萍鄉(xiāng)煤矸石熔鹽法合成片狀氧化鋁粉體的研究

熊里

（佛山市遠(yuǎn)泰陶瓷化工有限公司，佛山 528000）

萍鄉(xiāng)煤矸石熔鹽法合成片狀氧化鋁粉體的研究

熊里

（佛山市遠(yuǎn)泰陶瓷化工有限公司，佛山 528000）

根據(jù)莫來(lái)石組成，在均化處理之后的萍鄉(xiāng)煤矸石中分別加入氧化鋁、氫氧化鋁和硫酸鋁等原料，并在硫酸鈉熔鹽中進(jìn)行反應(yīng)，研究了不同溫度對(duì)試樣產(chǎn)物的影響。實(shí)驗(yàn)證明：加入硫酸鋁原料的試樣，在高于1200℃溫度條件下保溫3 h后，主要物相為α-Al2O3和硅鋁酸鈉，用10%的HF酸浸泡，溶去試樣中的硅鋁酸鈉和雜質(zhì)相，得到較純的片狀α-Al2O3。

萍鄉(xiāng)煤矸石；熔鹽法；片狀α-Al2O3；研究

1 引言

片狀氧化鋁是一種以剛玉(α-Al2O3)為主晶相的耐火原料，它的微觀結(jié)構(gòu)與一般剛玉不同，具有兩大特征，一是在一定顯微尺度下斷面呈清晰的板片狀；二是晶體內(nèi)部存在著較多的閉氣孔[1]。片狀氧化鋁具有耐高溫、耐酸堿性、熔點(diǎn)高、硬度高、導(dǎo)熱性高和電阻率高等很多優(yōu)良的性能。另外，還具有其他片狀粉體所不具備的高機(jī)械強(qiáng)度、良好的附著力、顯著的屏蔽效應(yīng)和光反射能力[2]。因此,片狀α-Al2O3廣泛地應(yīng)用于化妝品、顏料、涂料、磨料、油墨、填充劑、汽車面漆和增韌陶瓷等領(lǐng)域[3]。片狀氧化鋁還可以替代云母基片，用于制備珠光顏料，還可以應(yīng)用于各類耐火材料、滑動(dòng)水口、噴嘴、套管、緩沖墊和澆鑄內(nèi)襯。此外，還可以用于做催化劑載體、熱交換介質(zhì)、電子點(diǎn)火、技術(shù)陶瓷等。據(jù)調(diào)查，國(guó)外的片狀氧化鋁用量為每萬(wàn)噸鋼5 t，總用量為20萬(wàn)t；我國(guó)目前每年產(chǎn)鋼近億噸，對(duì)耐火材料和制品特別是分區(qū)使用制品要求愈來(lái)愈高，年用量為3～4萬(wàn)t。因此，片狀氧化鋁的發(fā)展前景良好。

片狀氧化鋁的制備方法有水熱法、熔鹽法、涂膜法、電熔法等，其中，水熱法要求在高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)行,反應(yīng)周期較長(zhǎng),設(shè)備依賴性較大；涂膜法不能有效調(diào)節(jié)和控制片體的大小、厚度；電熔法要在1900℃以上的高溫中進(jìn)行；而熔鹽法制備片狀α-Al2O3粉體的設(shè)備簡(jiǎn)單,可在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)完成,大小和厚度易控制,制備出的粉體純度高[1,4]。

本實(shí)驗(yàn)以萍鄉(xiāng)煤矸石為原料，在硫酸鈉熔鹽中制備合成高純度的片狀α-Al2O3粉體。同時(shí)，此工藝是工業(yè)廢料綜合回收再利用項(xiàng)目，可享受國(guó)家對(duì)此類項(xiàng)目在政策和稅收方面的優(yōu)惠，具有很大的市場(chǎng)價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料為均化處理后的萍鄉(xiāng)煤矸石，物相分析如圖1所示，化學(xué)成份如表1所示。

所用化學(xué)試劑為：化學(xué)純的Al(OH)3、氧化鋁Al2O3、硫酸鋁Al2(SO4)3·18H2O、硫酸鈉Na2SO4以及10%的HF酸。

圖1 煤矸石的XRD圖譜及物相

表1 煤矸石的化學(xué)成份分析/wt%

2.2 制備工藝

根據(jù)莫來(lái)石(Al/Si摩爾比=3/2)的組成，將均化并磨細(xì)后的煤矸石分別與氧化鋁、氫氧化鋁和硫酸鋁混合，再分別加入硫酸鈉(硫酸鈉的加入量為試樣總質(zhì)量的50%)，將三組混合物（編號(hào)分別為A、B、C）置于行星球磨罐中，以300轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速研磨30 min。研磨后的漿料過(guò)篩、烘干并研磨粉碎，然后將三組混合物分別置于三個(gè)剛玉坩堝內(nèi)，在設(shè)定的爐溫中燒結(jié)、保溫并冷卻。用蒸餾水洗滌試樣除去Na2SO4，得到所需試樣并用衍射儀對(duì)試樣的物相進(jìn)行分析。在室溫條件下,將蒸餾水洗滌后的試樣用10%的HF酸浸泡3 h，過(guò)濾、洗滌后用掃描電鏡觀察試樣的形貌。

