專利名稱：高純氧化鋁的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用高純度的金屬鋁作原料通過化學(xué)反應(yīng)制備高純度的氧化鋁的方法。
背景技術(shù)：
高純氧化鋁主要用于稀土熒光材料、高壓鈉燈管及其它諸如磨料、催化劑和結(jié)構(gòu)陶瓷等特種氧化鋁應(yīng)用場合，高純氧化鋁中金屬雜質(zhì)含量必須很少(小于0.01％)，硫化物和氯化物也是有害的。
現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)高純氧化鋁的方法有以下幾種一個是拜耳法氧化鋁的漂洗，拜耳法氧化鋁和氫氧化鋁中含有過量的鈉和硅，這些雜質(zhì)的濃度可以通過改變氫氧化鋁的析出條件或漂洗煅燒的氧化鋁來降低，但這些工藝花費昂貴，對控制所需雜質(zhì)水平不可靠。
中國專利文獻95103368.9和95105843.6涉及一種用鹽析法生產(chǎn)氧化鋁及氧化鋁微粉的工藝方法，其主要缺點是純度較低，環(huán)境污染嚴(yán)重。
中國專利文獻93110316.9涉及一種高純超細(xì)氧化鋁生產(chǎn)工藝及裝置，銨明礬分解制得γ-Al12O3，然后轉(zhuǎn)相為α-Al2O3，煅燒產(chǎn)生腐蝕性酸氣，具有經(jīng)濟和環(huán)境問題。
選擇高純金屬鋁作為生產(chǎn)氧化鋁的原始材料具有很大的優(yōu)勢，因為現(xiàn)在可以在工業(yè)規(guī)模上大量廉價生產(chǎn)99.99％的鋁。
從金屬鋁制備氧化鋁的方法有多種，一種是水熱氧化金屬鋁，金屬鋁在高溫下(350-400度)及高壓(68-308大氣壓)下生成氧化鋁，這些條件需要高壓反應(yīng)容器，使金屬完全反應(yīng)需要很長的時間。
CN1079718將純鋁片或屑放入0.5％氯化汞水溶液中活化一分鐘后取出，再放入蒸餾水中水解，最后用高溫?zé)崽幚韥砜刂蒲趸X納米顆粒的尺寸和相。汞對環(huán)境和人體的損害是此方法的致命弱點。
金屬鋁在非水條件下與醇反應(yīng)生成醇鋁，醇鋁與水反應(yīng)生成氫氧化物，中國專利文獻91111373.8和中國專利文獻97103240.8公開了一種通過低碳醇鋁水解反應(yīng)制備超微細(xì)高純氧化鋁的方法，能得到純度大于99.99％、粒度均勻的超微細(xì)度純氧化鋁產(chǎn)品。此工藝需要較大量的醇的存貨及蒸餾系統(tǒng)，操作時著火和爆炸的危險性大，同時產(chǎn)品的成本高。
CN87106229公開了一種生產(chǎn)高純度氧化鋁的方法，該方法包括由鋁母金屬和含氧氣相氧化劑形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，直接氧化純鋁只有當(dāng)鋁粉很細(xì)(74μ)時才有可能，金屬鋁與氧或氧化劑反應(yīng)非常迅速，所以氧化鋁被氧化熱所熔融，這意味著鋁粉的氧化既難以控制，又有潛在的危險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)品質(zhì)量高、工藝條件要求低、無環(huán)境污染、成本低的高純氧化鋁的制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種高純氧化鋁的制備方法，采用膽堿與高純金屬鋁反應(yīng)生成膽堿化鋁，膽堿化鋁水解生成氫氧化鋁和膽堿，將氫氧化鋁洗滌過濾析出、煅燒研磨后得到高純的α氧化鋁。
本發(fā)明的目的還可以這樣實現(xiàn)膽堿與高純金屬鋁的反應(yīng)溫度為20-80℃，膽堿濃度控制在0.1-2.0M。
所述的高純金屬鋁為金屬鋁箔或鋁粉，鋁含量為99.99％以上。
所述的金屬鋁箔是采用硬質(zhì)合金或剛玉軋輥軋制而成的。
所述的膽堿是采用強陰離子交換樹脂將氯化膽堿轉(zhuǎn)化為膽堿而制成的。
