淺談高純氧化鋁制備方法和生產(chǎn)現(xiàn)狀

張霖

新疆眾和股份有限公司 新疆 烏魯木齊 830013

引言

高純度氧化鋁是重要的工業(yè)原料，擁有絕緣性強(qiáng)、耐高溫、耐磨等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)中。目前，高純氧化鋁生產(chǎn)主要在西方國家，國內(nèi)的高純氧化鋁存在產(chǎn)品質(zhì)量不足的問題。因此，必須加強(qiáng)高純氧化鋁的生產(chǎn)研發(fā)，探索更為高效、高質(zhì)量的生產(chǎn)方式，滿足國內(nèi)工業(yè)發(fā)展的需求。

1 高純氧化鋁概述

高純氧化鋁是純度在99.99%以上的氧化鋁，具有出眾的光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性能，因此在精密儀器、顯示器、傳感器中大量使用，是極為重要的基礎(chǔ)材料。而且隨著社會(huì)的發(fā)展，各種高性能、高精尖設(shè)備的需求量增加，讓高純氧化鋁的需求也開始增加[1]。目前，全世界生產(chǎn)高純氧化鋁的方法有很多，為了保證氧化鋁的純度，必須做好生產(chǎn)過程中的工藝控制，以保證材料的總體性能。

2 高純氧化鋁制備的主流技術(shù)

2.1 改良拜爾法

改良拜爾法使用鋁酸鈉溶液制備高純氧化鋁，先對(duì)溶液進(jìn)行深度脫硅、除鐵等工作，獲得高純度的鋁酸鈉溶液，然后分解鋁酸鈉，并投入氫氧化鋁種子使溶液氫氧化鋁析出，再煅燒得到的氫氧化鋁獲得高純度的氧化鋁。在工藝的控制中，避免氫氧化鋁結(jié)晶過程中有異常晶核十分重要，因此工藝中會(huì)以十分緩慢的速度析出氫氧化鋁，達(dá)到去除鈉、硅等雜質(zhì)的目的。拜爾法具有原料廣泛成本低的優(yōu)勢(shì)，并且在生產(chǎn)過程中污染比較低；但是使用該方法必須采取非常嚴(yán)格的產(chǎn)品工藝控制，在對(duì)氫氧化鋁進(jìn)行焙燒時(shí)要有非常高的溫度，導(dǎo)致產(chǎn)品的燒結(jié)密度較低。

為了能最大幅度去除鈉離子，一般會(huì)采用焙燒過程中加入礦化劑或者在氫氧化鋁水轉(zhuǎn)相的過程中假如一定的脫鈉劑，脫鈉劑呈酸性的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)離子容易進(jìn)入鋁石，所以為了避免雜質(zhì)增加，需要投入較高的成本控制工序；使用礦化劑進(jìn)行焙燒時(shí)，可能會(huì)有氟化物釋放，如果沒有嚴(yán)格的控制會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。

2.2 無機(jī)鋁鹽熱分解

2.2.1 硫酸鋁銨熱分解。首先需要進(jìn)行硫酸鋁銨結(jié)晶獲得高純度的硫酸鋁銨晶體，然后使用1200℃的高溫對(duì)硫酸鋁銨警惕進(jìn)行加熱使其分解，獲得氧化鋁。

制備的過程中，必須保證硫酸鋁銨晶體的純度避免是氧化鋁的純度受到影響。所以在硫酸鋁銨的制備過程中，需要嚴(yán)格控制物料配比、溫度以及pH等條件，會(huì)通過多次重結(jié)晶來去除其中的硅、鈣、鈉、鐵等雜質(zhì)。結(jié)晶時(shí)會(huì)對(duì)溶液加熱使水分蒸發(fā)，溶液中存在一定的結(jié)晶，以加快溶液過飽和后硫酸鋁銨的結(jié)晶效率[2]。但是蒸發(fā)時(shí)會(huì)有氣泡嵌入硫酸鋁銨晶體，會(huì)降低晶體的松裝密度，以及導(dǎo)致晶體呈現(xiàn)出多孔狀，不僅會(huì)降低產(chǎn)量，還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

目前，解決密度過小的問題，會(huì)使用低溫真空脫水的方式，然后熱分解爐對(duì)硫酸鋁銨晶體進(jìn)行加熱，熱分解爐內(nèi)需要設(shè)置夾層，使熱氣流可以穿過夾層，分解的尾氣將會(huì)被吸收塔吸收。最后獲得的氧化鋁松裝密度比較大，而且具有較高的活性。

