CN103241756A - 氧化铝固体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铝固体的制备方法，包括如下工艺步骤：1)将铝屑和有机碱加入去离子水中，在30-99℃下，充分搅拌反应4-24小时，其中：铝屑占总物料质量的1-20％，有机碱占总物料质量的1-20％；2)将步骤1)得到的料液通过50-200微米的筛网筛去除未反应的铝屑，然后过滤，并用去离子水洗涤滤饼，得到氢氧化铝滤饼；3)将步骤2)得到的氢氧化铝滤饼在1000-1400℃下煅烧2-8小时，得到α-Al₂O₃固体。本发明方法产品质量高、工艺要求简单高效、无环境污染、成本低，特别适用于荧光粉原料、高压钠灯、特种陶瓷、特种磨料以及催化剂载体等粉体材料领域。

Description

氧化铝固体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化铝固体的制备方法。具体的讲，本发明涉及一种采用铝屑和有机碱在热水中反应制备氢氧化铝，然后经过多步处理最终得到氧化铝固体的制备方法。 

背景技术

α-A1₂O₃具有比重大、莫氏硬度高、光吸收性高、耐磨性好、耐高温、耐腐蚀等优越性能，在光、电、医疗和信息等领域有着广泛的应用，可用作荧光粉原料、高压钠灯、特种陶瓷、特种磨料以及催化剂载体等粉体材料领域。传统技术生产氧化铝的方法很多，但是难以满足现今日趋严格的产品要求。 

中国专利CN1092382A公开了一种高纯超细氧化铝生产工艺及装置，铵明矾通过窑炉煅烧分解得到氧化铝粉体，生产过程中产生腐蚀性酸气，既破坏设备又污染环境。 

中国专利CN1126177A和中国专利CN1146973A公开了一种盐析法生产氧化铝及氧化铝微粉的工艺方法，其主要缺点是纯度较低、环境污染严重。 

中国专利CN1062124A和中国专利CN1195646A公开了一种通过低碳醇铝水解反应制备超细高纯氧化铝的方法，能得到纯度大于99.99％，粒度均匀，中心粒径0.2-0.3微米的超微细高纯氧化铝。此方法需要大量易燃的醇，在生产过程中存在潜在危险因素，而且提纯工艺对生产设备要求较高，投资较大。 

随着国内外高纯氧化铝致力于应用领域的不断发展、拓宽，在对于高纯氧化铝的物化指标提高的同时，对于其销售价格也更加趋向合理化，如何用经济高效的制备方法生产出符合市场多元化要求的高纯氧化铝产品，就是目前最为关注的焦点。 

中国专利CN1374252A公开了一种高纯氧化铝的制备方法，采用胆碱与高纯金属铝反应生成胆碱化铝，将胆碱化铝水解得到的氢氧化铝经过粉体处理工艺，得到高纯的氧化铝。该方法具有产品质量高、工艺条件要求低、无环境污染、成本低廉的特点。但是缺点在于胆碱合成制备较为困难，较难得到高纯产品，供应商少等因素限制了应用，并且胆碱中的醇羟基会与生成的氢氧化铝作用，从而影响氧化铝产品的形貌及性能。 

中国专利CN101575110A公开了一种氧化铝粉体的制备方法，采用金属铝与季铵碱水溶液反应制备氢氧化铝沉淀，将沉淀过滤、洗涤、干燥、高温煅烧、粉碎后得到氧化铝粉体。该方法工艺条件要求低，环境友好，产品重复性好的优点。但是缺点是用这种方法生产得到99.99％以上纯度的氧化铝必须用至少99.99％以上的高纯铝片、铝箔或铝粉中的一种或几种作为原料，并且对季铵碱的基团有所限制。99.99％以上纯度的片状、箔状、粉状形态的铝质原材料供货源少并且价格非常昂贵，这样显著提高了生产成本。用该方法得到的氧化铝颗粒分布较宽，限制了应用。 

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种产品质量高、工艺要求简单高效、无环境污染、成本低的氧化铝固体的制备方法。 

本发明的反应原理如以下反应方程式所示： 

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：一种氧化铝固体的制备方法，该方法的具体工艺过程如下： 

(1)将金属铝屑和有机碱加入去离子水中，在30-99℃温度下，充分搅拌反应4-24小时； 

(2)将步骤<1>得到的料液通过50-200微米的筛网筛去除未反应的金属铝屑，然后过滤，并用去离子水洗涤滤饼，得到氢氧化铝滤饼； 

(3)将步骤<2>得到的氢氧化铝滤饼经过干燥后，在1000-1400℃煅烧2-8小时后，得到α-Al₂O₃固体； 

(4)将步骤<3>得到的固体经过进一步粉碎得到产品氧化铝固体； 

(5)整个工艺过程中可根据实际产品各项数据检测结果调整工艺步骤： 

①氢氧化铝滤饼水分含量达到煅烧的水份含量要求，滤饼直接进行煅烧得到α-Al₂O₃固体； 

②煅烧得到的α-Al₂O₃固体细度达到产品要求则不需要进行破碎直接得到产品氧化铝固体； 

本发明所采用的铝屑，铝含量至少为99.95％，用铝含量至少为99.95％的铝锭经过铝锭切屑机加工得到，铝屑占总物料质量的1-20％，优选范围：10-15％。 

本发明所采用的原料铝通常是片状、箔状或者粉状形态，有利于提高反应速度。本发明中，原料铝屑由铝锭经过机械加工方法得到，取代了价格昂贵的片状、箔状或者粉状铝质原材料，既保证了原料纯度，又满足了原材料形状要求，同时降低了生产成本。 

