偏鋁酸鈉溶液碳分制備氫氧化鋁粉體實驗研究

陳媛媛，韓中艷，陳 秋，梅 菊

（六盤水師范學院，貴州 六盤水 553004）

氫氧化鋁粉體平均粒徑很小，表面積大，多數(shù)粉體易發(fā)生團聚，很難均勻分散，其在工程工藝中應用廣泛，在物理和化學的運用方面具有多種優(yōu)異性質(zhì)[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展和社會的需求，很多產(chǎn)品朝著精細化的要求而發(fā)展，粉體制備的研究和開發(fā)在技術(shù)和方法上得到了新的研究進展[2-4]。氫氧化鋁粉體是一種無毒無味的白色粉末，不易揮發(fā)，晶格結(jié)構(gòu)為八面體的配合物，結(jié)晶屬于單斜晶系，化學穩(wěn)定性好，為典型的兩性化合物，不溶于水，其在中性介質(zhì)中，電離常數(shù)很小，存在堿式電離常數(shù)大于酸式電離常數(shù)的關(guān)系，所以氫氧化鋁通常略顯堿性[5]。氫氧化鋁粉體有許多優(yōu)良的物理化學性能，具有阻燃、消煙和做填料等多重功能，并且屬于環(huán)保型無機阻燃劑，因為不會產(chǎn)生二次污染，能協(xié)同多種物質(zhì)產(chǎn)生阻燃效應。氫氧化鋁粉體是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品[6]，在很多行業(yè)中成為重要的環(huán)保型阻燃劑，如化工生產(chǎn)、塑料橡膠、造紙業(yè)、涂布顏料、航天電子、醫(yī)學藥品等方面。

1 實驗

1.1 偏鋁酸鈉溶液的配制

水浴鍋中，稱取一定量氫氧化鈉溶于蒸餾水中，待氫氧化鈉全部溶解后，再稱取氫氧化鋁溶于氫氧化鈉溶液中，苛性比（NaOH和Al(OH)3物質(zhì)的量比）不宜過大，加熱煮沸，冷卻，稀釋過濾，將溶液密封備用；經(jīng)測定所配制的偏鋁酸鈉溶液中鋁元素濃度為1.54mol/L。

1.2 碳分沉淀氫氧化鋁粉體流程

量取100ml配制的偏鋁酸鈉溶液100ml于塑料燒杯中，塑料燒杯在水浴鍋中保持恒溫；將CO2通入到偏鋁酸鈉溶液中，通過控制CO2的通氣速率、分解溫度和pH值進行碳分反應。反應所產(chǎn)生的白色沉淀通過過濾、干燥、粉碎后，即得到氫氧化鋁粉末。

將塑料燒杯置于超聲波清洗器中，通入CO2，通過控制CO2的通氣速率、分解溫度、pH值和超聲波功率進行碳分反應。相同的操作步驟。將所得的沉淀通過過濾、干燥、粉碎后，即得到氫氧化鋁粉末。

1.3 分析測定方法

本次實驗用了兩種測定方法，XRD（X-射線衍射）和激光粒度分析。X-射線衍射對粉體進行物相分析，激光粒度分析儀測定粉體粒度。

2 實驗原理

向偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳氣體，溶液中因形成碳酸化的偏鋁酸鈉[7]，苛性比降低，通過反應氫氧化鋁以晶體形式析出，其反應原理如下：

式（1）是CO2氣體通入偏鋁酸鈉溶液中，氣液轉(zhuǎn)化的一個過程；式（2）是酸性氣體二氧化碳與游離的氫氧化鈉的中和反應；式（3）是碳分法的本質(zhì)反應，二氧化碳氣體通入偏鋁酸鈉溶液中，隨著反應的進行，有大量白色沉淀析出，白色沉淀為氫氧化鋁，該過程按“表面成核”機制進行；式（4）為偏鋁酸鈉的水解反應；式（5）是碳分過程中的副反應。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳分產(chǎn)物

圖1 粉體XRD圖

圖1為偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳氣體產(chǎn)生的白色粉體的XRD圖，由圖可知在此反應過程中產(chǎn)生了Al(OH)3粉體，除了氫氧化鋁外，還含有少量的NaAlCO3(OH)2。

3.2 CO2通氣速率的影響

取1.54 mol/L的偏鋁酸鈉溶液100 mL在燒杯中，在水浴鍋中溫度為50℃條件下通入CO2氣體、二氧化碳的通氣 速 率 分 別0.1L/min、0.2L/min、0.3L/min、0.4L/min、0.5L/min，控制溶液pH值為12后停止實驗，過濾、干燥、粉碎，測定粉體粒徑。相同的實驗過程，選擇超聲波清洗器代替水浴鍋，超聲波清洗器功率選擇300W。結(jié)果如圖2所示。

