xì)和含量大于99.995， 成本低；氯乙醇法得到的氧化鋁含量在99.99以上，副產(chǎn)品得到的氯乙醇可循環(huán)使用?；鸹ǚ烹姺ǖ玫降难趸X純度視原料鋁的質(zhì)量而定； 碳酸鋁銨熱裂法得到粒狀0.1O.5m高純度和燒結(jié)性良好的氧化鋁;改進(jìn)的拜耳法得到粒度小于1m的氧化鋁;在上述制備高純氧化鋁的方法中,以有機(jī)金屬化合物水解制得的氧化鋁純度較高和成本低。1.2 高純氧化鋁制備的發(fā)展現(xiàn)狀(1) (1) 火花放電法火花放電法v 利用水溶液在高電壓下放電的原理， 由鋁電極制得的水合氧化鋁經(jīng)焙燒得到氧化鋁。直徑1.01.5m的高

4、純粒狀鋁浸入反應(yīng)器內(nèi)的無(wú)離子水內(nèi)。在24KV高電壓下每秒1，200次火花放電。由電能使粒狀鋁生成粉末狀鋁。同時(shí)使水分解成氫氧離子。粉末狀鋁與氫氧離子反應(yīng)生成水合氧化鋁。由于火花放電沖擊，產(chǎn)生的氣體激烈地?cái)嚢枇钿X。使全部粒狀鋁的表面產(chǎn)生放電， 防止粒狀鋁熔融。水合氧化鋁經(jīng)焙燒后得到- Al2O3 。- Al2O3的純度視原料鋁的質(zhì)量而定。第一章 概述（2) 2) 碳酸氫銨熱解法碳酸氫銨熱解法v 碳酸氫銨濃度為每升大于 1摩爾。在反應(yīng)溫度35時(shí)，銨明礬與碳酸氫銨摩爾比為1015。若每升小于1摩爾的碳酸氫銨濃度,不能生成碳酸鋁銨而生成水合氧化鋁。摩爾比大于10時(shí)，生成碳酸鋁銨與水合氧化鋁混合物。摩

5、爾比大于1 5 時(shí)，不能得到合適的粒狀。在反應(yīng)溫度25時(shí)，生成碳酸鋁銨和水合氧化鋁混合物。 v 此法易控制產(chǎn)品- Al2O3粒度大小。最大的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生三氧化硫氣體。在最佳工藝條件下 ，生成較大直徑0.91.2u m和較小直徑0.50.9 u m的橢圓形碳酸鋁銨。經(jīng)烈裂后得到粒狀0.10.5m高純度和燒結(jié)性良好的氧化鋁。 第一章 概述（3) 3) 改良拜耳法改良拜耳法v 拜耳法是由鋁土礦制氧化鋁。鋁土礦含50%左右的氧化鋁，其余含雜質(zhì)氧化硅 ,氧化鐵和氧化鈦。用熱氫氧化鈉溶液萃取鋁土礦中氧化鋁，并分離不溶于堿溶液的雜質(zhì)。但拜耳法僅能生產(chǎn)含2%左右鈉含量和0.1%左右的鐵和硅含量的氧化鋁。v 用

6、不同的方法除去鈉，鐵和二氧化硅： v(1)除去鐵采用共沉淀法。 v(2)除去二氧化硅采用二氧化硅，氧化鋁與碳酸鈉溶液反應(yīng)生成沸石。 v 直接從水合氧化鋁和氧化鋁中除去鈉：v(1)氧化鋁或水合氧化鋁與鹽酸或硼酸焙燒，雜質(zhì)鈉轉(zhuǎn)變或可溶性鹽，再用水洗。 v(2)水合氧化鋁在400焙燒生成氧化鋁，再用水洗除去鈉。改良型拜耳法由于控制水合氧化鋁沉淀的條件，水合氧化鋁的焙燒和氧化鋁的磨碎，故得到小于1m的粒子。 第一章 概述1.2.21.2.2國(guó)內(nèi)高純氧化鋁的制備方法國(guó)內(nèi)高純氧化鋁的制備方法。 v(1)(1)中和沉淀法中和沉淀法v 關(guān)于此法有很多研究，其原理大致相似。采用工業(yè)硫酸溶解工業(yè)氫氧化鋁(或工業(yè)硫

