超聲場中偏鋁酸鈉溶液碳分制備氫氧化鋁

袁 杰，李 敏，袁著迪，何 超

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

氧化鋁粉體具有高硬度、高絕熱性、高絕緣性等物理性質而廣泛應用于耐磨材料、隔熱與絕緣材料，多孔高比表面積活性氧化鋁粉體常用作催化劑、吸附劑等[1]。氧化鋁制備常用氫氧化鋁作前驅體，目前氫氧化鋁的制備主要有熱分解法[2]、溶膠-凝膠法[3]、沉淀法、水熱法[4]、化學氣相沉積法等，但這些方法都存在或生產成本高、或工藝復雜等弊端。相對來說，二氧化碳碳酸化分解(碳分)偏鋁酸鈉溶液沉淀氫氧化鋁法操作簡單，且粉體粒徑可控[5]。

超聲波是一種彈性機械振動波，具有獨特的空化作用，而空化作用在溶液中可以產生微擾效應、界面效應、湍動效應和聚能效應。通過超聲波控制晶體結晶沉淀實現更小粒徑的產生已被證實[6-8]。

試驗研究了通過超聲波強化偏鋁酸鈉溶液碳分沉淀氫氧化鋁粉體，考察了超聲波功率、結晶溫度、CO2流量等對氫氧化鋁晶體粒徑的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

偏鋁酸鈉溶液：用氫氧化鋁(分析純)溶解于氫氧化鈉(分析純)溶液制備。

CO2氣體：99.99%，高純，國瑞氣體公司生產。

1.2 試驗儀器與設備

電子天平，0.000 1 g，上海力辰儀器科技有限公司；超聲波清洗器，KQ-400DE型，昆山舒美超聲儀器有限公司；集熱式電磁加熱攪拌器，DF-101S型，上海秋佐科學儀器有限公司；鼓風干燥箱，101-0BS，力辰科技；激光粒度分析儀，MS2000型，英國馬爾文儀器有限公司；X射線衍射儀，Riguka D/max 2500型，日本電子株式會社。

1.3 試驗原理與方法

表1 Al-H2O體系主要平衡反應式及E-pH關系

圖1 Al-H2O體系的E-pH關系

偏鋁酸鈉溶液中通入CO2，溶液中發生的主要反應見式(1)～(4)[9]。CO2通入氫氧化鈉溶液后，溶液苛性比下降，偏鋁酸鈉按式(2)分解；CO2與偏鋁酸鈉按式(3)反應生成Al(OH)3。

(1)

(2)

2Al(OH)3+Na2CO3；

(3)

2NaAl(CO3)(OH)2+H2O。

(4)

偏鋁酸鈉溶液的配制：在塑料燒杯中，用去離子水溶解氫氧化鈉，水浴鍋中恒溫80 ℃；將氫氧化鋁粉末少量多次加入到氫氧化鈉溶液中，溶解后即得一定苛性比的偏鋁酸鈉溶液。溶液裝于廣口瓶中密封保存于鼓風干燥箱(60 ℃)中備用。試驗所用偏鋁酸鈉溶液苛性比為1.42，鋁元素濃度為1.54 mol/L。

氫氧化鋁粉體的制備：將裝有一定量偏鋁酸鈉溶液的錐形瓶置于超聲波清洗器和集熱式電磁攪拌器中加熱至預設溫度，向溶液中通入CO2氣體以析出氫氧化鋁沉淀。

粉體表征：用激光粒度分析儀測定粉體粒徑，X射線衍射儀(XRD)分析物相與晶型。

2 試驗結果與討論

2.1 超聲波功率對粉體粒徑的影響

取100 mL偏鋁酸鈉溶液2份,分別放入250 mL錐形瓶中，分別置于超聲波清洗器和集熱式電磁攪拌器中加熱至預定溫度60 ℃，然后以0.1 L/min流量通入CO2氣體，控制超聲波功率和機械攪拌速度，持續結晶15 min；過濾干燥后測定粉體粒徑。超聲波功率和機械攪拌速度對氫氧化鋁粉體平均粒徑和粒徑分布的影響試驗結果如圖2、3所示。

