CN104176751A

CN104176751A - 一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法

Info

Publication number: CN104176751A
Application number: CN201410458902.XA
Authority: CN
Inventors: 刘吉平; 刘晓波
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104176751B

Abstract

本发明涉及一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，属于材料科学与核技术交叉领域。本发明在高中低温加压的情况下下让金属铝与氘气反应生成三氘化铝。本发明解决了三氘化铝工业化规模制备技术和制备纯度问题，无复杂生产装置，所需制备装置简单易购，在现有工厂条件下即可实现三氘化铝生产线的安全搭建；制备工艺简单易操作，制备过程有惰性气体保护，安全可靠；产品产量和纯度较好，产品稳定性好，可以长期贮存；生产过程无“三废”产出，对人体和环境无害，环保绿色，这对工业化大规模安全制备高纯度三氘化铝及其规模应用具有重大意义。

Description

一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法

技术领域

本发明涉及一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，属于材料科学与核技术交叉领域。

背景技术

能源一直是人类社会发展中中不可缺少的一部分，能源问题也是当今社会最为关注的话题。世界各国对能源争夺的越演越烈表面，化石燃料已经难以满足人类社会快速发展的需要。开发利用新能源从而取代化石能源，已经成为世界各国共同追求的目标，也是科学家们研究的热点。

众所周知，氢是一种清洁高效的能源，氘是氢的一种稳定同位素，与氢的物理化学性质几乎完全相同，并且在自然界中天然存在。另外，氘还具有氢所不具备的核性能，氘在一定条件下，可以发生热核反应释放出巨大聚变能量，这将为未来人类能量来源提供了光明的前景，被称为是“未来的天然燃料”。然而，与氢类似，氘很难被高效存储，液化成本高，存储运输也存在着很大的安全问题。解决氘的存储问题，将成为大规模开发氘能源的关键。

三氘化铝是一种含氘量很高的金属氘化物，含氘量高达18.3％，具有很好储氘应用前景。铝对氘气亲和能力比较小，三氘化铝为共价化合物，热分解温度较低，在空气中不能稳定存在，与水或氧气接触后发生猛烈化学反应，制备氘化铝存在着比较多的困难。目前金属氢化物的主要制备方法有两种，传统采用化学合成的间接方式制备，该制备方式所需原料必须是含氘化合物，制备工艺复杂，制备过程使用大量有机溶剂，对人体和环境危害巨大，成本较高；另一种制备方式是通过氘气和金属在一定温度和压力之下直接进行反应，该制备方式对温度和压力的要求较高，不同的金属元素存在着不同的压力和温度反应区间，这直接决定了金属氢化物的转化率和纯度。对于铝元素而言，仅有过在高温高压下铝与氢气直接反应制备三氢化铝的文献报道，但由于高温高压反应条件苛刻，对设备要求高，反应危险性大，因此不适宜工业规模化生产，与此同时尚未发现三氘化铝的制备方面的相关介绍文献。

发明一种三氘化铝绿色安全的制备方法，对实现安全规模化工业生产制备三氘化铝及其深入研究应用具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供的一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，该方法工艺简单，该方法制得的产品产量高、纯度较好。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，具体步骤如下：

步骤一、在惰性气体的保护下，将金属铝切割成小块，得到小块金属铝；

步骤二、在惰性气体保护下，将步骤一的小块金属铝装入槽型反应器中；然后再整体放入高压釜内；通过抽真空与通入惰性气体，使高压釜内的空气完全排出；

步骤三、通过抽真空与通入氘气，置换出高压釜内的惰性气体，同时使高压釜内处于负压状态；

步骤四、保持步骤三的负压状态，以15～50℃/min的升温速率将温度升至300～600℃；然后通入氘气；同时将输入釜舱内氘气压力调至200～600大气压；持续通入氘气，控制釜舱内氘气压力不变，以5～20℃/min的速度降温至80～170℃后，恒定温度与氘气流速，继续反应直至氘气压力表与高压釜内的压力完全处于平衡状态；

步骤五、将高压釜温度、压力降至常温、常压，然后用惰性气体置换出釜舱内的氘气，得到三氘化铝；

步骤一所述金属铝还可进行预处理，处理方法为：方法一、在惰性气体的保护下，将金属铝表面氧化层打磨至金属光泽，然后再切割；方法二、用质量分数为3～35％的盐酸溶液、质量分数为5～40％的氢氧化钠溶液洗涤后，室温下去离子水洗，真空干燥。

所述步骤四结束后通过再次升温能够对三氘化铝的反应程度进行检查，具体方法为：待氘气压力表与高压釜内的压力完全处于平衡后，再次降温10～50℃，氘气压力表仍然无波动，表明釜内氘化反应达到终点。