7、酸鋁)，經(jīng)溶液精制，氨水中和析出Al(OH)3 nH2O，烘干、煅燒得- Al2O3 。 v(2)(2)噴霧熱解法噴霧熱解法v噴霧熱分解法(spray pyrolysis，簡(jiǎn)稱SP法)，SP法是一種較理想的新方法，但目前在用該方法制備氧化鋁細(xì)粉的研究中，多采用硝酸鋁為原料，劉粵惠、蘇雪筠等 在比較了幾種原料性質(zhì)的基礎(chǔ)上，選用硫酸鋁銨為SP法前驅(qū)體，在自制裝置上，制取了高純氧化鋁超細(xì)粉。 第一章 概述v(3) (3) 有機(jī)鋁醇鹽水解有機(jī)鋁醇鹽水解v 有機(jī)鋁水解主要有醇鋁即烷氧基鋁水解和烷基鋁水解工藝。有機(jī)鋁醇鹽水解后得到溶膠，再經(jīng)處理得凝膠，經(jīng)解凝得超細(xì)粉前驅(qū)體，進(jìn)而得超細(xì)粉末。東北大學(xué)的付高峰

8、、畢詩(shī)文等用有機(jī)鋁鹽中的異丙醇鋁水解對(duì)- Al2O3的影響進(jìn)行了研究。v 研究發(fā)現(xiàn)： 異丙醇鋁水解能夠制取純度大于9998，粒度分布范圍較窄的超細(xì)- Al2O3 ； 水解體系pH值對(duì)異丙醇鋁水解產(chǎn)物有較大影響； 異丙醇鋁水解產(chǎn)物煅燒過(guò)程由勃母石凝膠經(jīng)無(wú)定形Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的- Al2O3 。第一章 概述2.1 2.1 氧化鋁的性質(zhì)和用途氧化鋁的性質(zhì)和用途2.1.1 2.1.1 氧化鋁的性質(zhì)氧化鋁的性質(zhì)v 純氧化鋁(Al2O3)是白色無(wú)定形粉末，俗稱礬土，密度為3.94.0g/cm3,熔點(diǎn)為2050，沸點(diǎn)為2980，不溶于水，為兩性氧化物，能溶于無(wú)機(jī)酸和堿性溶液中。有五種同素異形體：無(wú)定形氧

9、化鋁，- Al2O3 ，- Al2O3 ，- Al2O3 ，- Al2O3 ，主要有- Al2O3和- Al2O3 。其中，- Al2O3 是最硬最致密的結(jié)構(gòu)，最適合作客料或陶瓷應(yīng)用。隨著溫度的升高，所有氧化鋁的晶型最終都能轉(zhuǎn)化成- Al2O3。其晶型轉(zhuǎn)變過(guò)程為： 無(wú)定型Al2O3 - Al2O3- Al2O3 - Al2O3 - Al2O3 ，其個(gè) 階 段 的 轉(zhuǎn) 化 溫 度 分 別 為 4 5 0 7 5 0 ， 7 5 0 9 3 0 ，9301030,10301200。第二章第二章 氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途2.1.2氧化鋁的用途 v Al2O3是一種特殊

10、的共價(jià)金屬氧化物，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)。由于這個(gè)性質(zhì)，使它在材料方面有著廣泛地應(yīng)用范圍。 Al2O3陶瓷是在多芯片式封裝陶瓷多層電子基板材料、透明窗口材料、熒光載體、陶瓷傳感器、生物陶瓷、固定化酶載體以及其他功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷方面，有著極其重要的作用， Al2O3精細(xì)陶瓷被認(rèn)為是通向21世紀(jì)高技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)材料之一，隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)原材料的要求越來(lái)越高，如粒度的超細(xì)化、顆粒的均勻化、組分高純化、低的燒結(jié)溫度等等。第二章第二章 氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途2.2 2.2 氫氧化鋁的性質(zhì)及用途氫氧化鋁的性質(zhì)及用途2.2.1 2.2.1 氫氧化鋁的性質(zhì)氫氧化鋁的性質(zhì)