所述的反應(yīng)在耐強堿的塑料容器中攪拌壓縮空氣鼓泡實現(xiàn)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)產(chǎn)品純度高，質(zhì)量好。最終產(chǎn)品氧化鋁純度可達99.99％；2)在帶攪拌的反應(yīng)器中以溫和的工藝條件操作，對環(huán)境友好，無毒害無污染；3)成本較低，經(jīng)濟上具有吸引力。
具體實施例方式本發(fā)明是一個用膽堿取代大家熟悉的拜耳工藝中的氫氧化鈉的循環(huán)反應(yīng)——析出的過程。在帶攪拌的反應(yīng)容器中以溫和的工藝條件操作，對環(huán)境友好，經(jīng)濟上具有吸引力。
間接生產(chǎn)氧化鋁或間接使鋁與水或其它水溶性氧化劑反應(yīng)生成氫氧化鋁，然后燃燒，這種方法比直接氧化法可以較好的控制反應(yīng)速度(以及控制產(chǎn)品雜質(zhì)的帶入量)。
堿金屬與四合氫氧化銨(分子式[(CH3)3N(CH2CH2OH)]OH，簡寫為ROH)的反應(yīng)可以方便的將金屬鋁轉(zhuǎn)化為氫氧化鋁而不產(chǎn)生任何污染，特別是四合氫氧化銨有四個有機基團與胺中的氮原子以共價鍵連接，ROH是強堿，在強度上與堿金屬氫氧化物類似，這與有機胺(如一胺、二胺、三胺)是弱堿的結(jié)論截然相反，ROH的強度來源于四個有機基團與氮原子的連接，共價鍵的有機基團避免了氮原子與水的接觸(如胺)，強迫OH-完全離子化，本發(fā)明中膽堿以循環(huán)方式操作，循環(huán)方式使試劑的消耗達到最小，煅燒時產(chǎn)生的副產(chǎn)物量最少。
膽堿用于本發(fā)明是因為其低毒及較好的適用性，膽堿的分子結(jié)構(gòu)式為 本發(fā)明高純氧化鋁制備過程化學(xué)反應(yīng)式為 其中R+OH-為膽堿分子式[(CH3)3N(CH2CH2OH)]OH的簡寫。
本發(fā)明采用99.996％的精鋁作為原料，其雜質(zhì)金屬分析如表1。
膽堿可利用將氯化膽堿通過強堿性離子交換樹脂制備，膽堿濃度控制在0.1-2.0M(用鹽酸作標(biāo)準(zhǔn)滴定)，氯化膽堿向膽堿的轉(zhuǎn)化不完全，膽堿堿性比氨和胺強，但比氫氧化鈉落弱，其毒性是由于其腐蝕性和強堿性。
反應(yīng)容器由聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等耐強堿塑料制成，攪拌壓縮空氣鼓泡實現(xiàn)，溫度通過循環(huán)冷水和熱水通過內(nèi)置管路控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料對保持產(chǎn)品純度很重要。反應(yīng)速度由監(jiān)視氫氣逸出的速度來判斷，反應(yīng)物通過真空抽濾、沉降、壓濾，大量未反應(yīng)的金屬在此步得到恢復(fù)，氫氧化鋁在110℃空氣中干燥。
大量生產(chǎn)時，適量的金屬鋁、水、膽堿反應(yīng)到反應(yīng)速度很低或停止，移去漿料，進行固液分離，周期性的加入金屬鋁，移去漿料。氫氧化鋁通過過濾、噴霧干燥得到干粉，膽堿循環(huán)回反應(yīng)容器，干燥后氫氧化鋁在窯爐中放在高純氧化鋁坩堝中煅燒，煅燒后的氫氧化鋁用高純氧化鋁球在球磨機中粉碎。
膽堿的堿性通過測量不同溫度下膽堿水溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率來確定，電導(dǎo)率是測量膽堿離子化的比較簡便的方法。同一濃度不同溫度的電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，隨溫度的升高而增大，這一點同其它電解質(zhì)一樣。電導(dǎo)率檢測結(jié)果表明，膽堿在小于0.5M時為強堿。
膽堿水溶液在接近100℃時分解，主要反應(yīng)為(溶)0.5M的膽堿溶液在75℃恒溫水浴中放置28h無濃度變化，沒有明顯分解，因為任何分解會導(dǎo)致比電導(dǎo)的顯著變化。所在熱分解不會成為本發(fā)明推廣應(yīng)用的問題，本實驗已經(jīng)重復(fù)了的膽堿分解的最苛刻條件。在實際操作中，膽堿溶液部分轉(zhuǎn)化為膽堿鋁化物，這也反過來會降低膽堿的分解速率。如前所述，純度是氧化鋁產(chǎn)品最重要的問題。雖然操作過程中不可避免的會帶入雜質(zhì)，但是只要仔細(xì)操作最終的產(chǎn)品純度仍然超過了99.99％的目標(biāo)(見表1)。