圖2 超聲波功率和機械攪拌速度對氫氧化鋁粉體平均粒徑的影響

由圖2看出：隨超聲波功率逐漸增強，粉體平均粒徑呈先減小后增大的“U”形趨勢；相同條件下，超聲波場中的粉體粒徑較機械攪拌條件下的粒徑小。超聲波功率增強可以促進溶液中成核速率增大，較短時間內就可以產生較多的晶核；但晶核粒度較小，且團聚現象較輕。產生這種現象的原因主要是超聲波作用于溶液介質時產生的空化效應和機械效應，使溶液內部存在一定微擾作用，粒子在溶液中的無規則運動較強，成核物質分散更加均勻[10]；高速微沖流可以破壞已成核結晶體，使晶體縫隙處或枝晶處產生裂紋甚至斷裂；空化效應產生的高溫高壓微氣泡長大爆炸也會導致附近的結晶體破碎或生長受抑制。綜合試驗現象，確定超聲波適宜功率為320 W。

a—超聲波；b—機械攪拌。

2.2 碳分溫度對粉體粒徑的影響

取偏鋁酸鈉溶液100 mL于250 mL錐形瓶中，在超聲波清洗器中加熱至預定溫度后通入CO2氣體，氣體流量0.1 L/min，超聲波功率320 W，結晶時間15 min，過濾干燥后測定粉體粒徑。碳分溫度對氫氧化鋁粉體粒徑的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 碳分溫度對氫氧化鋁粉體粒徑的影響

由圖4看出：隨碳分溫度升高，氫氧化鋁粉體粒徑先逐漸減小，在50 ℃時中位粒徑(D50)降至7.509 μm；溫度繼續升高，粒徑又呈增大趨勢。

溫度對碳分過程有直接影響[11]，進而影響氫氧化鋁粉體形貌與粒徑。偏鋁酸鈉溶液的過飽和度隨溫度升高而降低，碳分過程中溫度升高會導致分解反應推動力減小[12]；另外，溶液擴散速率與晶體生長速率成正比，較高溫度有利于晶體的生長。因此，碳分溫度對晶體粒徑的影響較為復雜：溫度較低時，溶液黏度較大，溶液中粒子擴散速率較低，結晶成核速率和晶體生長速率都受到抑制；溫度低于45 ℃后，會發生結晶附聚現象，導致粉體粒徑較大[13]；隨溫度升高，溶液黏度降低、布朗運動增強，結晶成核速率和晶體生長速率都大幅升高，晶體生長方式逐漸由小面化向粗糙化轉變，可能出現枝晶或晶體分形；碳分溫度高于55 ℃，晶體顆粒表面變粗、團聚物表面出現纖維化[14]；此外，工業生產中發現，分解溫度越低，氫氧化鋁晶體中所含不溶Na2O越多[15]。綜合考慮，確定碳分溫度以50 ℃為宜。

2.3 CO2流量對粉體粒徑的影響

其他條件相同，50 ℃下以不同流量通入CO2。CO2流量對氫氧化鋁粉體粒徑的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 CO2流量對氫氧化鋁粉體粒徑的影響

碳分過程中，氫氧化鋁晶體沉淀速度受CO2通入流量和通氣量影響，通氣速率太快或太慢都不利于晶體粒徑和形貌控制。當以較快流量通入CO2時，溶液中產生白色沉淀時間較短，但所得粉體不規則、結構疏松；但CO2流量過慢，產生的晶核量較少，易導致晶體過度生長而產生大顆粒粉體[16]。由圖5看出：CO2通入流量為0.1 L/min時，析出的氫氧化鋁粉體中位粒徑為9.786 μm；隨通入流量提高，粉體中位粒徑先降低而后升高；CO2流量高于0.5 L/min后，粉體中位粒徑急劇增大，這可能是過高的CO2流量加劇了液體攪拌強度，一定程度上促進了晶體生長，這與工業生產中提高攪拌速度可產出更大粒徑氫氧化鋁顆粒結果一致[17]。綜合考慮，CO2通入流量以0.2 L/min為宜。

2.4 綜合試驗

在50 ℃、CO2流量0.2 L/min、超聲波功率320 W、結晶時間15 min條件下進行綜合試驗。所得氫氧化鋁粉體的XRD分析結果如圖6所示，氫氧化鋁粉體粒徑分布如圖7所示。

圖6 氫氧化鋁粉體的XRD分析結果

圖7 氫氧化鋁粉體粒徑分布

由圖6看出：用偏鋁酸鈉溶液經過碳分制備氫氧化鋁，粉體中除氫氧化鋁外，還含有少量NaAl(CO3)(OH)2，可通過高溫煅燒后用稀鹽酸溶液酸洗脫除。由圖7看出：在超聲波輔助下，所得氫氧化鋁粉體中位粒徑為5.565 μm。

3 結論

偏鋁酸鈉溶液碳分可制備氫氧化鋁粉體，以超聲波輔助，所得粉體更細。在溫度50 ℃、CO2流量0.2 L/min、超聲波功率320W、結晶時間15 min 條件下，所得氫氧化鋁粉體較細，中位粒徑為5.565 μm。