11、v 氫氧化鋁（aluminum hydroxide），化學(xué)式Al(OH)3，是鋁的氫氧化物。是一種堿，由于又顯一定的酸性，所以又可稱之為鋁酸（H3AlO3），但實(shí)際與堿反應(yīng)時(shí)生成的是偏氯酸鹽，因此通常在把它視作一水合偏鋁酸（HAlO2H2O）第二章第二章 氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途2.2.2 2.2.2 氫氧化鋁的用途氫氧化鋁的用途v2.2.2.1 2.2.2.1 工業(yè)用氫氧化鋁工業(yè)用氫氧化鋁v 氫氧化鋁是用量最大和應(yīng)用最廣的無(wú)機(jī)阻燃添加劑。氫氧化鋁作為阻燃劑不僅能阻燃，而且可以防止發(fā)煙、不產(chǎn)生滴下物、不產(chǎn)生有毒氣體，因此，獲得較廣泛的應(yīng)用，使用量也在逐年增加。使

12、用范圍：熱固性塑料、熱塑性塑料、合成橡膠、涂料及建材等行業(yè)。第二章第二章 氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途v2.2.2.22.2.2.2醫(yī)藥用氫氧化鋁醫(yī)藥用氫氧化鋁v Al(OH)3（醫(yī)學(xué)稱胃舒平）對(duì)胃酸的分泌無(wú)直接影響，對(duì)胃內(nèi)已存的胃酸起中合或緩沖的化學(xué)反應(yīng)，可導(dǎo)致胃內(nèi)PH值升高?；瘜W(xué)方程式為：Al(OH)3+3HCl = AlCL3 + 3H2O從而使胃酸過(guò)多的癥狀得以緩解。其中和酸的能力比含鎂制劑和碳酸鈣為低，而比碳酸鋁、碳酸雙羥鋁鈉為高。另外，鋁離子在腸內(nèi)與磷酸鹽結(jié)合成不溶解的磷酸鋁自糞便排出。第二章第二章 氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用途氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)及用

13、途3.1 3.1 原料中雜質(zhì)硅的去除原料中雜質(zhì)硅的去除v 對(duì)于雜質(zhì)硅，由硅酸的性質(zhì)，當(dāng)PH在3.04.0范圍時(shí)，硅酸會(huì)以原硅酸的形式析出，只要過(guò)濾就能將硅雜質(zhì)除去。所以除硅的方法是：在配好硫酸鋁的溶液中，再滴加配制的濃度為1:3的稀H2SO4之前，先用精密pH試紙測(cè)溶液pH,因?yàn)榱蛩徜X溶液呈酸性，根據(jù)其溶液的密度不同，其溶液pH最低可達(dá)2.5。測(cè)過(guò)pH之后，如果溶液pH大于4.0，滴加配制的稀H2SO4 ，調(diào)pH在3.5左右（調(diào)pH的方法是往硫酸鋁溶液中滴加兩滴配制的稀H2SO4 ，用范圍為0.55.0的精密pH試紙測(cè)pH,當(dāng)pH為3.5左右時(shí)停止滴加）。pH調(diào)好后，用玻璃棒攪拌2分鐘之后，用

