CN108341422A - 棒状β-氢氧化铝及其制备方法和应用 - Google Patents

棒状β-氢氧化铝及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氢氧化铝领，公开了棒状β‑氢氧化铝及其制备方法和应用。一种棒状β‑氢氧化铝的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水进行第一混合，得到铝酸钠溶液；(2)将粗颗粒氢氧化铝与水进行第二混合并研磨，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体；(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行恒温搅拌、固液分离、洗涤、烘干，得到棒状β‑氢氧化铝。本发明的方法反应温度低、所需种子量小、易控制，得到的棒状β‑氢氧化铝的结晶度高、形貌一致。

Description

棒状β-氢氧化铝及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及氢氧化铝领域，具体涉及棒状β-氢氧化铝及其制备方法和应用。
背景技术
氢氧化铝具有同质多晶，其中最常见的就是三水铝石(α-Al(OH)3)和拜耳石(β-Al(OH)3)两种类型。拜耳石作为生产三水铝石型氢氧化铝的中间产物，是一种溶解度较大的不稳定相，具有更高的活性，常用作吸附剂、催化剂，也可用于低温制备氧化铝产品。
拜耳石的制备方法主要是碳分法和中和法。
针对碳分法，CN1289722A公开了一种β型氢氧化铝的生产方法， 40-70℃下向铝酸钠溶液中通入质量浓度为35-40％的二氧化碳气体，通气时间为60-90分钟，分解率88-90％，得到产品β型氢氧化铝。此外， CN101182021A公开了β型氢氧化铝的制备方法，15-35℃下向氧化铝含量为 45-75g/L的铝酸钠溶液中先加入1-10g/L、0.5-20μm的β型氢氧化铝种子，再通入质量浓度为30—40％的二氧化碳气体，通气时间为40-90分钟，分解率65-95％。但是上述两种以碳分法制备拜耳石得到产品的形貌不一、附碱和杂质含量较高，气液反应的控制精度要求高，工业生产困难，过多的二氧化碳进入铝酸钠溶液中造成碳碱的富集，不利于剩余液体的重复利用。即使在通入二氧化碳气体前加入β型氢氧化铝做种子，整个分解反应的时间较短，仍以碳分反应为主，最终产品与加入β型氢氧化铝种子的关系不大，产品的结晶度较低。
针对中和法，CN102432051A公开了一种制备球形拜耳石的方法，碳酸氢钠和铝酸钠溶液在40-60℃下加入连续的反应结晶器中，平均停留时间为 45-90分钟，反应达到稳态后得到拜耳石固体悬浮液，进行固液分离、洗涤和干燥后，得到具有球形形貌的拜耳石产品。这种方法制备的球形拜耳石是多个细颗粒团聚的产物，因团聚平均粒径较大，可达100微米，且中和法的反应速度过快、过程不易控制。
综上，在现有的制备拜耳石，即β-氢氧化铝的制备方法中，存在反应温度高、加入种子量大、过程不易控制，制备得到的β-氢氧化铝结晶不完善、形貌不一致的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的β-氢氧化铝的制备方法中，反应温度高、种子用量大、过程难控制的问题，同时，制备得到的β-氢氧化铝结晶不完善的问题，提供一种棒状β-氢氧化铝及其制备方法和应用，本发明的方法反应温度低、所需种子量小、易控制，得到的棒状β-氢氧化铝的结晶度高、形貌一致。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种棒状β-氢氧化铝的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水进行第一混合，得到铝酸钠溶液；
(2)将粗颗粒氢氧化铝与水进行第二混合并研磨，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体；
(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行恒温搅拌、固液分离、洗涤、烘干，得到棒状β-氢氧化铝。
优选地，在步骤(1)中，工业氢氧化铝、氢氧化钠与水的投料比满足在铝酸钠溶液中，以Na2O、Al2O3计，Na2O与Al2O3的摩尔比为(1.4-2.2):1，且在铝酸钠溶液中，Al2O3的浓度为80-140g/L。
优选地，在步骤(2)中，所述浆体中的细颗粒氢氧化铝的含量为 30-200g/L。
优选地，所述细颗粒氢氧化铝的D50为0.1-1.5μm。
优选地，在步骤(3)中，所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的 Al2O3的重量比为(0.05-2):100。