本发明所采用的有机碱为季铵碱，其中金属元素杂质含量总和低于十万分之一，优选范围：金属杂质盐含量总和低于百万分之五。季铵碱的纯度经过严格控制可以有效降低产品污染。 

季铵碱的结构通式为R₁R₂R₃R₄N⁺OH^-，如示： 其中R₁、R₂、R₃、R₄可为相同或不同的脂肪基或芳香基，如：四甲基氢氧化铵【(CH₃)₄N⁺OH^-】、四乙基氢氧化铵【(CH₃CH₂)₄N⁺OH^-】、四丙基氢氧化铵【(CH₃CH₂CH₂)₄N⁺OH^-】、(2-羟乙基)三甲基氢氧化铵【(CH₃)₃(HOCH₂CH₂)N⁺OH^-】、苄基三甲基氢氧化铵【C₆H₅CH₂(CH₃)₃N⁺OH^-】。有机碱占总物料质量的1-20％，优选范围：3-6％。 

本发明所采用的去离子水的电导率大于5兆欧，优选范围：电导率大于 10兆欧。 

本发明中，热水温度控制在30-99℃，温度不宜过低，否则反应速度慢；温度也不宜过高，否则会导致有机碱热分解。 

铝水解生成氢氧化铝是一个放热反应，将反应釜内温度升到30-60℃后停止加热，反应本身放热，随着反应程度的加剧，体系持续不断放出大量热能就能满足反应所需要的反应温度条件，控制反应釜内温度在适当范围内，避免温度过高。反应过程中，铝不断消耗，随着铝量的减少，放出的热量不断减少，当反应釜内温度降低到30℃以下，加热使反应釜内继续保温0-8小时，每次反应时间可在4-24小时完成，实际操作过程中，可视原料铝屑是否消耗完为判断依据。本发明中，不用一直保持加热条件，大大节约了生产成本。 

氢氧化铝料液经过筛网去除未反应的金属铝屑，筛网孔径为50-200微米，优选范围：100-150微米。 

有机碱是以循环方式使用，其损耗主要是由于反应过程中难以避免的少量热分解和氢氧化铝过滤过程中微量吸附造成的。料液经过板框压滤机，得到氢氧化铝滤饼，再将适量去离子水经过板框压滤机，起到洗涤滤饼的作用，置换滤饼中有机碱溶液并减少有机碱在氢氧化铝上的吸附。在储罐中收集料液和洗涤用的去离子水，供循环利用。如果滤液达不到再循环使用要求，可以补加有机碱催化剂后再使用。 

本发明中，所得的氢氧化铝滤饼经过100-180℃烘箱干燥，流化床干燥，喷雾干燥、常压干燥、减压干燥或闪蒸干燥得到氢氧化铝。 

经过煅烧以后的氧化铝固体经过颚式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机、柱式粉碎机、球磨机或气流粉碎机粉碎，得到产品氧化铝固体，氧化铝含量至少达到99.95％。 

相对于现有技术，本发明具有如下优点：(1)产品质量高，特别适用于荧光粉原料、高压钠灯、特种陶瓷、特种磨料以及催化剂载体等粉体材料领域。(2)成本低廉，使产品更具有市场竞争力。(3)生产工艺简单高效、耗 能少，操作简单，对环境友好，无毒害无污染。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。 

实施例1 

将300克99.95％金属铝屑放入2000毫升四口烧瓶中，加入1080克去离子水，再加入120克四甲基氢氧化铵【(CH₃)₄N⁺OH^-】，控制反应体系内部温度在95℃，充分搅拌回流条件下反应12小时，将反应液经过120微米的不锈钢滤网，滤出少量未反应的铝屑，反应液再经过减压过滤后用100克去离子水冲洗氢氧化铝滤饼，滤液保留循环使用。将滤饼放入1000℃灼烧3小时，得到565克产品氧化铝固体。经测定，产品氧化铝固体中氧化铝含量为99.98％。 

实施例2 

将150克99.98％金属铝屑放入2000毫升四口烧瓶中，加入1320克去离子水，再加入30克四乙基氢氧化铵【(CH₃CH₂)₄N⁺OH^-】，控制反应体系内部温度在60℃，充分搅拌回流条件下反应24小时，将反应液经过187.5微米的不锈钢滤网，滤出少量未反应的铝屑，反应液再经过减压过滤后用90克去离子水冲洗氢氧化铝滤饼，滤液保留循环使用。将滤饼充分干燥后，放入1150℃灼烧4小时，得到α-Al₂O₃固体，进一步经过锤式粉碎后得到产品氧化铝固体282克。经测定，产品氧化铝固体中氧化铝含量为99.93％。 

