韓東戰(zhàn)，樊大林，尹中林

（中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院，河南鄭州450041）

工業(yè)技術(shù)

碳分法制備易溶氫氧化鋁研究

韓東戰(zhàn)，樊大林，尹中林

（中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司鄭州研究院，河南鄭州450041）

通過(guò)無(wú)晶種碳分法制備了易溶氫氧化鋁。研究了反應(yīng)溫度、通氣速度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)、鋁酸鈉溶液苛性比（氧化鈉與氧化鋁物質(zhì)的量比）等條件對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響。適宜工藝條件:反應(yīng)溫度為65～75℃、通氣速度為400 L/h、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為30%～38%、鋁酸鈉溶液苛性比為1.48。在此條件下制得氫氧化鋁酸溶率大于95%。X射線衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM）表征表明，物相組成是影響氫氧化鋁產(chǎn)品酸溶性的主要原因。

易溶氫氧化鋁；碳分；二氧化碳；酸溶率；晶體結(jié)構(gòu)

隨著國(guó)家對(duì)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)飲用水用凈水劑聚合氯化鋁的生產(chǎn)工藝需要改良升級(jí)，以易溶氫氧化鋁代替普通氫氧化鋁為原料的低耗高效生產(chǎn)工藝，不但能降低能耗、節(jié)約成本，而且還能提高聚合氯化鋁的性能［1］。目前在中國(guó)對(duì)易溶氫氧化鋁的研究成為熱點(diǎn)［2-3］，但關(guān)于無(wú)晶種碳分法制備易溶氫氧化鋁報(bào)道較少，而且對(duì)碳分法制備易溶氫氧化鋁物相組成的分析鮮有報(bào)道。筆者通過(guò)無(wú)晶種碳分法制備了易溶氫氧化鋁，研究了反應(yīng)溫度、鋁酸鈉溶液苛性比（Na2O與Al2O3物質(zhì)的量比）、通氣速度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響規(guī)律，運(yùn)用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）對(duì)氫氧化鋁產(chǎn)品粒子的形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并揭示了影響氫氧化鋁酸溶性的主要原因。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

原料:氫氧化鋁（工業(yè)級(jí)），氫氧化鈉（化學(xué)純），二氧化碳?xì)怏w（99.9%），氮?dú)猓?9.9%），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%鹽酸（化學(xué)純）。

設(shè)備:碳分法制易溶氫氧化鋁試驗(yàn)裝置一套（3 L）；產(chǎn)品酸溶評(píng)價(jià)裝置一套。

1.2 原液配制

稱取一定量的氫氧化鋁和氫氧化鈉于燒杯中，在120℃溶解于去離子水中，待沸騰且基本溶清后過(guò)濾，得到試驗(yàn)所需一定濃度的鋁酸鈉溶液。

1.3 易溶氫氧化鋁制備過(guò)程

移取2.0 L鋁酸鈉溶液于碳酸化分解反應(yīng)槽中，控制溫度和攪拌速度（控溫精度為±1℃），控制CO2氣體體積分?jǐn)?shù)和流量。在規(guī)定時(shí)間取樣分析，當(dāng)樣品分解率達(dá)到設(shè)定值時(shí)停氣、出料，過(guò)濾、洗滌，得氫氧化鋁產(chǎn)品。

1.4 易溶氫氧化鋁酸溶評(píng)價(jià)試驗(yàn)

日本昭和電工對(duì)易溶氫氧化鋁的主要評(píng)判條件:1）鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12.5%，酸溶溫度為 95～98℃，酸溶時(shí)間為200 min，Al（OH）3與HCl物質(zhì)的量比為1∶3；2）氫氧化鋁酸溶率＞95%，D50為50 μm左右；3）Al（OH）3酸溶率=（1-反應(yīng)后剩余氫氧化鋁的質(zhì)量/反應(yīng)前氫氧化鋁的質(zhì)量）×100%。

酸溶評(píng)價(jià)試驗(yàn):在三口燒瓶中加入一定量氫氧化鋁和12.5%鹽酸，待溫度升至設(shè)定溫度后開(kāi)始計(jì)時(shí)，待反應(yīng)結(jié)束后冷卻、過(guò)濾、洗滌、烘干，計(jì)算酸溶率。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)氫氧化鋁酸溶率及粒徑的影響