有益效果

1、本发明的一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，首次采用高中低温法在加压条件下制备三氘化铝，解决了三氘化铝从无到有的安全制备问题；

2、本发明的一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，该制备方法原料简单，制备过程中无有机溶剂使用，无“三废”产出，绿色环保，对人体无害；在制备及其产物处理过程中有惰性气体保护，制备过程无长时间的高温高压环境，安全可靠，无危险隐患；

3、本发明的一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，本发明的三氘化铝制备方法没有复杂的生产装置，在现有工厂设备条件下即可实现工业化生产，生产过程无复杂操作工艺，产品产量和纯度较好。该方法制备三氘化铝的转化率为98.00～99.99％，纯度为98.00～99.99％。

附图说明

图1为三氘化铝制备装置系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步描述：

实施例1：

取纯度99.9％、粒径为2mm的铝块，用质量分数5％的盐酸溶液在15℃下洗涤6min后，室温下去离子水冲洗4次，真空干燥后，在氩气保护下，称取508g，装入不锈钢制槽型反应器中，并置于高压反应釜舱内，如图1所示；通入氩气置换出釜舱内气体，将舱内压力抽至负压为0.013MPa，通入高纯99.999％氘气后，再次抽至舱内负压为0.010MPa，反复操作3次；以35℃/min的升温速率快速将温度升至521℃；通入高纯氘气，将输入釜舱内氘气压力调至200大气压，反应25min；以8℃/min的速度降温53min至168℃后，恒定该温度不变，持续通入氘气，再继续反应112min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力完全处于平衡状态；此时再次降温28℃，氘气压力表仍然无波动，表明釜内氘化反应达到终点，共通入氘气116.64g；将高压釜温度、压力降至常温、常压，并用氩气置换出炉舱内氘气，即制得621.65三氘化铝；在氩气保护下研磨成细粉，过300目筛，即得所需粒径的三氘化铝粉；将此粉进行真空包装或其它封装可得能安全贮存的产品；该方法制备氘化铝的转化率为99.91％，三氘化铝纯度为99.93％。

实施例2：

取纯度99.9％、粒径为5mm的铝块，用质量分数8％的盐酸溶液在10℃下洗涤5min后，室温下去离子水冲洗5次，真空干燥；在氩气保护下，称取852g，装入不锈钢制槽型反应器中，并置于高压反应釜舱内；通入氩气置换出釜舱内气体，将舱内压力抽至负压为0.011MPa，通入高纯99.999％氘气后，再次抽至舱内负压为0.009MPa，反复操作4次；以50℃/min的升温速率快速将温度升至502℃；通入高纯氘气，将输入釜舱内氘气压力调至250大气压，反应38min；以6℃/min的速度降温62min至147℃后，恒定该温度不变，持续通入氘气，再继续反应98min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力完全处于平衡状态；此时再次降温10℃，氘气压力表仍然无波动，表明釜内氘化反应达到终点，共通入氘气193.57g；将高压釜温度、压力降至常温、常压，并用氩气置换出炉舱内氘气，即制得1042.58g三氘化铝；在氩气保护下研磨成细粉，过400目筛，即得所需粒径的三氘化铝粉；将此粉进行真空包装或其它封装可得能安全贮存的产品；该方法制备三氘化铝的转化率为99.89％，三氘化铝纯度为99.91％。

实施例3：

取纯度99.9％、粒径为2～10mm的铝块，用质量分数10％的氢氧化钠溶液在8℃下洗涤10min后，室温下去离子水冲洗6次，真空干燥后，在氩气保护下，称取1405g，装入不锈钢制槽型反应器中，并置于高压反应釜舱内；通入氩气置换出釜舱内气体，将舱内压力抽至负压为0.023MPa，通入高纯99.999％氘气后，再次抽至舱内负压为0.008MPa，反复操作3次；以25℃/min的升温速率快速将温度升至456℃；通入高纯氘气，将输入釜舱内氘气压力调至270大气压，反应53min；以5℃/min的速度降温62min至185℃后，恒定该温度不变，持续通入氘气，再继续反应98min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力完全处于平衡状态；此时再次降温30℃，氘气压力表示数出现波动；此时继续通氘气反应20min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力再次完全处于平衡状态，再次降温15℃，氘气压力表示数无波动，表明釜内氘化反应达到终点，共通入氘气317.36g；将高压釜温度、压力降至常温、常压，并用氩气置换出炉舱内氘气，即制得1719.37g三氘化铝；在氩气保护下研磨成细粉，将此粉进行真空包装或其它封装可得能安全贮存的产品；该方法制备三氘化铝的转化率为99.92％，三氘化铝纯度为99.93％。

