碳分法制备易溶氢氧化铝研究

韩东战，樊大林，尹中林

（中国铝业股份有限公司郑州研究院，河南郑州450041）

工业技术

碳分法制备易溶氢氧化铝研究

韩东战，樊大林，尹中林

（中国铝业股份有限公司郑州研究院，河南郑州450041）

通过无晶种碳分法制备了易溶氢氧化铝。研究了反应温度、通气速度、二氧化碳体积分数、铝酸钠溶液苛性比（氧化钠与氧化铝物质的量比）等条件对氢氧化铝酸溶率的影响。适宜工艺条件:反应温度为65～75℃、通气速度为400 L/h、二氧化碳体积分数为30%～38%、铝酸钠溶液苛性比为1.48。在此条件下制得氢氧化铝酸溶率大于95%。X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征表明，物相组成是影响氢氧化铝产品酸溶性的主要原因。

易溶氢氧化铝；碳分；二氧化碳；酸溶率；晶体结构

随着国家对生活饮用水标准的提高，传统饮用水用净水剂聚合氯化铝的生产工艺需要改良升级，以易溶氢氧化铝代替普通氢氧化铝为原料的低耗高效生产工艺，不但能降低能耗、节约成本，而且还能提高聚合氯化铝的性能［1］。目前在中国对易溶氢氧化铝的研究成为热点［2-3］，但关于无晶种碳分法制备易溶氢氧化铝报道较少，而且对碳分法制备易溶氢氧化铝物相组成的分析鲜有报道。笔者通过无晶种碳分法制备了易溶氢氧化铝，研究了反应温度、铝酸钠溶液苛性比（Na2O与Al2O3物质的量比）、通气速度、二氧化碳体积分数对氢氧化铝酸溶率的影响规律，运用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）对氢氧化铝产品粒子的形态和晶体结构进行了表征，并揭示了影响氢氧化铝酸溶性的主要原因。

1 试验方法

1.1 试验原料及设备

原料:氢氧化铝（工业级），氢氧化钠（化学纯），二氧化碳气体（99.9%），氮气（99.9%），质量分数为36.5%盐酸（化学纯）。

设备:碳分法制易溶氢氧化铝试验装置一套（3 L）；产品酸溶评价装置一套。

1.2 原液配制

称取一定量的氢氧化铝和氢氧化钠于烧杯中，在120℃溶解于去离子水中，待沸腾且基本溶清后过滤，得到试验所需一定浓度的铝酸钠溶液。

1.3 易溶氢氧化铝制备过程

移取2.0 L铝酸钠溶液于碳酸化分解反应槽中，控制温度和搅拌速度（控温精度为±1℃），控制CO2气体体积分数和流量。在规定时间取样分析，当样品分解率达到设定值时停气、出料，过滤、洗涤，得氢氧化铝产品。

1.4 易溶氢氧化铝酸溶评价试验

日本昭和电工对易溶氢氧化铝的主要评判条件:1）盐酸质量分数为 12.5%，酸溶温度为 95～98℃，酸溶时间为200 min，Al（OH）3与HCl物质的量比为1∶3；2）氢氧化铝酸溶率＞95%，D50为50 μm左右；3）Al（OH）3酸溶率=（1-反应后剩余氢氧化铝的质量/反应前氢氧化铝的质量）×100%。

酸溶评价试验:在三口烧瓶中加入一定量氢氧化铝和12.5%盐酸，待温度升至设定温度后开始计时，待反应结束后冷却、过滤、洗涤、烘干，计算酸溶率。

2 试验结果和讨论

2.1 反应温度对氢氧化铝酸溶率及粒径的影响

铝酸钠原液成分见表1。在通气速度为400 L/h、二氧化碳体积分数为35%条件下，考察了反应温度对氢氧化铝酸溶率及粒径的影响，结果见图1。从图1可以看出，氢氧化铝酸溶率随着反应温度的升高而降低，平均粒径随着反应温度的升高而增加。反应温度为60℃时，氢氧化铝酸溶率可达99.41%；反应温度为90℃时，氢氧化铝酸溶率仅为84.84%。当反应温度为65～75℃时，氢氧化铝粒径D50为35～50 μm，酸溶率＞95%。温度升高使铝酸钠溶液的黏度和表面张力降低，有利于扩散速度的提高，使晶体长大速度加快［4］。而反应温度低且无晶种存在时，溶液黏度和表面张力大，促进二次成核过程，使产品粒度变细，而粒度较细的产品较为易溶。根据以上分析，适宜反应温度为65～75℃。

表1 铝酸钠原液成分

图1 反应温度对氢氧化铝酸溶率和粒度的影响

2.2 CO2体积分数和通气速度对氢氧化铝酸溶率的影响

在反应温度为70℃、通气速度为400 L/h、铝酸钠原液成分同表1条件下，考察了二氧化碳体积分数对氢氧化铝酸溶率的影响，结果见表2。从表2可知，CO2体积分数越大氢氧化铝酸溶率越大。这是因为，碳酸化分解反应为气液反应，CO2体积分数越大铝酸钠分解速度越快，氢氧化铝成核越多［5］，产品晶型越不稳定，越有利于提高产品的酸溶率。

