碎斑流紋巖制備剛玉的研究

李 玲，劉桂真，黃 瑤，郭 戈，李子穎

（1.湖北大學化學化工學院，湖北 武漢430062；2.北京鈾礦地質研究院，北京100029）

剛玉是一種高熔點的氧化物晶體，有非常優良的物理和化學性能，在高溫下仍具有很高的機械強度和化學穩定性，用其制造的精密微孔元件近年來廣泛用于機械電子、生物醫療、航空航天及光電技術等領域［1］。目前制備剛玉的主要原料是鋁土礦，但已探明的優質鋁土礦儲量有限，尋找其它代用資源的研究越來越受關注［2－5］。流紋巖是一種酸性火山噴出巖，其化學成分與花崗巖相同，因形成時冷卻速度較快使礦物來不及結晶，其斑晶主要由鉀長石和石英組成，其中硅、鋁的成分較高［6］。在中國，主要分布在東南沿海一帶［7］。

作者以碎斑流紋巖為原料，采用酸法處理，研究了制備剛玉的技術可行性，擬為拓展剛玉的制備方法提供參考。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

碎斑流紋巖。

Na2O2，HCl，H2SO4，NaOH，去離子水。

Optimal 8000型ICP原子發射光譜儀，美國PE；D／MAX－ⅢC型X－射線衍射儀，日本力學；馬弗爐；反應釜；烘箱。

1.2 方法

1.2.1 剛玉的制備

對碎斑流紋巖進行原料分析，有針對性地除雜后，調節pH值制得較純凈的Al（OH）3，高溫煅燒得剛玉。

具體制備過程是：將碎斑流紋巖、水、98%濃硫酸按不同的比例混合于反應釜中，放入烘箱，設置一定的溫度反應一定時間，使其中的硅、鋁最大程度地分離，過濾；濾液用稀NaOH溶液調節pH值至13，過濾，除去鐵、鎂、銅等雜質；濾液用稀硫酸調pH值至5.2，得到氫氧化鋁沉淀，離心、洗滌，在低于100℃的溫度下烘干，再裝入坩堝中放入馬弗爐中高溫煅燒得剛玉。

1.2.2 分析測試

采用X－射線粉末衍射法分析碎斑流紋巖的物相組成。

將碎斑流紋巖經過氧化鈉高溫熔融－熱水提取－鹽酸酸化預處理，采用ICP－AES法測定碎斑流紋巖的主次元素含量。

準確稱取0.2500g樣品置于剛玉坩堝中，加入0.6g Na2O2，用玻璃棒攪勻后再加入0.8g Na2O2覆蓋于樣品表面。置于馬弗爐中，升溫至700℃并在該溫度下加熱熔融15min，取出坩堝稍冷后用適量熱水提取于250mL聚四氟乙烯燒杯中，用5%的溫熱鹽酸溶液和去離子水洗滌坩堝。攪拌下迅速轉移至已加入50mL 36.8%鹽酸溶液和50mL熱水的250mL容量瓶中，洗凈玻璃棒和燒杯，一并轉入容量瓶中，待溶液完全冷卻后定容至刻度，搖勻，放置。用移液管準確移取10.0mL所配溶液于100mL容量瓶中，補加9.00 mL鹽酸溶液，用蒸餾水定容至刻度，搖勻，放置后直接進行ICP－AES測試。

2 結果與討論

2.1 碎斑流紋巖的成分分析

碎斑流紋巖的XRD圖譜見圖1。

圖1 流紋巖的XRD圖譜Fig.1 XRD Pattern of porphyroclastic rhyolite

由圖1可知，2θ為20°～30°的區域出現比較寬大的衍射峰，表明了玻璃相的存在。玻璃相是碎斑流紋巖在高溫狀態下迅速冷卻形成的，在碎斑流紋巖中占很大比例，玻璃相中的鋁與硅經高溫化合，為非活性體，這使得碎斑流紋巖中鋁、硅分離的難度增大。