碳分過程中CO2的通氣速率可以控制氫氧化鋁晶體沉淀的速度，當通氣速率越快，出現(xiàn)沉淀時間越短。CO2通氣速率太快或者太慢都不利于氫氧化鋁的結(jié)晶，CO2的通氣速率控制得當氫氧化鋁的析出會以初期析出的微粒為晶核并且能夠在表面繼續(xù)結(jié)晶生長。研究發(fā)現(xiàn)，要使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑最佳應控制CO2的通氣速率為100L/h～200L/h。

圖2 CO2流量對粉體粒徑的影響

在濃度為1.54mol/L的偏鋁酸鈉溶液100mL中通入CO2，通過實驗得出，如圖2所示，通氣速率為0.1L/min時產(chǎn)生的氫氧化鋁粉體粒徑為12.940um,通氣速率為0.2L/min時沉淀的氫氧化鋁粉體粒徑為19.914um，二者相差6.940um，但通氣速率為0.2L/min時沉淀產(chǎn)生的速率比通氣速率為0.1L/min時沉淀產(chǎn)生速率快，二者時間相差約6min，因此要使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑最佳應控制CO2的通氣速率為0.2L/min。

對比圖2中相同CO2通氣速率對氫氧化鋁粉體粒徑的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同通氣速率下，超聲波場中沉淀析出的Al(OH)3粉體具有更小的顆粒，導致這一現(xiàn)象的主要原因是超聲波空化效應和機械效應對偏鋁酸鈉溶液的震蕩作用使得溶液中氫氧化鋁成核難度增大，粉體成核分散度增強，產(chǎn)生的顆粒更小。

3.3 分解溫度的影響

圖3 溫度對粉體粒徑的影響

在CO2的通氣速率為0.2L/min反應條件下，分別在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃溫度下進行實驗，其他實驗條件同CO2通氣量實驗，得到粒度不同的氫氧化鋁產(chǎn)品。

如圖3所示，35℃得到的產(chǎn)品粒度最細，粒徑為11.591 um，所以最佳碳分分解溫度為30℃。這是因為低溫會加速二次成核，得到粒度較細的氫氧化鋁；溫度升高會減少的二次成核的發(fā)生，晶體生長速度增強。在超聲波場中，當分解溫度為30℃時，產(chǎn)品粒徑最細，粒徑為7.585 um，所以超聲波輔助沉Al(OH)3的最佳碳分溫度是30℃。較低的溫度有利于獲得粒徑更小的粉體。

3.4 終點pH值的影響

根據(jù)實驗結(jié)果圖4可以看出，隨著pH值的增大，粉體粒徑增大，由于反應時間越短，二氧化碳通入量越少，體系呈堿性，pH值的越大，粉體粒徑越大。終點pH值對Al(OH)3粉體粒徑的影響單因素實驗中，碳分終點pH值為9時，Al(OH)3粉體粒徑最細，粒徑為7.509 um，所以最佳終點pH值為9。

圖4 終點pH對粉體粒徑的影響

3.5 超聲功率的影響

通過最佳通氣速率、最佳碳分分解溫度和最佳終點pH值的確定，在最優(yōu)值條件下，改變超聲波功率比較粉體粒徑，確定最佳碳分超聲功率。

實驗結(jié)果如圖5所示：當超聲波功率為270W時，粉體粒徑最小，超聲時間為25min，粒徑為9.147um,由此可以得出，最佳超聲功率為270W。

根據(jù)上述單因素實驗，得出了超聲波場碳分制備氫氧化鋁粉體的最佳實驗條件：最佳通氣速率0.2L/min、碳分溫度30℃、終點pH值為9、超聲波功率270W。在最佳實驗條件下，氫氧化鋁粉體粒徑為6.537um。

4 結(jié)論

以偏鋁酸鈉溶液和CO2氣體為原料，以常規(guī)無攪拌和超聲波攪拌碳分法制備氫氧化鋁，研究了不同因素、不同反應條件對產(chǎn)物粉體粒徑的影響，確定了最佳工藝條件，主要內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）相同條件下，超聲波場較常規(guī)無攪拌條件獲得的粉體粒徑更小。

（2）超聲波輔助碳分制備氫氧化鋁粉體的最佳實驗條件為：通氣速率0.2L/min、分解溫度30℃、終點pH值為9、超聲波功率270W，所得氫氧化鋁粉體粒徑為6.537um。