硫酸铝制备高纯氧化铝

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 4.2

试验设计 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· 2O，烘 nH
干、煅烧得α - Al2O3 。


(2)喷雾热解法
喷雾热分解法(spray pyrolysis，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。
第二章
氧化铝和氢氧化铝的性质及用途 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
2.2.2.2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。
第一章 概述
1.2 高纯氧化铝制备的发展现状 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.5μ m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1μ m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。
第四章 4.1.1

试验设计
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1 5 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0.9~1.2u m和较小直径0.5～ 0.9 u m的椭圆形碳酸铝铵。经烈裂后得到粒状0.1～0.5μ m高纯度和烧 结性良好的氧化铝。
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 。
第三章 原料中杂质的去除方法的设计 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。
第一章 概述 (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1.0~1.5μ m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 氢氧化铝的性质及用途
2.2.1 氢氧化铝的性质

氢氧化铝（aluminum hydroxide），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· 2O） H
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1μ m的粒子。
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。
第二章
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。