碎斑流纹岩制备刚玉的研究

李 玲，刘桂真，黄 瑶，郭 戈，李子颖

（1.湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062；2.北京铀矿地质研究院，北京100029）

刚玉是一种高熔点的氧化物晶体，有非常优良的物理和化学性能，在高温下仍具有很高的机械强度和化学稳定性，用其制造的精密微孔元件近年来广泛用于机械电子、生物医疗、航空航天及光电技术等领域［1］。目前制备刚玉的主要原料是铝土矿，但已探明的优质铝土矿储量有限，寻找其它代用资源的研究越来越受关注［2－5］。流纹岩是一种酸性火山喷出岩，其化学成分与花岗岩相同，因形成时冷却速度较快使矿物来不及结晶，其斑晶主要由钾长石和石英组成，其中硅、铝的成分较高［6］。在中国，主要分布在东南沿海一带［7］。

作者以碎斑流纹岩为原料，采用酸法处理，研究了制备刚玉的技术可行性，拟为拓展刚玉的制备方法提供参考。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

碎斑流纹岩。

Na2O2，HCl，H2SO4，NaOH，去离子水。

Optimal 8000型ICP原子发射光谱仪，美国PE；D／MAX－ⅢC型X－射线衍射仪，日本力学；马弗炉；反应釜；烘箱。

1.2 方法

1.2.1 刚玉的制备

对碎斑流纹岩进行原料分析，有针对性地除杂后，调节pH值制得较纯净的Al（OH）3，高温煅烧得刚玉。

具体制备过程是：将碎斑流纹岩、水、98%浓硫酸按不同的比例混合于反应釜中，放入烘箱，设置一定的温度反应一定时间，使其中的硅、铝最大程度地分离，过滤；滤液用稀NaOH溶液调节pH值至13，过滤，除去铁、镁、铜等杂质；滤液用稀硫酸调pH值至5.2，得到氢氧化铝沉淀，离心、洗涤，在低于100℃的温度下烘干，再装入坩埚中放入马弗炉中高温煅烧得刚玉。

1.2.2 分析测试

采用X－射线粉末衍射法分析碎斑流纹岩的物相组成。

将碎斑流纹岩经过氧化钠高温熔融－热水提取－盐酸酸化预处理，采用ICP－AES法测定碎斑流纹岩的主次元素含量。

准确称取0.2500g样品置于刚玉坩埚中，加入0.6g Na2O2，用玻璃棒搅匀后再加入0.8g Na2O2覆盖于样品表面。置于马弗炉中，升温至700℃并在该温度下加热熔融15min，取出坩埚稍冷后用适量热水提取于250mL聚四氟乙烯烧杯中，用5%的温热盐酸溶液和去离子水洗涤坩埚。搅拌下迅速转移至已加入50mL 36.8%盐酸溶液和50mL热水的250mL容量瓶中，洗净玻璃棒和烧杯，一并转入容量瓶中，待溶液完全冷却后定容至刻度，摇匀，放置。用移液管准确移取10.0mL所配溶液于100mL容量瓶中，补加9.00 mL盐酸溶液，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，放置后直接进行ICP－AES测试。

2 结果与讨论

2.1 碎斑流纹岩的成分分析

碎斑流纹岩的XRD图谱见图1。

图1 流纹岩的XRD图谱Fig.1 XRD Pattern of porphyroclastic rhyolite

由图1可知，2θ为20°～30°的区域出现比较宽大的衍射峰，表明了玻璃相的存在。玻璃相是碎斑流纹岩在高温状态下迅速冷却形成的，在碎斑流纹岩中占很大比例，玻璃相中的铝与硅经高温化合，为非活性体，这使得碎斑流纹岩中铝、硅分离的难度增大。