本发明第二方面提供由上述的方法制备的棒状β-氢氧化铝，其中，所述棒状β-氢氧化铝的D50为1.5-15μm，具有棒状结构，其中，单个棒状结构的平均长度为0.3-1.3μm，单个棒状结构的平均直径为5-100nm。
优选地，所述棒状β-氢氧化铝的结晶度为92-97％。
本发明第三方面提供了上述的棒状β-氢氧化铝在制备α-(OH)3、α-Al2O3和勃姆石中的应用。
通过本发明的制备方法，在分解前期晶种在铝酸钠溶液中溶解再结晶，再结晶的细颗粒氢氧化铝在分解中后期不断生长，并促进铝酸钠溶液进一步析出氢氧化铝，该方法避免了碳分法过程中不断通入二氧化碳气体造成碳碱富集带来的过程难控制问题，使得制备过程可控，可以在较低的反应温度下进行，即15-40℃，而且，所需种子量小，添加的晶种系数仅为0.05％-2％，即所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为(0.05-2):100。在种分过程中，控制反应温度及时间，可以调整制备的β- 氢氧化铝的颗粒尺寸。因此，本发明的制备方法具有反应温度低、所需种子量小、过程易控制的优点。通过本发明方法制备得到的棒状β-氢氧化铝具有结晶完善、形貌一致的优点，为生产α-(OH)3、α-Al2O3和勃姆石提供了良好的前驱体。
附图说明
图1是在实施例1的棒状β-氢氧化铝的扫描电镜图；
图2是在实施例2的棒状β-氢氧化铝的扫描电镜图；
图3是在实施例3的棒状β-氢氧化铝的扫描电镜图；
图4是在对比例1的β-氢氧化铝的扫描电镜图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种棒状β-氢氧化铝的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水进行第一混合，得到铝酸钠溶液；
(2)将粗颗粒氢氧化铝与水进行第二混合并研磨，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体；
(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行恒温搅拌、固液分离、洗涤、烘干，得到棒状β-氢氧化铝。
根据本发明的方法，在步骤(1)中，工业氢氧化铝、氢氧化钠与水的投料比满足在铝酸钠溶液中，以Na2O、Al2O3计，Na2O与Al2O3的摩尔比为 (1.4-2.2):1，且在铝酸钠溶液中，Al2O3的浓度为80-140g/L。
在本发明中，所述水可以为本领域常规的蒸馏水、去离子水等。
根据本发明的方法，在步骤(1)中，所述第一混合的条件以将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水进行混合，得到铝酸钠溶液为目的，所述第一混合的条件可以包括但不限于：温度为80-120℃；时间为：1-2h。
根据本发明的方法，在步骤(2)中，所述粗颗粒氢氧化铝可以为但不限于：工业氢氧化铝、超细氢氧化铝和β-氢氧化铝中的一种或多种。其中，所述粗粒径的粒径并无特别要求，在本发明的方法中，以得到D50为 0.1-1.5μm的细颗粒为目的。
根据本发明的方法，在步骤(2)中，所述浆体中的细颗粒氢氧化铝的含量为30-200g/L。其中，浆体中的细颗粒氢氧化铝即为晶种。
根据本发明的方法，所述细颗粒氢氧化铝的D50为0.1-1.5μm。其中， D50指中位粒径，即一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。
根据本发明的方法，所述第二混合的温度为15-30℃。
优选地，先将粗颗粒氢氧化铝进行研磨，得到细颗粒氢氧化铝，在15-30℃下边搅拌边加入细颗粒氢氧化铝，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体，其中，细颗粒氢氧化铝为晶种。
根据本发明的方法，在步骤(3)中，所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为(0.05-2):100。具体地，将所述浆体中的Al(OH)3换算成Al2O3，且将所述铝酸钠溶液中的Al(OH)3也换算成Al2O3，控制所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为(0.05-2):100，也即晶种系数为0.05％-2％。在此范围内制备的棒状β-氢氧化铝具有较好的结晶度，小于或大于本发明限定的晶种系数，结晶度有所降低，晶型有形貌不一致的趋势。
根据本发明的方法，在步骤(3)中，所述恒温搅拌的条件以保证在较低温度下进行且能得到本发明的棒状β-氢氧化铝为目的，所述恒温搅拌的条件包括但不限于：温度为15-40℃，时间为：4-24h。
