偏鋁酸鈉溶液碳分制備氫氧化鋁粉體實驗研究

陳媛媛，韓中艷，陳 秋，梅 菊

（六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

氫氧化鋁粉體平均粒徑很小，表面積大，多數(shù)粉體易發(fā)生團聚，很難均勻分散，其在工程工藝中應(yīng)用廣泛，在物理和化學(xué)的運用方面具有多種優(yōu)異性質(zhì)[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展和社會的需求，很多產(chǎn)品朝著精細(xì)化的要求而發(fā)展，粉體制備的研究和開發(fā)在技術(shù)和方法上得到了新的研究進展[2-4]。氫氧化鋁粉體是一種無毒無味的白色粉末，不易揮發(fā)，晶格結(jié)構(gòu)為八面體的配合物，結(jié)晶屬于單斜晶系，化學(xué)穩(wěn)定性好，為典型的兩性化合物，不溶于水，其在中性介質(zhì)中，電離常數(shù)很小，存在堿式電離常數(shù)大于酸式電離常數(shù)的關(guān)系，所以氫氧化鋁通常略顯堿性[5]。氫氧化鋁粉體有許多優(yōu)良的物理化學(xué)性能，具有阻燃、消煙和做填料等多重功能，并且屬于環(huán)保型無機阻燃劑，因為不會產(chǎn)生二次污染，能協(xié)同多種物質(zhì)產(chǎn)生阻燃效應(yīng)。氫氧化鋁粉體是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品[6]，在很多行業(yè)中成為重要的環(huán)保型阻燃劑，如化工生產(chǎn)、塑料橡膠、造紙業(yè)、涂布顏料、航天電子、醫(yī)學(xué)藥品等方面。

1 實驗

1.1 偏鋁酸鈉溶液的配制

水浴鍋中，稱取一定量氫氧化鈉溶于蒸餾水中，待氫氧化鈉全部溶解后，再稱取氫氧化鋁溶于氫氧化鈉溶液中，苛性比（NaOH和Al(OH)3物質(zhì)的量比）不宜過大，加熱煮沸，冷卻，稀釋過濾，將溶液密封備用；經(jīng)測定所配制的偏鋁酸鈉溶液中鋁元素濃度為1.54mol/L。

1.2 碳分沉淀氫氧化鋁粉體流程

量取100ml配制的偏鋁酸鈉溶液100ml于塑料燒杯中，塑料燒杯在水浴鍋中保持恒溫；將CO2通入到偏鋁酸鈉溶液中，通過控制CO2的通氣速率、分解溫度和pH值進行碳分反應(yīng)。反應(yīng)所產(chǎn)生的白色沉淀通過過濾、干燥、粉碎后，即得到氫氧化鋁粉末。

將塑料燒杯置于超聲波清洗器中，通入CO2，通過控制CO2的通氣速率、分解溫度、pH值和超聲波功率進行碳分反應(yīng)。相同的操作步驟。將所得的沉淀通過過濾、干燥、粉碎后，即得到氫氧化鋁粉末。

1.3 分析測定方法

本次實驗用了兩種測定方法，XRD（X-射線衍射）和激光粒度分析。X-射線衍射對粉體進行物相分析，激光粒度分析儀測定粉體粒度。

2 實驗原理

向偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w，溶液中因形成碳酸化的偏鋁酸鈉[7]，苛性比降低，通過反應(yīng)氫氧化鋁以晶體形式析出，其反應(yīng)原理如下：

式（1）是CO2氣體通入偏鋁酸鈉溶液中，氣液轉(zhuǎn)化的一個過程；式（2）是酸性氣體二氧化碳與游離的氫氧化鈉的中和反應(yīng)；式（3）是碳分法的本質(zhì)反應(yīng)，二氧化碳?xì)怏w通入偏鋁酸鈉溶液中，隨著反應(yīng)的進行，有大量白色沉淀析出，白色沉淀為氫氧化鋁，該過程按“表面成核”機制進行；式（4）為偏鋁酸鈉的水解反應(yīng)；式（5）是碳分過程中的副反應(yīng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳分產(chǎn)物

圖1 粉體XRD圖

圖1為偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生的白色粉體的XRD圖，由圖可知在此反應(yīng)過程中產(chǎn)生了Al(OH)3粉體，除了氫氧化鋁外，還含有少量的NaAlCO3(OH)2。

3.2 CO2通氣速率的影響

取1.54 mol/L的偏鋁酸鈉溶液100 mL在燒杯中，在水浴鍋中溫度為50℃條件下通入CO2氣體、二氧化碳的通氣 速 率 分 別0.1L/min、0.2L/min、0.3L/min、0.4L/min、0.5L/min，控制溶液pH值為12后停止實驗，過濾、干燥、粉碎，測定粉體粒徑。相同的實驗過程，選擇超聲波清洗器代替水浴鍋，超聲波清洗器功率選擇300W。結(jié)果如圖2所示。