鋁酸鈉原液成分見(jiàn)表1。在通氣速度為400 L/h、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為35%條件下，考察了反應(yīng)溫度對(duì)氫氧化鋁酸溶率及粒徑的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，氫氧化鋁酸溶率隨著反應(yīng)溫度的升高而降低，平均粒徑隨著反應(yīng)溫度的升高而增加。反應(yīng)溫度為60℃時(shí)，氫氧化鋁酸溶率可達(dá)99.41%；反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，氫氧化鋁酸溶率僅為84.84%。當(dāng)反應(yīng)溫度為65～75℃時(shí)，氫氧化鋁粒徑D50為35～50 μm，酸溶率＞95%。溫度升高使鋁酸鈉溶液的黏度和表面張力降低，有利于擴(kuò)散速度的提高，使晶體長(zhǎng)大速度加快［4］。而反應(yīng)溫度低且無(wú)晶種存在時(shí)，溶液黏度和表面張力大，促進(jìn)二次成核過(guò)程，使產(chǎn)品粒度變細(xì)，而粒度較細(xì)的產(chǎn)品較為易溶。根據(jù)以上分析，適宜反應(yīng)溫度為65～75℃。

表1 鋁酸鈉原液成分

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)氫氧化鋁酸溶率和粒度的影響

2.2 CO2體積分?jǐn)?shù)和通氣速度對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響

在反應(yīng)溫度為70℃、通氣速度為400 L/h、鋁酸鈉原液成分同表1條件下，考察了二氧化碳體積分?jǐn)?shù)對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，CO2體積分?jǐn)?shù)越大氫氧化鋁酸溶率越大。這是因?yàn)?，碳酸化分解反?yīng)為氣液反應(yīng)，CO2體積分?jǐn)?shù)越大鋁酸鈉分解速度越快，氫氧化鋁成核越多［5］，產(chǎn)品晶型越不穩(wěn)定，越有利于提高產(chǎn)品的酸溶率。

表2 CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響

在反應(yīng)溫度為70℃、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為35%、鋁酸鈉原液成分同表1條件下，考察了CO2通氣速度對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3看出，CO2通氣速度越高氫氧化鋁酸溶率越大。CO2通氣速度對(duì)氫氧化鋁的硅含量影響較大［4］，通氣速度快，縮短分解時(shí)間，使分解的氫氧化鋁迅速與母液分離，可以減少SiO2的析出數(shù)量，降低產(chǎn)品中二氧化硅的含量。氫氧化鋁中的二氧化硅影響聚合氯化鋁的過(guò)濾性能，硅含量越高聚合氯化鋁越難過(guò)濾。綜合工廠實(shí)際條件，CO2適宜通氣速度為400L/h。

表3 CO2通氣速度對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響

2.3 鋁酸鈉溶液苛性比對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響

在反應(yīng)溫度70℃、CO2通氣速度為400 L/h、CO2體積分?jǐn)?shù)為35%條件下，考察了鋁酸鈉溶液苛性比對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可知，鋁酸鈉溶液苛性比對(duì)氫氧化鋁的酸溶率影響不大。但苛性堿濃度過(guò)高，對(duì)二氧化碳的吸收率會(huì)有不利影響。

圖2 鋁酸鈉溶液苛性比對(duì)氫氧化鋁酸溶率的影響

2.4 不同反應(yīng)溫度制得氫氧化鋁SEM表征

鋁酸鈉原液成分見(jiàn)表4。在CO2體積分?jǐn)?shù)為35%、CO2通氣速度為400 L/h條件下，在不同反應(yīng)溫度下制備了氫氧化鋁產(chǎn)品，其SEM照片見(jiàn)圖3。

表4 鋁酸鈉原液成分

圖3 不同反應(yīng)溫度制得氫氧化鋁SEM照片

碳分過(guò)程是一個(gè)氣、液參與的多相反應(yīng)，由于碳分過(guò)程中溶液分解速度較快，一直處于較高的過(guò)飽和狀態(tài)，晶核的形成、長(zhǎng)大、附聚合二次成核的過(guò)程同時(shí)發(fā)生，產(chǎn)品形貌、組成受溫度的影響比較大。從不同溫度產(chǎn)品的SEM照片可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑逐漸增大，60、70℃產(chǎn)品顆粒呈簇狀，以少數(shù)粒子附聚為主，且粒度分布均勻；80、90℃產(chǎn)品形貌呈鑲嵌型，粒子間隙較小，粒徑較大，且分布不均勻。