2.3 測(cè)試儀器

（1）X射線衍射分析：德國(guó)Bruker公司D8Advance型XRD衍射儀。

（2）掃描電鏡分析：日本電子公司的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 三組樣品燒結(jié)后的形貌對(duì)比

圖1、圖2、圖3分別為三組樣品在1200℃溫度下燒結(jié)并保溫3 h后的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果。

從圖1～圖3可以看出，三組樣品中都有生長(zhǎng)出片狀的趨勢(shì)，但樣品A和樣品B中基本以塊狀的形貌存在，并沒(méi)有長(zhǎng)出片狀的形貌。樣品C中可以看見(jiàn)明顯的薄片狀，但較為雜亂。從圖2中還可以看出，片形還未完全發(fā)育，層疊在一起。

圖1 樣品A在1200℃燒結(jié)后的形貌

圖2 樣品B在1200℃燒結(jié)后的形貌

圖3 樣品C在1200℃燒結(jié)后的形貌

樣品A和樣品B中未長(zhǎng)出片狀，可能是因?yàn)槿埯}的氣氛不夠，而樣品C中外加了硫酸鋁作為鋁源，硫酸鋁除了增加鋁的含量之外，其中的硫酸根離子還配合外加的硫酸鈉一起充當(dāng)了熔鹽的作用。因此，樣品C中的熔鹽氣氛比樣品A、樣品B都要好，更易促進(jìn)片狀氧化鋁的生長(zhǎng)。樣品C中的片狀氧化鋁還未完全發(fā)育，可能是因?yàn)樵嚇拥臒Y(jié)溫度還不夠。所以，下一步選取樣品C繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，并把燒結(jié)溫度提高至1350℃，并保溫3 h。

3.2 對(duì)加入硫酸鋁的試樣進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)

圖4為樣品C在1350℃溫度下燒結(jié)并保溫3 h后的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果。

與圖3相比，圖4中的片形生長(zhǎng)較為充分，但片形周圍還存在大量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能是莫來(lái)石在1200℃完全分解后所導(dǎo)致的。硫酸鈉與莫來(lái)石反映生成硅鋁酸鈉，其反應(yīng)方程式如下：

對(duì)該組樣品做XRD分析，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，主晶相是氧化鋁和硅鋁酸鈉，還有部分多余的石英存在，可能是煤矸石中過(guò)量的二氧化硅。

圖4 樣品C在1350℃燒結(jié)后的形貌

圖5 樣品C的XRD圖譜

用蒸餾水洗滌1350℃煅燒后的樣品C，以除去試樣中的鹽分得到純凈的產(chǎn)物；然后用10%氫氟酸溶液浸泡3 h，再用蒸餾水洗滌。用HF酸浸泡是因?yàn)槊喉肥泻休^多的其它氧化物(如：CaO、MgO、Fe2O3、TiO2)，煅燒后的試樣經(jīng)HF酸浸泡可使其溶于溶液中，從而得到較純的α-Al2O3物質(zhì)。

HF酸浸泡后的樣品C的掃描電鏡如圖6所示。

從圖6中可以看出,合成的α-Al2O3粉體呈規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，片晶的大小、厚度均勻。可以看出，用熔鹽作為反應(yīng)媒介能大大減小反應(yīng)物之間的擴(kuò)散距離，加快物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度，為α-Al2O3晶體提供自由生長(zhǎng)的環(huán)境[4]。在溫度大于1200℃時(shí)的熔鹽體系中，由于Na2SO4、SiO2、Na2O、K2O、 Fe2O3等液相物質(zhì)的存在，致使液相量較多,液相粘度較低,有利于物質(zhì)的傳輸，為片狀α-Al2O3提供了自由的生長(zhǎng)環(huán)境[5]。

圖6 1350℃燒結(jié)后樣品C經(jīng)HF酸浸泡3 h后的形貌

4 結(jié)論

本文以萍鄉(xiāng)煤矸石為主要原料，按照莫來(lái)石理論組成加入硫酸鋁，并以一定量硫酸鈉為反應(yīng)介質(zhì)，在溫度高于1200℃的條件下保溫3 h,可以獲得主要物相為α-Al2O3和硅鋁酸鈉的試樣。將試樣用10%的HF酸浸泡，溶去其中的雜質(zhì)相，可以制備出較純的片狀α-Al2O3粉體。

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