碎斑流紋巖的化學組成見表1。

表1 碎斑流紋巖的化學組成／%Tab.1 Chemical constituents of porphyroclastic rhyolite／%

由表1可知，碎斑流紋巖中硅、鋁的含量相對較高，硅鋁分離至關重要。

2.2 硅、鋁分離條件的優化

采用酸提取法分離硅、鋁。將不同比例的碎斑流紋巖、水、98%濃硫酸混合于反應釜中，在100℃的烘箱中反應4h，冷卻，取出反應釜，稍稀釋后過濾，將濾液移入250mL容量瓶中，冷卻至室溫，用蒸餾水定容至刻度，搖勻，放置待用。從250mL容量瓶中用移液管準確移取10.00mL溶液于100mL的容量瓶中，用蒸餾水定容至刻度，搖勻，放置后直接進行ICP－AES測試，結果見表2。

由表2可知，在原料配比為2.5g流紋巖∶8mL水∶12mL 98%濃硫酸時，硅、鋁幾乎完全分離，并且鋁的提取率也高于其它實驗組。

2.3 氫氧化鋁的制備

將分離硅后的濾液用氫氧化鈉溶液調節pH值至13，在此pH值條件下，鋁以鋁酸鈉的形式存在于溶液中，而鐵、鎂、銅等一些非兩性的金屬元素以沉淀形式存在（表3），沉淀同時吸附鈦等雜質。過濾，濾液用稀硫酸調節pH值至5.2，此時氫氧化鋁完全沉淀，離心分離沉淀，并且用蒸餾水洗后再次離心分離。將沉淀在低于100℃的溫度下烘干，得到較純的干燥氫氧化鋁。

表2 按不同比例混合反應處理后測得的硅、鋁含量Tab.2 Content of silicon and aluminum treated by mixing reaction with different proportions

表3 各沉淀物的pH值Tab.3 The pH value of different precipitates

在其它條件都相同的情況下，比較了分別用稀硫酸和鹽酸調節pH值得到的氫氧化鋁沉淀的量及純度，結果發現稀硫酸的較好。因此，本實驗采用稀硫酸將鋁酸鈉溶液pH值調至5.2。

2.4 剛玉的制備及XRD分析

將裝有干燥氫氧化鋁沉淀的剛玉坩堝置于馬弗爐中，在950℃下煅燒30min，取得到的結晶粉末進行X－射線粉末衍射測定，結果見圖2。

圖2 氫氧化鋁950℃煅燒30min粉末的XRD圖譜Fig.2 XRD Pattern of Al（OH）3powder calcinated at 950℃for 30min

將圖2的XRD圖譜與剛玉的標準圖譜對比，有很高的相似度，但由于溫度不高，其中還摻雜了其它的氧化鋁形態。

3 結論

以碎斑流紋巖為原料制備剛玉。將2.5g流紋巖、8mL水、12mL 98%濃硫酸混合于反應釜中在100℃的烘箱中反應4h，冷卻，過濾；濾液用氫氧化鈉溶液調節pH值至13，沉淀析出，過濾；濾液用稀硫酸調節pH值至5.2，氫氧化鋁完全沉淀，離心分離，沉淀在低于100℃的溫度下烘干，再于950℃下煅燒30 min，得到剛玉，產物經XRD確證。研究表明利用流紋巖制備剛玉在技術上是可行的，并且耗能少，符合可持續發展要求，適合大規模生產。同時也找到了一種新的制備鋁化合物的原料——碎斑流紋巖。

［1］王小強，楊惠玲.電感耦合等離子體發射光譜法測定鉻礦石中的二氧化硅［J］.巖礦測試，2012，31（5）：820－823.

［2］張曉云，馬鴻文，王軍玲.利用高鋁粉煤灰制備氧化鋁的實驗研究［J］.中國非金屬礦工業導刊，2005，（4）：27－30.

［3］王文靜，韓作振，程建光，等.酸法提取粉煤灰中氧化鋁的條件選擇［J］.能源環境保護，2003，17（4）：17－20.

［4］張彬.微波場中氫氧化鋁煅燒工藝及氧化鋁晶型轉變研究［D］.昆明：昆明理工大學，2012.

［5］韋志仁，林巖.水熱法合成α－Al2O3晶體的晶面形態［J］.人工晶體學報，2002，31（6）：583－589.

［6］張志剛，楊淑珍，黃友芬.硅酸鹽環境標準參考物質中硅的定值方法——氟硅酸鉀容量法［J］.環境科學，1990，11（5）：48－52，96.

［7］王建國，和鐘鏵，許文良.大興安嶺南部鈉閃石流紋巖的巖石成因：年代學和地球化學證據［J］.巖石學報，2013，（3）：853－863.