碎斑流纹岩的化学组成见表1。

表1 碎斑流纹岩的化学组成／%Tab.1 Chemical constituents of porphyroclastic rhyolite／%

由表1可知，碎斑流纹岩中硅、铝的含量相对较高，硅铝分离至关重要。

2.2 硅、铝分离条件的优化

采用酸提取法分离硅、铝。将不同比例的碎斑流纹岩、水、98%浓硫酸混合于反应釜中，在100℃的烘箱中反应4h，冷却，取出反应釜，稍稀释后过滤，将滤液移入250mL容量瓶中，冷却至室温，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，放置待用。从250mL容量瓶中用移液管准确移取10.00mL溶液于100mL的容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，放置后直接进行ICP－AES测试，结果见表2。

由表2可知，在原料配比为2.5g流纹岩∶8mL水∶12mL 98%浓硫酸时，硅、铝几乎完全分离，并且铝的提取率也高于其它实验组。

2.3 氢氧化铝的制备

将分离硅后的滤液用氢氧化钠溶液调节pH值至13，在此pH值条件下，铝以铝酸钠的形式存在于溶液中，而铁、镁、铜等一些非两性的金属元素以沉淀形式存在（表3），沉淀同时吸附钛等杂质。过滤，滤液用稀硫酸调节pH值至5.2，此时氢氧化铝完全沉淀，离心分离沉淀，并且用蒸馏水洗后再次离心分离。将沉淀在低于100℃的温度下烘干，得到较纯的干燥氢氧化铝。

表2 按不同比例混合反应处理后测得的硅、铝含量Tab.2 Content of silicon and aluminum treated by mixing reaction with different proportions

表3 各沉淀物的pH值Tab.3 The pH value of different precipitates

在其它条件都相同的情况下，比较了分别用稀硫酸和盐酸调节pH值得到的氢氧化铝沉淀的量及纯度，结果发现稀硫酸的较好。因此，本实验采用稀硫酸将铝酸钠溶液pH值调至5.2。

2.4 刚玉的制备及XRD分析

将装有干燥氢氧化铝沉淀的刚玉坩埚置于马弗炉中，在950℃下煅烧30min，取得到的结晶粉末进行X－射线粉末衍射测定，结果见图2。

图2 氢氧化铝950℃煅烧30min粉末的XRD图谱Fig.2 XRD Pattern of Al（OH）3powder calcinated at 950℃for 30min

将图2的XRD图谱与刚玉的标准图谱对比，有很高的相似度，但由于温度不高，其中还掺杂了其它的氧化铝形态。

3 结论

以碎斑流纹岩为原料制备刚玉。将2.5g流纹岩、8mL水、12mL 98%浓硫酸混合于反应釜中在100℃的烘箱中反应4h，冷却，过滤；滤液用氢氧化钠溶液调节pH值至13，沉淀析出，过滤；滤液用稀硫酸调节pH值至5.2，氢氧化铝完全沉淀，离心分离，沉淀在低于100℃的温度下烘干，再于950℃下煅烧30 min，得到刚玉，产物经XRD确证。研究表明利用流纹岩制备刚玉在技术上是可行的，并且耗能少，符合可持续发展要求，适合大规模生产。同时也找到了一种新的制备铝化合物的原料——碎斑流纹岩。

［1］王小强，杨惠玲.电感耦合等离子体发射光谱法测定铬矿石中的二氧化硅［J］.岩矿测试，2012，31（5）：820－823.

［2］张晓云，马鸿文，王军玲.利用高铝粉煤灰制备氧化铝的实验研究［J］.中国非金属矿工业导刊，2005，（4）：27－30.

［3］王文静，韩作振，程建光，等.酸法提取粉煤灰中氧化铝的条件选择［J］.能源环境保护，2003，17（4）：17－20.

［4］张彬.微波场中氢氧化铝煅烧工艺及氧化铝晶型转变研究［D］.昆明：昆明理工大学，2012.

［5］韦志仁，林岩.水热法合成α－Al2O3晶体的晶面形态［J］.人工晶体学报，2002，31（6）：583－589.

［6］张志刚，杨淑珍，黄友芬.硅酸盐环境标准参考物质中硅的定值方法——氟硅酸钾容量法［J］.环境科学，1990，11（5）：48－52，96.

［7］王建国，和钟铧，许文良.大兴安岭南部钠闪石流纹岩的岩石成因：年代学和地球化学证据［J］.岩石学报，2013，（3）：853－863.