14、G4漏斗過(guò)濾。為了節(jié)省過(guò)濾時(shí)間，用抽濾機(jī)和抽濾瓶進(jìn)行抽濾。第三章 原料中雜質(zhì)的去除方法的設(shè)計(jì) 3.2 原料中雜質(zhì)鐵的去除 v 對(duì)于雜質(zhì)鐵離子，由于Fe2+在PH為1.0 2.0時(shí)，會(huì)被過(guò)氧化氫氧化為Fe3+，所以往除過(guò)硅的溶液中加入配制的稀H2SO4 （1:3），調(diào)PH為1.5。滴加幾滴30H2O2。攪拌2分鐘。一滴一滴的加入氨水，調(diào)PH大于2.0，因?yàn)镕e3+在pH為1.8時(shí)就會(huì)完全沉淀。滴加氨水后，由于產(chǎn)生的氫氧化鋁溶解緩慢，可以微熱燒杯，加速氫氧化鋁溶解。當(dāng)pH大于2.0時(shí)，用G4漏斗抽濾。向?yàn)V液中加入綠豆大小的鋁粉，攪拌12分鐘，目的是為了置換出其他較不活潑的金屬雜質(zhì)。用G4漏斗抽濾。

15、第三章 原料中雜質(zhì)的去除方法的設(shè)計(jì) 3.3 3.3 原料中雜質(zhì)鈉和鉀的去除原料中雜質(zhì)鈉和鉀的去除v 對(duì)于原料中的鈉離子和鉀離子，由于金屬鈉、鉀和鋁的化學(xué)活性較高，它們的離子完全溶解于水中，所以為了除去鈉離子和鉀離子，可以讓活性較低的鋁離子轉(zhuǎn)化成氫氧化鋁沉淀出來(lái)，再經(jīng)過(guò)清洗步驟將鈉離子和鉀離子除去。清洗的方法是：讓除過(guò)雜質(zhì)硅和鐵的硫酸鋁溶液與碳酸氫銨溶液反應(yīng)，生成沉淀氫氧化鋁，用G4漏斗過(guò)濾氫氧化鋁，將濾餅轉(zhuǎn)移到組織攪拌勻漿機(jī)中，加入2050倍的水（水的體積是濾餅體積的倍數(shù)）。攪拌10分鐘后，用布氏漏斗過(guò)濾。為了把鈉離子和鉀離子去除干凈（含量低于30ppm）,重復(fù)清洗步驟5次。第三章 原料中雜質(zhì)

16、的去除方法的設(shè)計(jì) 4.1.1 4.1.1 反應(yīng)生成氫氧化鋁反應(yīng)生成氫氧化鋁v 由于硫酸鋁溶液和碳酸氫銨溶液反應(yīng)有氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)較劇烈，所以采用并流法使兩溶液參與反應(yīng)。受實(shí)驗(yàn)條件限制，采用并流法時(shí)，所使用的實(shí)驗(yàn)儀器是廢棄的礦泉水瓶和沒(méi)使用過(guò)的輸液管各兩個(gè)。將去除過(guò)雜質(zhì)的硫酸鋁溶液加入到干凈的礦泉水瓶中，把溶解完全的NH4HCO3溶液加入到另一個(gè)干凈的礦泉水瓶中，用兩個(gè)干凈的輸液管，分別把NH4HCO3溶液和Al2(SO4)3溶液加入到干凈大燒杯中，由于反應(yīng)有氣泡產(chǎn)生，控制兩輸液管中溶液流量，且邊攪拌邊加入。溶液低價(jià)完全后，繼續(xù)攪拌，直至不再產(chǎn)生氣泡為止。第四章第四章 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)4.1.2 4.1.2 反應(yīng)生成高純氧化鋁反應(yīng)生成高純氧化鋁v 有文獻(xiàn)查的氫氧化鋁在400500時(shí)分解生成- Al2O3，- Al2O3在1200時(shí)完全轉(zhuǎn)化為- Al2O3。因此，在氫氧化鋁清洗干凈后，轉(zhuǎn)移到空坩堝中，在轉(zhuǎn)移前，稱量空坩堝質(zhì)量，然后把坩堝放入預(yù)熱到110的烘箱中烘1個(gè)小時(shí)，冷卻至室溫稱量。再把坩堝轉(zhuǎn)移到預(yù)熱到600的馬弗爐中，烤1個(gè)小時(shí)。冷卻至室溫稱量坩堝質(zhì)量。再把坩堝放入預(yù)熱到1200的馬弗爐中，烤一