表1

在煅燒以前部分膽堿存在與氫氧化鋁中，但煅燒后不會殘留碳和氮。反應(yīng)器中生產(chǎn)的氫氧化鋁的粒度決定于溫度、過飽和度、晶種的存在。然而，在工業(yè)規(guī)模的操作中，這些參數(shù)均保持相對穩(wěn)定，然而粒度分布可以通過修改操作參數(shù)來改變。析出、煅燒、研磨和分級的正確匹配可以生產(chǎn)任何需要的粒度分布。
氫氧化鋁的比表面為25-60m2/g，這樣高的比表面來自于析出期間小晶體的團聚。煅燒氫氧化鋁可以產(chǎn)生2-400m2/g比表面積。
沒有晶種時，膽堿和金屬鋁反應(yīng)生成的氫氧化鋁的晶相為拜耳石。
生產(chǎn)出氫氧化鋁后，采用傳統(tǒng)的煅燒研磨工藝生產(chǎn)α氧化鋁，通過調(diào)節(jié)析出、煅燒、研磨、分級操作可以使最終的α氧化鋁產(chǎn)品的性質(zhì)最佳化，以滿足具體應(yīng)用的需要。
本方法制備的氧化鋁特別適用于高壓鈉燈管、稀土發(fā)光材料、高級研磨材料、精細(xì)陶瓷領(lǐng)域。
實施例將0.1mm厚的鋁箔100g放入1000毫升的燒杯中，加入600毫升0.5M的膽堿水溶液，放在75℃的恒溫水浴中，每30分鐘用下班棒攪拌一次，反應(yīng)24小時，這時絕大部分鋁箔已經(jīng)轉(zhuǎn)化成氫氧化鋁粉體，剩余的極少量未反應(yīng)完全的鋁箔沉降在燒杯的底部，過100目篩，篩下為氫氧化鋁，篩上為未反應(yīng)完全的鋁箔，烘干后稱重約5g，將氫氧化鋁用真空抽濾，濾液返回?zé)?，濾餅用高溫馬弗爐在1200℃煅燒4小時，得到α-Al2O3粉體183g。
權(quán)利要求
1.一種高純氧化鋁的制備方法，其特征在于采用膽堿與高純金屬鋁反應(yīng)生成膽堿化鋁，膽堿化鋁水解生成氫氧化鋁和膽堿，將氫氧化鋁洗滌過濾析出、煅燒研磨后得到高純的α氧化鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純氧化鋁的制備方法，其特征在于膽堿與高純金屬鋁的反應(yīng)溫度為20-80℃，膽堿濃度控制在0.1-2.0M。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高純氧化鋁的制備方法，其特征在于所述的高純金屬鋁為金屬鋁箔或鋁粉，鋁含量為99.99％以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高純氧化鋁的制備方法，其特征在于所述的金屬鋁箔是采用硬質(zhì)合金或剛玉軋輥軋制而成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高純氧化鋁的制備方法，其特征在于所述的膽堿是采用強陰離子交換樹脂將氯化膽堿轉(zhuǎn)化為膽堿而制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高純氧化鋁的制備方法，其特征在于所述的反應(yīng)在耐強堿的塑料容器中攪拌壓縮空氣鼓泡實現(xiàn)。
全文摘要
一種高純氧化鋁的制備方法,其主要特征是采用膽堿與高純金屬鋁反應(yīng)生成膽堿化鋁,膽堿化鋁水解生成氫氧化鋁和膽堿,將氫氧化鋁洗滌過濾、析出煅燒、研磨等粉體處理工藝后得到高純的α氧化鋁。本發(fā)明具有產(chǎn)品純度高、質(zhì)量好,工藝條件要求低,環(huán)境友好無污染,成本低等優(yōu)點。本發(fā)明制備的高純氧化鋁特別適于用作高壓鈉燈管、稀土發(fā)光材料、高級研磨材料、精細(xì)陶瓷等領(lǐng)域。
文檔編號C01F7/42GK1374252SQ0210899
公開日2002年10月16日 申請日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者駱樹立 申請人:河北省曲周縣鵬達新材料有限公司