根据本发明的方法，所述洗涤的条件包括但不限于：洗涤至pH值为7-8。其中，洗涤剂可以为蒸馏水、去离子水等。
根据本发明的方法，所述烘干的条件为本领域常规的方法，所述烘干的条件包括但不限于：温度为80-120℃，时间为6-12h。
本发明第二方面提供了由上述的方法制备的棒状β-氢氧化铝，其中，所述棒状β-氢氧化铝的D50为1.5-15μm，具有棒状结构，其中，单个棒状结构的平均长度为0.3-1.3μm，单个棒状结构的平均直径为5-100nm。电镜扫描图如图1-3所示。
在本发明中，所述棒状β-氢氧化铝的结晶度可以达到92-97％。
本发明第三方面提供了述的棒状β-氢氧化铝在制备α-(OH)3、α-Al2O3和勃姆石中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，工业氢氧化铝购自郑州市北方铝业有限公司，型号为 H-WF-25A，平均粒径为25μm；
超细氢氧化铝购自洛阳中超新材料股份有限公司，型号为AH-01DG，平均粒径为2.3μm；
激光粒度分析仪购自Malvern公司，型号为APA 2000；
X射线衍射仪购自丹东通达科技股份有限公司，型号为TD-3500X；
扫描电子显微镜(SEM)购自日本株式会社日立高新技术那珂事业所，型号为TM3030。
实施例1
(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水在100℃下混合1.5h，得到铝酸钠溶液，其中，在铝酸钠溶液中，以Na2O、Al2O3计，Na2O与Al2O3的摩尔比为1.8:1，且在铝酸钠溶液中，Al2O3的浓度为120g/L。
(2)将超细氢氧化铝研磨至D50为1.0μm的细颗粒氢氧化铝，在25℃下边搅拌边加入所述细颗粒氢氧化铝，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体，其中，所述浆体中的细颗粒氢氧化铝的含量为100g/L；
(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行在30℃下恒温搅拌16h，其中，所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为0.5:100 (即晶种系数为0.5％)，然后进行固液分离、洗涤至pH值为7.5，在100℃下烘干9h，得到棒状β-氢氧化铝。
通过激光粒度分析仪，测得棒状β-氢氧化铝的D50，结果见表1。
通过X射线衍射仪，拟合XRD图中晶体峰面积的方法，计算得到棒状β-氢氧化铝的结晶度，结果见表1。计算公式为：η＝Sc/S0
其中，η为结晶度；
Sc为XRD图中β-氢氧化铝的峰面积；
S0为XRD图中总的峰面积。
通过SEM得到棒状β-氢氧化铝的电镜扫描图，结果如图1所示，棒状β-氢氧化铝具有棒状结构，其中，单个棒状结构的平均长度为0.985μm，单个棒状结构的平均直径为17nm。
实施例2
(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水在120℃下混合1h，得到铝酸钠溶液，其中，在铝酸钠溶液中，以Na2O、Al2O3计，Na2O与Al2O3的摩尔比为1.6:1，且在铝酸钠溶液中，Al2O3的浓度为80g/L。
(2)将超细氢氧化铝研磨至D50为1.5μm的细颗粒氢氧化铝，在30℃下边搅拌边加入所述细颗粒氢氧化铝，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体，其中，所述浆体中的细颗粒氢氧化铝的含量为200g/L；
(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行在15℃下恒温搅拌24h，其中，所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为0.05:100 (即晶种系数为0.05％)，然后进行固液分离、洗涤至pH值为7，在80℃下烘干12h，得到棒状β-氢氧化铝。
按照实施例1的方法测量棒状β-氢氧化铝的D50和结晶度，结果见表1。
按照实施例1的方法得到棒状β-氢氧化铝的电镜扫描图，结果如图2所示，棒状β-氢氧化铝具有棒状结构，其中，单个棒状结构的平均长度为 0.977μm，单个棒状结构的平均直径为15nm。
实施例3
(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水在80℃下混合2h，得到铝酸钠溶液，其中，在铝酸钠溶液中，以Na2O、Al2O3计，Na2O与Al2O3的摩尔比为 2.2:1，且在铝酸钠溶液中，Al2O3的浓度为140g/L。
(2)将超细氢氧化铝研磨至D50为0.4μm的细颗粒氢氧化铝，在30℃下边搅拌边加入所述细颗粒氢氧化铝，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体，其中，所述浆体中的细颗粒氢氧化铝的含量为30g/L；