实施例4：

取纯度99.9％、粒径为19mm的铝块，用质量分数10％的氢氧化钠溶液在8℃下洗涤10min后，室温下去离子水冲洗6次，真空干燥后，在氩气保护下，称取2633g，装入不锈钢制槽型反应器中，并置于高压反应釜舱内；通入氩气置换出釜舱内气体，将舱内压力抽至负压为0.015MPa，通入高纯99.999％氘气后，再次抽至舱内负压为0.010MPa，反复操作4次；以30℃/min的升温速率快速将温度升至584℃；通入高纯氘气，将输入釜舱内氘气压力调至330大气压，反应84min；以9℃/min的速度降温55min至147℃后，恒定该温度不变，持续通入氘气，再继续反应250min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力完全处于平衡状态；此时再次降温10℃，氘气压力表仍然无波动，表明釜内氘化反应达到终点，共通入氘气591.76g；将高压釜温度、压力降至常温、常压，并用氩气置换出炉舱内氘气，即制得3221.77g三氘化铝；在氩气保护下研磨成细粉，将此粉进行真空包装或其它封装可得能安全贮存的产品；该方法制备三氘化铝的转化率为99.86％，三氘化铝纯度为99.89％。

实施例5：

取纯度99.9％、粒径为3mm的铝块，用细砂纸将表面氧化层打磨至金属光泽，在氩气保护下，称取3300g，装入不锈钢制槽型反应器中，并置于高压反应釜舱内；通入氩气置换出釜舱内气体，将舱内压力抽至负压为0.012MPa，通入高纯99.999％氘气后，再次抽至舱内负压为0.008MPa，反复操作4次；以20℃/min的升温速率快速将温度升至323℃；通入高纯氘气，将输入釜舱内氘气压力调至450大气压，反应225min；以3℃/min的速度降温69min至148℃后，恒定该温度不变，持续通入氘气，再继续反应126min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力完全处于平衡状态；此时再次降温5℃，氘气压力表仍然无波动，表明釜内氘化反应达到终点，共通入氘气740.84g；将高压釜温度、压力降至常温、常压，并用氩气置换出炉舱内氘气，即制得4037.85g三氘化铝；在氩气保护下研磨成细粉，将此粉进行真空包装或其它封装可得能安全贮存的产品；该方法制备三氘化铝的转化率为99.85％，三氘化铝纯度为99.88％。

实施例6：

取纯度99.9％、粒径为3mm的铝块，用细砂纸将表面氧化层打磨至金属光泽，在氩气保护下，称取4895g，装入不锈钢制槽型反应器中，并置于高压反应釜舱内；通入氩气置换出釜舱内气体，将舱内压力抽至负压为0.010MPa，通入高纯99.999％氘气后，再次抽至舱内负压为0.005MPa，反复操作4次；以40℃/min的升温速率快速将温度升至557℃；通入高纯氘气，将输入釜舱内氘气压力调至500大气压，反应48min；以5℃/min的速度降温86min至175℃后，恒定该温度不变，持续通入氘气，再继续反应300min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力完全处于平衡状态；此时再次降温25℃，氘气压力表示数出现波动；此时继续通氘气反应200min，直至氘气压力表与高压反应釜内的压力再次完全处于平衡状态，再次降温15℃，氘气压力表示数无波动，表明釜内氘化反应达到终点，共通入氘气1097.69g；将高压釜温度、压力降至常温、常压，并用氩气置换出炉舱内氘气，即制得5989.70g三氘化铝；在氩气保护下研磨成细粉，将此粉进行真空包装或其它封装可得能安全贮存的产品；该方法制备三氘化铝的转化率为99.87％，三氘化铝纯度为99.89％。

Claims

1.一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤五、将高压釜温度、压力降至常温、常压，然后用惰性气体置换出釜舱内的氘气，得到三氘化铝。

2.如权利要求1所述的一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，其特征在于：步骤一所述金属铝还可进行预处理，处理方法为：方法一、在惰性气体的保护下，将金属铝表面氧化层打磨至金属光泽，然后再切割；方法二、用质量分数为3～35％的盐酸溶液、质量分数为5～40％的氢氧化钠溶液洗涤后，室温下去离子水洗，真空干燥。

3.如权利要求1所述的一种高中低温加压直接法制备三氘化铝的方法，其特征在于：所述步骤四结束后通过再次升温能够对三氘化铝的反应程度进行检查，具体方法为：待氘气压力表与高压釜内的压力完全处于平衡后，再次降温10～50℃，氘气压力表仍然无波动，表明釜内氘化反应达到终点。