表2 CO2体积分数对氢氧化铝酸溶率的影响

在反应温度为70℃、二氧化碳体积分数为35%、铝酸钠原液成分同表1条件下，考察了CO2通气速度对氢氧化铝酸溶率的影响，结果见表3。由表3看出，CO2通气速度越高氢氧化铝酸溶率越大。CO2通气速度对氢氧化铝的硅含量影响较大［4］，通气速度快，缩短分解时间，使分解的氢氧化铝迅速与母液分离，可以减少SiO2的析出数量，降低产品中二氧化硅的含量。氢氧化铝中的二氧化硅影响聚合氯化铝的过滤性能，硅含量越高聚合氯化铝越难过滤。综合工厂实际条件，CO2适宜通气速度为400L/h。

表3 CO2通气速度对氢氧化铝酸溶率的影响

2.3 铝酸钠溶液苛性比对氢氧化铝酸溶率的影响

在反应温度70℃、CO2通气速度为400 L/h、CO2体积分数为35%条件下，考察了铝酸钠溶液苛性比对氢氧化铝酸溶率的影响，结果见图2。从图2可知，铝酸钠溶液苛性比对氢氧化铝的酸溶率影响不大。但苛性碱浓度过高，对二氧化碳的吸收率会有不利影响。

图2 铝酸钠溶液苛性比对氢氧化铝酸溶率的影响

2.4 不同反应温度制得氢氧化铝SEM表征

铝酸钠原液成分见表4。在CO2体积分数为35%、CO2通气速度为400 L/h条件下，在不同反应温度下制备了氢氧化铝产品，其SEM照片见图3。

表4 铝酸钠原液成分

图3 不同反应温度制得氢氧化铝SEM照片

碳分过程是一个气、液参与的多相反应，由于碳分过程中溶液分解速度较快，一直处于较高的过饱和状态，晶核的形成、长大、附聚合二次成核的过程同时发生，产品形貌、组成受温度的影响比较大。从不同温度产品的SEM照片可知，随着反应温度的升高，氢氧化铝产品粒径逐渐增大，60、70℃产品颗粒呈簇状，以少数粒子附聚为主，且粒度分布均匀；80、90℃产品形貌呈镶嵌型，粒子间隙较小，粒径较大，且分布不均匀。

2.5 不同反应温度制得氢氧化铝XRD表征

铝酸钠溶液成分同表4。在CO2体积分数为35%、CO2通气速度为400 L/h条件下，在不同反应温度下制备了氢氧化铝产品，其XRD谱图见图4。由图4可知，反应温度影响产品的物相组成，温度较高时容易形成三水铝石，温度偏低时形成拜耳石和诺尔石。反应温度为60℃时，产品物相组成主要为诺尔石和拜耳石，其酸溶率为99.41%；反应温度为70℃时，产品物相组成主要为诺尔石、拜耳石和三水铝石，产品酸溶率为97.53%；反应温度为90℃时，产品物相组成主要为诺尔石、拜耳石和三水铝石，产品酸溶率为84.84%。随着反应温度的降低，氢氧化铝产品中诺尔石和拜耳石含量增加，其酸溶率也逐渐变大，诺尔石增加幅度远大于拜耳石。碳分过程CO2通气量大，溶液过饱和度大，拜耳石和诺尔石型晶体发育不完善，属于非晶质氢氧化铝［6］，存在有晶格缺陷或扭曲，酸溶反应自由能低、酸溶率高，其表面活性很大，易与盐酸反应，与文献报道［7］诺尔石易溶于10%盐酸相符。因此，无晶种碳分产品的物相组成是影响酸溶率的主要因素。

图4 不同反应温度制得氢氧化铝XRD谱图

3 结论

1）采用无晶种碳分工艺，控制适宜条件，可以制备出酸溶率＞95%的易溶氢氧化铝。2）分解温度越低、二氧化碳浓度越大、通气速度越大，产品酸溶率越高。3）无晶种碳分制备氢氧化铝，晶型结构和物相组成是影响产品酸溶率的主要因素，无晶种碳分产品中三水铝石含量越高，酸溶率越低；诺尔石和拜耳石含量越高，酸溶率越高。

［1］ 韩东战.聚合氯化铝制备技术研究进展［J］.河南化工，2012，29（5下）:3-6.

［2］ 晏永祥，刘少峰，陈枚燕，等.种分法制备易溶氢氧化铝的工艺［J］.长沙理工大学学报:自然科学版，2013，10（2）:93-96.

［3］ 薛忠秀，王刚，周晓燕.易溶性氢氧化铝生产方法及特性论述［J］.轻金属，2011（1）:20-22.

［4］ 王志，杨毅宏，毕诗文，等.铝酸钠溶液碳酸化分解过程的影响因素［J］.有色金属，2002，54（1）:43-46.

［5］ 上官正，王晓峰.碳分法制取高纯氢氧化铝微粉［J］.中南矿冶学院学报，1994，25（2）:182-185.

［6］ 仇振琢，魏旭华.商品氢氧化铝的类别及其酸溶性比较［J］.广州化工，1992，20（1）:60-65.

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

联系方式：zyy_hdz@rilm.com.cn

Study on synthesis of easing soluble aluminum hydroxide by carbonation decomposition

Han Dongzhan，Fan 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

韩东战（1977— ）男，硕士，高级工程师，主要从事特种氧化铝研究与开发。