实施例3 

将120克99.994％金属铝屑放入2000毫升四口烧瓶中，加入1320克去离子水，再加入60克四丙基氢氧化铵【(CH₃CH₂CH₂)₄N⁺OH^-】，控制反应体系内部温度在35℃，充分搅拌回流条件下反应18小时，将反应液经过150微米的不锈钢滤网，滤出少量未反应的铝渣，反应液再经过减压过滤后用100克去离 子水冲洗氢氧化铝滤饼，滤液保留循环使用。将滤饼充分干燥后，放入1000℃灼烧6小时，得到225克产品氧化铝固体。经测定，产品氧化铝固体中氧化铝含量为99.99％。 

实施例4 

将60千克99.99％金属铝屑放入1吨反应釜中，加入440千克去离子水，再加入20千克(2-羟乙基)三甲基氢氧化铵【(CH₃)₃(HOCH₂CH₂)N⁺OH^-】，控制反应体系内部温度在80℃，充分搅拌回流条件下反应18小时，将反应液经过200微米的不锈钢滤网，滤出微量未反应的铝渣，反应液再经过板框压滤后用30千克去离子水冲洗氢氧化铝滤饼，滤液保留循环使用。将滤饼充分干燥后，放入1300℃灼烧6小时，得113千克产品氧化铝固体。经测定，产品氧化铝固体中氧化铝含量为99.99％。 

实施例5 

将80千克99.996％金属铝屑放入1吨反应釜中，加入385千克去离子水，再加入35千克苄基三甲基氢氧化铵【C₆H₅CH₂(CH₃)₃N⁺OH^-】，控制反应体系内部温度在65℃，充分搅拌回流条件下反应24小时，将反应液经过150微米的不锈钢滤网，滤出少量未反应的铝渣，反应液再经过减压过滤后用35千克去离子水冲洗氢氧化铝滤饼，滤液保留循环使用。将滤饼充分干燥后，放入1350℃灼烧6小时得到α-Al₂O₃固体，进一步经过气流粉碎后得到151千克产品氧化铝固体。经测定，产品氧化铝固体中氧化铝含量为99.99％。 

Claims (18)

1.一种氧化铝固体的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

1)将铝屑和有机碱加入去离子水中，在30-99℃下，充分搅拌反应4-24小时，其中：铝屑占总物料质量的1-20％，有机碱占总物料质量的1-20％；

2)将步骤1)得到的料液通过50-200微米的筛网筛去除未反应的铝屑，然后过滤，并用去离子水洗涤滤饼，得到氢氧化铝滤饼；

3)将步骤2)得到的氢氧化铝滤饼在1000-1400℃下煅烧2-8小时，得到α-Al₂O₃固体。

2.根据权利要求1所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，将步骤2)得到的氢氧化铝滤饼经过干燥后通过步骤3)进行煅烧。

3.根据权利要求1或2所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，将步骤3)得到的α-Al₂O₃固体经过粉碎后得到氧化铝固体。

4.根据权利要求3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，步骤1)中：铝屑占总物料质量的10-15％；有机碱占总物料质量的3-6％。

5.根据权利要求3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，步骤2)中，料液通过100-150微米的筛网筛去除未反应的铝屑。

6.根据权利要求1或2或3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，铝屑中铝含量至少为99.95％。

7.根据权利要求1或2或3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，铝屑是采用铝含量至少为99.95％的铝锭经过铝锭切屑机加工而成。

8.根据权利要求1或2或3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱为季铵碱，结构通式为R₁R₂R₃R₄N⁺OH^-，其中R₁、R₂、R₃、R₄为相同或不同的脂肪基或芳香基；有机碱中金属元素杂质盐含量总和低于十万分之一。

9.根据权利要求8所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱中金属元素杂质含量总和低于百万分之五。

10.根据权利要求8所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱为含五分子结晶水的四甲基氢氧化铵，即四甲基氢氧化铵五水合物。

11.根据权利要求8所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱为四乙基氢氧化铵。

12.根据权利要求8所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱为四丙基氢氧化铵。

13.根据权利要求8所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱为(2-羟乙基)三甲基氢氧化铵。

14.根据权利要求8所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，有机碱为苄基三甲基氢氧化铵。

15.根据权利要求1或2或3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，去离子水的电导率大于5兆欧。

16.根据权利要求1或2或3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，过滤是采用常压过滤、压滤、沉降分离和离心过滤中一种或几种。

17.根据权利要求2所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，干燥采用烘箱干燥、流化床干燥、喷雾干燥、减压干燥或闪蒸干燥。

18.根据权利要求3所述的氧化铝固体的制备方法，其特征在于，粉碎采用颚式破碎机、辊式破碎机、柱式粉碎机、球磨机或气流粉碎机之中的一种或多种配合使用。