直接水解法生產高純氧化鋁工藝研究

昝 超，唐發滿，李增榮，李積升

（1.中國五礦集團 鹽湖有限公司，青海 西寧 810001；2.中國科學院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008）

高純氧化鋁（純度≥99.995%）具有普通氧化鋁無法比擬的光[1]、電、磁、熱和機械性能，在高技術新材料領域[2]和現代化工業[3]中有著廣泛應用，主要用作LED 用藍寶石基底[4]、人工晶體[5]、鋰電池隔膜涂層、三基色熒光粉、等離子體顯示材料、長余輝熒光粉、高壓鈉燈的透明氧化鋁陶瓷管[6]、高精度研磨材料[7]及人工關節和骨骼、紅外吸收和發熱粉等高技術新材料領域最為關鍵的基礎材料。高純氧化鋁已成為先進無機非金屬材料中的一大重要分支[8]，根據應用領域和技術難度的不同，將高純納米氧化鋁的各細分市場分為低端、中端、高端3 個領域。低端：集成電路基板、熒光粉用高純氧化鋁等；中端：LED 襯底用高純氧化鋁；高端：鋰電池陶瓷隔膜用高純氧化鋁。低端的特點在于對高純氧化鋁的純度和粒度要求不高；中端的特點在于對純度要求高、而粒度要求不高；高端的特點在于對純度和粒度均有嚴格要求。

1 生產工藝介紹

氧化鋁的存在形態主要有α、β、γ、θ 和δ。主要是由煅燒的溫度不同而顯示出不同的晶型[9-11]，其中α-Al2O3為在1450℃時煅燒的產物。因而α-Al2O3具備了熔點高、硬度大、機械性能強和化學性能良好等性質[12]，經常作為穩定相或參比物。

目前，國內生產高純氧化鋁的主流技術有：熱解法、氣相合成法、水解法、改良拜耳法。

1.1 硫酸鋁銨熱解法

硫酸鋁銨熱解法，是將已精制的Al2（SO4）3和（NH4）2SO4進行充分混合[13]，得到硫酸鋁銨晶體，再通過控制硫酸鋁銨的結晶過程，使硫酸鋁銨的純度得到提高。最后將晶體放在1200℃的馬弗爐中進行焙燒，得到α-Al2O3。

硫酸鋁銨熱解法生產高純氧化鋁成本相對較低、工藝最簡單、投資最少，但是生產周期長，受原料性質的影響較大，不可控因素較多，存在熱溶解現象，產品純度低，不能滿足高端領域的應用要求。

1.2 碳酸鋁銨熱解法

碳酸鋁銨熱解法[14]采用Al2（SO4）3和NH4HCO3為原料，該工藝生產周期長，增加了生產成本。該方法主要生產99.99%的氧化鋁。

1.3 AlCl3 的氣相合成法

AlCl3的氣相合成制備高純氧化鋁[15,16]，當AlCl3在催化劑的作用下，氣相合成AlOxCly（OH）z，該產物經過1400℃燒結后得到高純氧化鋁。

1.4 高純鋁直接水解法

利用催化劑，對活性鋁粉箔（粉）和水進行溶解反應后，形成Al（OH）3后進行1450℃高溫煅燒，獲得α-Al2O3。該新技術具有純度高、粒徑小、無污染、成本低等優點。

1.5 改良拜耳法

天然鋁土礦經冶金方法制備“普通氧化鋁”，再把氧化鋁的純度提高到3N，均稱為改良拜耳法[17,18]。經過脫雜質后，得到高純Al（OH）3，煅燒后得到α-Al2O3。

1.6 醇鋁水解法

醇鋁水解法，醇類（異丙醇）[19,20]和鋁粉在催化作用下生成醇鋁溶液，再經過水解，可生成Al（OH）3，高溫燒結Al（OH）3可得到高純α-Al2O3。

2 工藝比選

對國內生產高純氧化鋁企業的幾種工藝技術方案的原理及其優、缺點和成本進行了比較，結果見表1。

表1 國內生產高純氧化鋁的主要工藝對比分析Tab.1 Comparison and analysis of main processes for producing high purity alumina in China

由表1 可見，經過6 種高純氧化鋁的生產工藝比選，高純鋁直接水解法具有工藝簡單、環境友好型、成本低的優點，適應可持續發展理念，因此，該工藝產業化前景良好。

3 工藝流程簡介

鋁水直接水解法工藝過程主要由高純鋁經過中頻爐熔化和急冷霧化裝置噴霧制成鋁粉，鋁粉與水在合成釜中發生反應，生成Al（OH）3和H2；Al（OH）3漿液通過過濾機分離得到濾餅，濾液加以回收利用；濾餅經過800℃焙燒得到γ-Al2O3，再經過氣流粉碎得到γ -Al2O3超細粉體；γ -Al2O3超細粉體經過1200℃焙燒得到α-Al2O3粉體；α-Al2O3粉體再經過濕法研磨分散、噴霧干燥、氣流粉碎便得到高純超細α-Al2O3粉體。

圖1 直接水解法生產高純氧化鋁工藝流程Fig.1 Process flow of direct hydrolysis to produce high purity alumina

4 結論

直接水解法生產高純氧化鋁的技術關鍵：

（1）鋁的純度直接影響高純氧化鋁品質，因此，選擇高純度的鋁或對鋁進行提純，來降低生產成本。

（2）鋁粉在水中水解后，會形成Fe（OH）3、Ni（OH）2、Zr（OH）4等無機物，影響高純氧化鋁的純度，必須使用高純水避免金屬離子污染。

（3）金屬刀將鋁塊（條）加工成鋁粉時可能混入鐵離子污染，因此，為避免此現象的發生，盡量使用合金刀。

（4）燒結溫度的控制及粉碎裝置，制備高純氧化鋁產品的粒度可通過燒結溫度進行控制，通過氣流粉碎裝置來提高產品粒度。

采用直接水解法生產的高純氧化鋁（純度≥99.995%），該純度滿足國內外許多廠家的需求。該工藝生產的粉體顆粒均勻、細小，已批量生產，受到各國的關注。高純氧化鋁的制備關鍵之處在于粉體的純度，而該方法具有綠色環保、無毒和無害的優點。因此，直接水解法制備高純氧化鋁對工業生產具有重要意義。