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摘 要 研究了用碳酸氢铵和铝盐联合生产微细氧化铝绿色生产的新工艺,提出了原则生产流程,对如何将原料进行内循环利用和回收作了描述,用等离子质谱和中子活化分析了氧化铝的纯度,用扫描电子显微镜对粒度进行了分析.
关键词 微细粉,氧化铝,绿色生产
中图分类号 TQ133.1
A NEW COMBINED PROCESS FOR PRODUCTION OF FINE ALUMINA POWDERS
MA Chicheng ZHOU Xuexi ZHU Tun
(Inst. Chem. metall., Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080, China)
ABSTRACT A new combined process for production of fine alumina powders ofnanometer size is studied. The flowsheet and the material recycling arediscribed.The purity of the produced alumina was analyzed by neutronactivation and plasma spectrometery, and the particle size of thealumina was characterized by TEM.
KEY WORDS Fine powder, Alumina, Green production
1 前 言
氧化铝是用途极为广泛的陶瓷粉末材料,不仅在结构陶瓷中占有重要的地位,而且在生物陶瓷和功能陶瓷等方面的应用也越来越广泛,尤其在催化剂载体、集成电路基板材料和透光材料等领域倍受欢迎[1].不同的应用要求不同纯度的氧化铝.高纯氧化铝的纯度在99.99%以上,制成单晶可应用在激光材料和窗口材料等领域.一般纯度的可应用于生产磨料及工程陶瓷.随着高科技的发展,对氧化铝的研究日趋深入,对其纯度、粒度和颗粒形状提出了更高的要求,超细氧化铝材料的研究已经引起越来越多的关注.目前国内生产氧化铝大多采用硫酸铝铵热解法,此法通过控制溶液的pH和重结晶进行杂质的分离,纯度进一步提高受到一定的限制,在热分解加热到900℃时,仅脱除90%的三氧化硫[2],完全脱硫则需进一步升温或保温几小时.完全转化为γ-Al2O3则需更高的温度,能耗很大;同时在生成过程中产生大量的三氧化硫,造成严重的环境污染.本文的目的是利
一种无污染的新工艺,实现氧化铝的绿色生产.
绿色生产的要求是：生产采用无毒原料;在无毒害的反应条件下进行;具有“原子经济性”,即
反应具有高选择性,极少副产品,甚至“零排放”;产品对环境友好[3].在氧化铝的绿色生产过程中,碳酸氢铵和铝盐是无毒、无害的常见工业原料.在生产和热分解的过程中,由于氨和二氧化碳的吸收利用,无三废的排放.生产的氧化铝对环境无害.本文研究了微细氧化铝生产的新过程-碳酸铝铵法生产氧化铝的绿色新工艺.由于在同一生产过程可生产出不同纯度的氧化铝产品,又称之为联合生产工艺.
2 原理和流程
碳酸铝铵热解法[4]是利用碳酸氢铵与铝盐反应,合成前驱体碳酸铝铵,再将其热分解处理得
到氧化铝的液相生产法,包括合成、热分解两部分.该方法的优点在于生产的粉末纯度高、粒度
小.其典型反应可用下式表示
(1)
(2)
(3)
新工艺的原则性生产流程见图1.生产过程中,产品的纯度受铝盐和碳酸氢铵纯度的影响,铝盐经提纯后与高纯碳酸氢铵溶液反应可制得高纯的氧化铝前驱体,在此过程中母液中碳酸氢铵浓度因反应而下降,待加入需要浓度的碳酸氢铵后重新进入循环,实现反应介质的内循环.本工艺的特点在于:当溶液中杂质的积累低于产品要求的上限时,仍可向母液加入所需浓度的碳酸氢铵,制备纯度略低的氧化铝.同样当产品纯度达不到要求时,可生产更低档次的氧化铝.联合生产后剩余的溶液,重新蒸馏回收水、氨气和二氧化碳.残液中的(NH4)2SO4可蒸发结晶回收利用.热分解过程中分解产生的水、二氧化碳和氨气进入吸收塔回收得到纯的碳酸氢铵,重新进入循环.新工艺在不改变反应器的情况下,可制备不同纯度的氧化铝产品,使原料得到最大限度的综合利用,降低生产成本,同时又不造成环境污染.
表1～氧化铝中主要杂质的含量
Table 1 ～The main impurities in alumina (×10{-6)
| Al2O3(%) | Si | Na | Mg | Cu | Fe | Ti | |
| 25 | 99.995 | <5 | <5 | <1 | <3 | <5 | <2 |
| 26 | 99.995 | <5 | <5 | <3.9 | <3 | <5 | <2 |
| AKS-G1) | 99.995 | 10 | 10 | 5 | 2 | 15 |
Note：1)Sumitomo chemicalCO., LTD,Japan.
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图1 氧化铝绿色生产的工艺流程图 3 结果与讨论 前驱物和产物的纯度用等离子质谱和中子活化法确定，结果见表1．用前驱物碳酸铝铵()分解制备氧化铝［5］，样品在低于下恒温干燥后，进行差热和热重分析得图2．从图中差热峰的位置可以看出样品大约在时开始分解，在224℃时出现明显的吸热峰,说明此时分解达到最大值,280℃时分解基本结束.此后样品失重变得相当缓慢,在DTA曲线上不再出现明显的吸热峰和放热峰,这说明在280℃以后分解反应基本结束.从图2还可以看出前驱物的失重大约为63%,在较低的温度下完成热分解. 表2 造粒前后γ-Al2O3的主要性质 |
| Sample No. |
Particle size (nm) | Specific surface area (m2/g) |
Particlesize1)(μm) | Loose bulk density1)(g/cm3) | Packed bulk density1) (g/cm3) |
| 25 | <20 | 296 | 30～50 | 0.43 | 0.52 |
| 26 | <20 | 309 | 30～50 | 0.43 | 0.52 |
| AKS-G | 10 | 120～170 | 30～50 | 0.3～0.5 | 0.35～0.55 |
Note：1) After granulation.
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图2 AACH的差热和热重曲线 |
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图3 造粒后的γ-Al2O3 本工艺已进行了半工业试验，生产的氧化铝的粒度和纯度均达到高纯微细的要求，并向国内外多家用户提供样品进行试验研究，取得满意的效果． 4 结 论 本工艺对用碳酸氢铵和铝盐联合生产氧化铝进行了绿色设计,降低了能耗而且不造成环境污 *中国科学院重点资助项目(95-1-201) 参考文献 |
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