碳分過程中CO2的通氣速率可以控制氫氧化鋁晶體沉淀的速度，當(dāng)通氣速率越快，出現(xiàn)沉淀時間越短。CO2通氣速率太快或者太慢都不利于氫氧化鋁的結(jié)晶，CO2的通氣速率控制得當(dāng)氫氧化鋁的析出會以初期析出的微粒為晶核并且能夠在表面繼續(xù)結(jié)晶生長。研究發(fā)現(xiàn)，要使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑最佳應(yīng)控制CO2的通氣速率為100L/h～200L/h。

圖2 CO2流量對粉體粒徑的影響

在濃度為1.54mol/L的偏鋁酸鈉溶液100mL中通入CO2，通過實驗得出，如圖2所示，通氣速率為0.1L/min時產(chǎn)生的氫氧化鋁粉體粒徑為12.940um,通氣速率為0.2L/min時沉淀的氫氧化鋁粉體粒徑為19.914um，二者相差6.940um，但通氣速率為0.2L/min時沉淀產(chǎn)生的速率比通氣速率為0.1L/min時沉淀產(chǎn)生速率快，二者時間相差約6min，因此要使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑最佳應(yīng)控制CO2的通氣速率為0.2L/min。

對比圖2中相同CO2通氣速率對氫氧化鋁粉體粒徑的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同通氣速率下，超聲波場中沉淀析出的Al(OH)3粉體具有更小的顆粒，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是超聲波空化效應(yīng)和機械效應(yīng)對偏鋁酸鈉溶液的震蕩作用使得溶液中氫氧化鋁成核難度增大，粉體成核分散度增強，產(chǎn)生的顆粒更小。

3.3 分解溫度的影響

圖3 溫度對粉體粒徑的影響

在CO2的通氣速率為0.2L/min反應(yīng)條件下，分別在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃溫度下進行實驗，其他實驗條件同CO2通氣量實驗，得到粒度不同的氫氧化鋁產(chǎn)品。

如圖3所示，35℃得到的產(chǎn)品粒度最細(xì)，粒徑為11.591 um，所以最佳碳分分解溫度為30℃。這是因為低溫會加速二次成核，得到粒度較細(xì)的氫氧化鋁；溫度升高會減少的二次成核的發(fā)生，晶體生長速度增強。在超聲波場中，當(dāng)分解溫度為30℃時，產(chǎn)品粒徑最細(xì)，粒徑為7.585 um，所以超聲波輔助沉Al(OH)3的最佳碳分溫度是30℃。較低的溫度有利于獲得粒徑更小的粉體。

3.4 終點pH值的影響

根據(jù)實驗結(jié)果圖4可以看出，隨著pH值的增大，粉體粒徑增大，由于反應(yīng)時間越短，二氧化碳通入量越少，體系呈堿性，pH值的越大，粉體粒徑越大。終點pH值對Al(OH)3粉體粒徑的影響單因素實驗中，碳分終點pH值為9時，Al(OH)3粉體粒徑最細(xì)，粒徑為7.509 um，所以最佳終點pH值為9。

圖4 終點pH對粉體粒徑的影響

3.5 超聲功率的影響

通過最佳通氣速率、最佳碳分分解溫度和最佳終點pH值的確定，在最優(yōu)值條件下，改變超聲波功率比較粉體粒徑，確定最佳碳分超聲功率。

實驗結(jié)果如圖5所示：當(dāng)超聲波功率為270W時，粉體粒徑最小，超聲時間為25min，粒徑為9.147um,由此可以得出，最佳超聲功率為270W。

根據(jù)上述單因素實驗，得出了超聲波場碳分制備氫氧化鋁粉體的最佳實驗條件：最佳通氣速率0.2L/min、碳分溫度30℃、終點pH值為9、超聲波功率270W。在最佳實驗條件下，氫氧化鋁粉體粒徑為6.537um。

4 結(jié)論

以偏鋁酸鈉溶液和CO2氣體為原料，以常規(guī)無攪拌和超聲波攪拌碳分法制備氫氧化鋁，研究了不同因素、不同反應(yīng)條件對產(chǎn)物粉體粒徑的影響，確定了最佳工藝條件，主要內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）相同條件下，超聲波場較常規(guī)無攪拌條件獲得的粉體粒徑更小。

（2）超聲波輔助碳分制備氫氧化鋁粉體的最佳實驗條件為：通氣速率0.2L/min、分解溫度30℃、終點pH值為9、超聲波功率270W，所得氫氧化鋁粉體粒徑為6.537um。