(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行在40℃下恒温搅拌4h，其中，所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为2:100 (即晶种系数为2％)，然后进行固液分离、洗涤至pH值为8，在120℃下烘干6h，得到棒状β-氢氧化铝。
按照实施例1的方法测量棒状β-氢氧化铝的D50和结晶度，结果见表1。
按照实施例1的方法得到棒状β-氢氧化铝的电镜扫描图，结果如图3所示，棒状β-氢氧化铝具有棒状结构，其中，单个棒状结构的平均长度为 0.986μm，单个棒状结构的平均直径为13nm。
对比例1
参考CN1289722A进行碳分法制备β-氢氧化铝。
由碱-石灰烧结法所得的铝酸钠精制液，其氧化铝含量为90g/L，溶液苛性比值ak为1.45，在50℃温度下通入浓度为35％的CO2气体，通气速度为 130m3/h·m3溶液，通气时间65min，分解率89.92％，分解浆液进行液固分离、洗涤和烘干，得到β-氢氧化铝。
按照实施例1的方法测量β-氢氧化铝的D50和结晶度，结果见表1。
按照实施例1的方法得到β-氢氧化铝的电镜扫描图，结果如图4所示，β-氢氧化铝具有三角锥状结构。
表1
实施例编号 D50/μm 结晶度/％
实施例1 2.474 94.98
实施例2 2.876 95.17
实施例3 2.169 94.86
对比例1 18.918 90.28
通过表1和图1-4的结果可以看出，采用本发明方法制备棒状β-氢氧化铝具有较高的结晶度，说明β-氢氧化铝可以在较低温度下从铝酸钠溶液中析出，且具有结晶完善的优点，从图1-3中可以看出，本发明的棒状β-氢氧化铝具有形貌一致的优点。而采用现有工艺方法(CN1289722A)制备的β-氢氧化铝结晶度较低，结晶不完善，且从图4中能够看出，β-氢氧化铝存在的形貌不一致的缺陷。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种棒状β-氢氧化铝的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将工业氢氧化铝、氢氧化钠与水进行第一混合，得到铝酸钠溶液；
(2)将粗颗粒氢氧化铝与水进行第二混合并研磨，得到含有细颗粒氢氧化铝的浆体；
(3)将所述浆体加入所述铝酸钠溶液中并进行恒温搅拌、固液分离、洗涤、烘干，得到棒状β-氢氧化铝。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，工业氢氧化铝、氢氧化钠与水的投料比满足在铝酸钠溶液中，以Na2O、Al2O3计，Na2O与Al2O3的摩尔比为(1.4-2.2):1，且在铝酸钠溶液中，Al2O3的浓度为80-140g/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述第一混合的条件包括：温度为80-120℃；时间为：1-2h。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述粗颗粒氢氧化铝为工业氢氧化铝、超细氢氧化铝和β-氢氧化铝中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述浆体中的细颗粒氢氧化铝的含量为30-200g/L；
优选地，所述细颗粒氢氧化铝的D50为0.1-1.5μm；
优选地，所述第二混合的温度为15-30℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述浆体中的Al2O3与所述铝酸钠溶液中的Al2O3的重量比为(0.05-2):100。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述恒温搅拌的条件包括：温度为15-40℃，时间为：4-24h；
优选地，所述洗涤的条件包括：洗涤至pH值为7-8；
优选地，所述烘干的条件包括：温度为80-120℃，时间为6-12h。
8.由权利要求1-7中任意一项所述的方法制备的棒状β-氢氧化铝，其中，所述棒状β-氢氧化铝的D50为1.5-15μm，具有棒状结构，其中，单个棒状结构的平均长度为0.3-1.3μm，单个棒状结构的平均直径为5-100nm。
9.根据权利要求8所述的棒状β-氢氧化铝，其中，所述棒状β-氢氧化铝的结晶度为92-97％。
10.权利要求8-9所述的棒状β-氢氧化铝在制备α-(OH)3、α-Al2O3和勃姆石中的应用。
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