2.5 不同反應(yīng)溫度制得氫氧化鋁XRD表征

鋁酸鈉溶液成分同表4。在CO2體積分?jǐn)?shù)為35%、CO2通氣速度為400 L/h條件下，在不同反應(yīng)溫度下制備了氫氧化鋁產(chǎn)品，其XRD譜圖見(jiàn)圖4。由圖4可知，反應(yīng)溫度影響產(chǎn)品的物相組成，溫度較高時(shí)容易形成三水鋁石，溫度偏低時(shí)形成拜耳石和諾爾石。反應(yīng)溫度為60℃時(shí)，產(chǎn)品物相組成主要為諾爾石和拜耳石，其酸溶率為99.41%；反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，產(chǎn)品物相組成主要為諾爾石、拜耳石和三水鋁石，產(chǎn)品酸溶率為97.53%；反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，產(chǎn)品物相組成主要為諾爾石、拜耳石和三水鋁石，產(chǎn)品酸溶率為84.84%。隨著反應(yīng)溫度的降低，氫氧化鋁產(chǎn)品中諾爾石和拜耳石含量增加，其酸溶率也逐漸變大，諾爾石增加幅度遠(yuǎn)大于拜耳石。碳分過(guò)程CO2通氣量大，溶液過(guò)飽和度大，拜耳石和諾爾石型晶體發(fā)育不完善，屬于非晶質(zhì)氫氧化鋁［6］，存在有晶格缺陷或扭曲，酸溶反應(yīng)自由能低、酸溶率高，其表面活性很大，易與鹽酸反應(yīng)，與文獻(xiàn)報(bào)道［7］諾爾石易溶于10%鹽酸相符。因此，無(wú)晶種碳分產(chǎn)品的物相組成是影響酸溶率的主要因素。

圖4 不同反應(yīng)溫度制得氫氧化鋁XRD譜圖

3 結(jié)論

1）采用無(wú)晶種碳分工藝，控制適宜條件，可以制備出酸溶率＞95%的易溶氫氧化鋁。2）分解溫度越低、二氧化碳濃度越大、通氣速度越大，產(chǎn)品酸溶率越高。3）無(wú)晶種碳分制備氫氧化鋁，晶型結(jié)構(gòu)和物相組成是影響產(chǎn)品酸溶率的主要因素，無(wú)晶種碳分產(chǎn)品中三水鋁石含量越高，酸溶率越低；諾爾石和拜耳石含量越高，酸溶率越高。

［1］ 韓東戰(zhàn).聚合氯化鋁制備技術(shù)研究進(jìn)展［J］.河南化工，2012，29（5下）:3-6.

［2］ 晏永祥，劉少峰，陳枚燕，等.種分法制備易溶氫氧化鋁的工藝［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，10（2）:93-96.

［3］ 薛忠秀，王剛，周曉燕.易溶性氫氧化鋁生產(chǎn)方法及特性論述［J］.輕金屬，2011（1）:20-22.

［4］ 王志，楊毅宏，畢詩(shī)文，等.鋁酸鈉溶液碳酸化分解過(guò)程的影響因素［J］.有色金屬，2002，54（1）:43-46.

［5］ 上官正，王曉峰.碳分法制取高純氫氧化鋁微粉［J］.中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，25（2）:182-185.

［6］ 仇振琢，魏旭華.商品氫氧化鋁的類別及其酸溶性比較［J］.廣州化工，1992，20（1）:60-65.

［7］ Milton C，Dwornik E J，F(xiàn)inkelman R B.Nordstrandite，Al（OH）3，from the green river formation in Rio Blanco County，Colorado［J］. American Mineralogist，1975，60:285-291.

聯(lián)系方式：zyy_hdz@rilm.com.cn

Study on synthesis of easing soluble aluminum hydroxide by carbonation decomposition

Han Dongzhan，F(xiàn)an Dalin，Yin Zhonglin
（Zhengzhou Research Institute of Chalco，Zhengzhou 450041，China）

The easily soluble aluminum hydroxide was prepared by carbonation decomposition.The effects of decomposition temperature，gas passing velocity，volume fraction of CO2，and caustic molar ratio（amount-of-substance ratio of sodium oxide to alumina）of sodium aluminate solution etc.on the aluminum hydroxide′s acid solubility were investigated.Results showed that the optimum conditions:the carbonation decomposition temperature was 65～75℃，gas passing velocity was 400 L/h，the volume fraction of CO2was 30%～38%，and the caustic molar ratio of sodium aluminate solution was 1.48.The acid soluble rate of the product was more than 95%under those conditions.The product was characterized by XRD and SEM，and the results showed the acid solubility mainly depended on the phase composition of aluminum hydroxide.

easing soluble aluminum hydroxide；carbonation decomposition；CO2；acid solubility；crystal structure

TQ133.1

A

1006-4990（2015）06-0047-03

2015-01-20

韓東戰(zhàn)（1977— ）男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事特種氧化鋁研究與開(kāi)發(fā)。