在使用硫酸鋁銨熱分解法時(shí)，會(huì)循環(huán)使用母液，因此在生產(chǎn)過程中可以控制成本，并且可以保證工業(yè)生產(chǎn)的效率，同時(shí)，由于當(dāng)前技術(shù)相對(duì)成熟，因此在簡單的工藝下就可以獲得比較高純度的氧化鋁。得到的產(chǎn)品聚團(tuán)也比較少，更容易在陶瓷生產(chǎn)中應(yīng)用。生產(chǎn)過程中會(huì)有大量的氨和三氧化硫生成，雖然進(jìn)行尾氣處理能夠?qū)Νh(huán)境污染然有效控制，卻會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本提升；使用重結(jié)晶的方法難以去除鉀、鹵素，因此依然會(huì)有一定的雜質(zhì)，所以生產(chǎn)的周期會(huì)比較長。

2.2.2 碳酸鋁氨熱分解。碳酸鋁氨熱分解法是在硫酸鋁銨熱分解法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)獲得的方法，該方法先使用精制硫酸鋁銨和碳酸氫銨反應(yīng)獲得碳酸鋁氨，然后用高溫使其分解，獲得氧化鋁。為了保證氧化鋁的純度，就需要做好對(duì)碳酸鋁氨生成的控制，反應(yīng)過程中必須避免有雜質(zhì)混入，而且要控制反應(yīng)溫度在35℃。使用該方法避免了三氧化硫和氨氣的排放，可以更容易地進(jìn)行廢氣回收工作，得到的高純度氧化鋁具有更高的均勻度。但是該方法會(huì)產(chǎn)生更多的廢液，并且加長了生產(chǎn)周期，對(duì)生產(chǎn)工藝的控制要求也更嚴(yán)。

2.3 有機(jī)醇鋁鹽水解法

該方法是目前生產(chǎn)高純度氧化鋁材料的主要方法，在有機(jī)醇鋁鹽水解法中，會(huì)使用催化劑促進(jìn)鋁和醇反應(yīng)，生成醇鋁鹽，之后經(jīng)過提純獲得高純醇鋁鹽，然后發(fā)生水解獲得水合氧化鋁，最后經(jīng)過焙燒以獲得高純氧化鋁。使用該工藝時(shí)，高純醇鋁鹽的水解以及焙燒中工藝的控制對(duì)保證獲得的氧化鋁純度十分重要，同時(shí)，也能防止獲得的氧化鋁有聚團(tuán)現(xiàn)象。可以使用球磨、氣流磨等方法控制聚團(tuán)，滿足產(chǎn)品要求。使用該方法獲得的副產(chǎn)品是水和氫氣，所以對(duì)環(huán)境基本無污染。同時(shí)，由于生產(chǎn)過程中具備提純性，因此可以將醇和其他溶劑循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的節(jié)約。但是使用該方法由于工藝控制的要求，導(dǎo)致成本非常高。

2.4 活性高純鋁水解法

活性高純鋁水解法先將鋁與水結(jié)合，獲得水合物，然后再對(duì)鋁進(jìn)行干燥和熱分解，以便獲得具有更高分散性的高純氧化鋁。使用該方法的生產(chǎn)步驟比較少，因此過程簡單，成本也比較低，但是生產(chǎn)工作中對(duì)工藝有嚴(yán)格的控制要求。目前可以噴射熔融過熱鋁液，獲得鋁粉與水的混合物，反應(yīng)的過程中，鋁粉會(huì)不斷分裂和細(xì)化，最終獲得粒度較高的白色粉末，再經(jīng)過干燥、分散和煅燒之后，就能得到高純度的氧化鋁[3]。但是，使用該方法的缺點(diǎn)在于沒有提純性，所以產(chǎn)品的純度可能會(huì)出現(xiàn)下降的問題。

3 結(jié)束語

高純氧化鋁是極為重要的無機(jī)材料，在半導(dǎo)體、電池中都有十分廣泛的使用，為保證工業(yè)的發(fā)展，就要提升高純氧化鋁的制造水平。目前，高純氧化鋁的制造方式有很多，研究全新制造工藝時(shí)，不僅要考慮所得氧化鋁產(chǎn)品的純度，同時(shí)，也要考慮工藝的能耗、污染等問題，不斷優(yōu)化生產(chǎn)方式，滿足工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展要求。