鋁粉粒徑及分布對工業合成氫化鋁鈉的影響

李新娟

摘要：鋁粉的粒徑及分布對工業合成氫化鋁鈉的穩定性、反應速率和鈉的轉化率都有很大影響，在文中實驗條件下，使用鋁粉粒徑D50為51.4um，粒徑范圍在1.66um～630.96um的鋁粉進行反應，反應劇烈，反應的穩定性好，金屬鈉的轉化率高于97.5%，能夠滿足工業化生產氫化鋁鈉循環生產的工藝要求。

關鍵詞：鋁粉；粒徑；氫化鋁鈉；轉化率

氫化鋁鈉（SAH）生產中使用的鋁粉長期依賴進口，成本較高；鋁粉化學性質活潑，易與空氣中的氧氣、水汽等發生化學反應導致鋁粉潮解結塊，長途運輸影響鋁粉的品質，鋁粉國產化生產勢在必行。六九硅業有限公司用液態鈉、鋁粉和氫氣直接反應生成SAH，通過實驗確定了反應物鋁粉的最佳粒徑分布，并研究了不同粒徑的鋁粉對反應的影響。本文使用的鋁粉由氮氣霧化法鋁粉生產工藝生產。

氫化鋁鈉應用廣泛，是性能優良的有機反應的還原劑，用以還原羧基、酯基等；1997年，德國一研究所的Bogdanovic首次報道了SAH的可逆儲氫性能，之后研究人員對這一材料不同條件儲氫性能的研究進行了多方探索。20世紀60年代，Ashby和Clasen各自通過活性鋁、Na或NaH與H2在高溫高壓下合成出SAH。

一、實驗部分

試驗中鋁粉1270Kg（含鈦2000ppm），金屬鈉為1030Kg，反應溫度為140℃，壓力為13.79Mpa。通過氫氣流量來控制反應的壓力。采用三種（1）（2）（3）不同粒徑分布的鋁粉，在反應釜內進行反應。根據反應的轉化率和反應的穩定性及反應產物固體成分來確定鋁粉的適用性。反應中使用的鋁粉使用mastersizer2000激光粒度分析儀進行了粒徑分布的分析，使用JSM- 6390數字化掃描電鏡對鋁粉的形貌和粒徑分布進行了分析。試驗中鋁粉過量，保證金屬鈉反應完全，防止副反應發生。金屬鈉過量時會發生如下的副反應。

2NaAlH4+4Na+2H2=2Na3AlH6。六氫合鋁酸鈉在DME中的溶解性較差，引起產物的固含量升高。并且和四氟化硅反應生成的硅烷量比與氫化鋁鈉反應量低。因此應盡量避免金屬鈉過量的情況發生。

二、結果與分析

1、鋁粉的形貌和粒徑分布分析。（1）鋁粉的SEM圖可看出，鋁粉成不規則的橢圓球形或球形，比表面積較大。有利于不同相之間的化學反應。使用（1）和（2）的鋁粉合成氫化鋁鈉，化學反應速度都比較快，鈉的轉化率均超過97.5%。但由于工業生產中溶劑和催化劑回收循環使用，（1）中鋁粉反應后甲苯預混罐的固含量超過標準要求[9]（2）中鋁粉反應后甲苯預混罐的固含量符合標準要求。分析認為：（1）是太細粒徑的鋁粉比例太大，化學反應速率快，生成的氫化鋁鈉固體比較蓬松，顆粒沉降慢，在回收溶劑和催化劑到預混罐時，未沉降的固體顆粒回到預混罐，導致預混罐固含量升高。預混罐固含量高會影響后續反應，引發質量事故，故（1）中粒徑的鋁粉不能滿足工業化生產氫化鋁鈉的穩定性的要求。

2、用激光粒度分析儀對（1）（2）兩種鋁粉進行鋁粉粒徑分析，（1）粒度分布：D10： 11.8um D50：35.5um D90：87um<45um78.6%D50：一個樣品的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑。它的物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%，D50也叫中位徑或中值粒徑。D50常用來表示粉體的平均粒度。（2）粒度分布：D10： 12.2um D50 51.4um D90 189um<45um62.4%鋁粉（1）粒徑分布在1.90um～416.87um之間，鋁粉（2）粒徑分布在1.66um～630.96um之間，都呈正態分布。（1）中鋁粉粒徑小，有利于鋁粉參與化學反應，反應速率快，反應時間縮短，但不利于控制。因工業生產循環進行，鋁粉反應后生成的氫化鋁鈉固體顆粒的沉降速度和固液兩相是否能良好的分層決定了循環生產的穩定性。（2）中鋁粉粒徑小，粒徑分布范圍較窄，參與反應生成的氫化鋁鈉固體粒徑也小，不利于沉降，固液不能很好的分層；部分懸浮固體顆粒極易回收到預混罐，導致預混罐的固含量超標[9]，影響反應的穩定性。（2）中粒徑分布的鋁粉能較好的實現產物氫化鋁鈉的沉降分層。分析認為較大粒徑的鋁粉生成的氫化鋁鈉固體顆粒沉降速度較快，對較細粒徑的固體起到了群體沉降的作用，固液之間能實現良好的分層，能滿足工業循環生產的工藝要求。反應中鋁粉過量，設計反應物物質的量的配比符合工藝要求。

3、鋁粉粒徑分布（3）的實驗結果。當鋁粉的粒徑分布大于（2）中情形時，發現反應的穩定性好，滿足工業化制備氫化鋁鈉循環生產的需求，但金屬鈉的轉化率低于97.5%。分析認為較大粒徑的鋁粉只有表面參與了化學反應，生成的氫化鋁鈉附著在鋁粉的表面，阻止了反應的進一步進行，有部分粒徑較大的鋁粉內部沒有參與反應，所以直接導致反應的轉化率降低。另外，鋁粉粒徑過大，部分產物氫化鋁鈉固體會在物料轉移過程中沉降，造成轉移困難，較大顆粒的產物堆積在反應釜底部，一方面可能堵塞轉移物料的浸漬管；另一方面殘留固體影響下一個批次的反應，影響反應的穩定性。

三、結語

鋁粉粒徑（1）的鋁粉進行反應，反應劇烈，金屬鈉的轉化率平均值大于97.5%，但生成的產物SAH不易沉降，反應的穩定性差，不能滿足工業化生產氫化鋁鈉循環生產的要求；鋁粉粒徑（2）的鋁粉進行反應，反應劇烈，反應的穩定性好，金屬鈉的轉化率平均值大于97.5%，能滿足工業化生產氫化鋁鈉循環生產的工藝要求。當鋁粉平均粒徑大于（2）時，反應穩定性好，但金屬鈉的轉化率平均值低于97.5%，部分較大粒徑的鋁粉沒有全部參與反應。

參考文獻

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