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，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，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)，可能會有氟化物釋放，如果沒有嚴(yán)格的控制會導(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)會對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)會有氣泡嵌入硫酸鋁銨晶體，會降低晶體的松裝密度，以及導(dǎo)致晶體呈現(xiàn)出多孔狀，不僅會降低產(chǎn)量，還會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

目前，解決密度過小的問題，會使用低溫真空脫水的方式，然后熱分解爐對硫酸鋁銨晶體進(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，因此依然會有一定的雜質(zhì)，所以生產(chǎn)的周期會比較長。

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。但是該方法會產(chǎn)生更多的廢液，并且加長了生產(chǎn)周期，對生產(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。