CN110817917A - 一种高纯氧化铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高纯氧化铝的制备方法，按以下步骤进行：(1)工业氧化铝磨细；(2)将氧化铝粉料与金属铝粉混合制成混合粉料；(3)加入粘结剂混合后压制成球团；(4)在真空、氩气或覆盖条件下，将球团烘干制成干球团；(5)干球团置于带有结晶器的真空还原炉，进行真空铝热还原反应；反应后剩余还原渣；(6)还原渣冷却至室温，取出后磨细，用氢氧化钠溶液碱浸；(7)过滤、水洗获得一次固相；(8)用盐酸酸浸，过滤、水洗、烘干制成高纯氧化铝。本发明的方法设备简单、成本低、可操作性强，可制备99.999％以上的高纯氧化铝。

Description

一种高纯氧化铝的制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种高纯氧化铝的制备方法。
技术背景
氧化铝是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃，沸点为2980℃；高纯氧化铝因其化学性能稳定、良好的机械性能、热学和烧结性能被广泛应用于磨料、发光材料、单晶、隔膜、锂离子电池等行业；随着陶瓷、医药、锂离子电池等行业的快速发展，市场对高纯氧化铝的需求量具有较大的增长空间。
硫酸铝氨法、拜耳法、高纯铝粉水解法与醇铝法是常用的高纯氧化铝的生产方法。
硫酸铝氨法和拜耳法生产的高纯氧化铝纯度相对较低，只能达到99.99％；铝粉水解法生产高纯氧化铝是将高纯金属铝块用金属刀具加工成金属粉，金属粉进入到水中水解，得到高纯氢氧化铝，高纯氢氧化铝经加热后制备高纯氧化铝；但该方法生产过程中金属刀具材料虽然很硬，但还是有铁等金属要磨下去，刀具中的合金元素进入水中也会生成氢氧化铁、氢氧化镍、氢氧化锆等，这些是氢氧化物是无机物没办法过滤除掉到，也没有办法膜分离精馏；所以该方法生产的氧化铝纯度最多做到99.995％。
醇铝法工艺生产的氧化铝比金属铝直接水解法、硫酸铝氨法、拜耳法高1～2个数量级；醇铝法是用99.999％的金属铝块与异丙醇丁醇或乙醇反应得到异丙醇铝或乙醇铝后，在230-250℃精馏，去掉前馏分和底馏分杂质，精馏醇铝气化经过冷凝得到醇铝液体；在230℃进行高纯陶瓷膜分离提纯，除去钾钠锌等杂质；经过了两道提纯；醇铝再和高纯水水解，最后采用陶瓷膜在150～160℃继续分离，除去杂质再进行水洗净化得到高纯氢氧化铝。
硫酸铝氨法和拜耳法制取的高纯氧化铝纯度较低，而高纯铝粉水解法与醇铝法均以高纯金属铝为原料制取高纯氧化铝流程复杂，成本高。
发明内容
针对现有高纯氧化铝制备技术存在的上述问题，本发明提供一种高纯氧化铝的制备方法，以工业生产的氧化铝为原料，首先进行铝热还原使工业氧化铝中的钠、铁、硅等金属氧化物被还原为金属，同时钠被真空蒸馏出来与氧化铝分离，铝热还原后的氧化铝进行碱液浸出去除其中铝和硅，再进行稀酸溶出去除氧化铝中的金属铁和其它杂质，在简化流程降低成本的同时，实现氧化铝的提纯。
本发明方法按以下步骤进行：
(1)工业氧化铝经磨细至粒径≤0.075mm制成氧化铝粉料；
(2)将氧化铝粉料与金属铝粉混合制成混合粉料；其中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的0.5～3％；金属铝粉的粒径≤0.075mm；
(3)向混合粉料中加入粘结剂并混合均匀，然后压制成球团；
(4)在真空条件或氩气气氛条件下，或采用氧化铝粉覆盖的方式，将球团在100～300℃烘干1～10h，制成干球团；
(5)将干球团置于带有结晶器的真空还原炉内，在真空度≤10Pa条件下，加热至800～1300℃保温1～10h，进行真空铝热还原反应；真空铝热还原反应过程中，金属钠、金属钙、金属镁、金属锂和金属钾被蒸馏出来并进入结晶器结晶，磷酸二氢铝分解形成的P2O5进入结晶器结晶，剩余物料为还原渣；
(6)将还原渣随炉冷却至室温，取出后磨细至粒径≤0.075mm，然后置于氢氧化钠溶液中碱浸，使还原渣中未反应的金属铝和还原生成的单质硅与氢氧化钠反应，生成铝酸钠和硅酸钠；
(7)将碱浸后的物料过滤并水洗至洗液为中性，获得一次固相；其中硅酸钠和铝酸钠进入滤液；
(8)将一次固相置于盐酸中酸浸，一次固相中的金属铁与HCl反应生成氯化铁；将酸浸后的物料过滤并水洗至洗液为中性，获得二次固相，其中氯化铁进入滤液；二次固相经烘干去除水分，制成高纯氧化铝。
上述的金属铝粉纯度≥99％。
上述的粘结剂为磷酸二氢铝溶液，浓度为10～60％，用量为混合粉料总质量的3～10％。
上述的步骤(3)中，压制成球团时的制团压力20～200MPa。
上述的步骤(4)中，氧化铝粉为工业氧化铝粉，粒径0.075～0.15mm。
上述的步骤(4)中，真空条件为真空度0.1～100Pa。
上述的步骤(5)中，真空还原反应的主要反应式为：
2Al(H2PO4)3→Al2O3+P2O5+3H2O (1)、
2Al+3Na2O＝Al2O3+6Na (2)、
2Al+3K2O＝Al2O3+6K (3)、
2Al+3Li2O＝Al2O3+6Li (4)、
Al+Fe2O3＝Al2O3+Fe (5)、
4Al+3SiO2＝2Al2O3+3Si (6)、
2Al+3MgO＝Al2O3+3Mg (7)和
2Al+3CaO＝Al2O3+3Ca (8)。
上述的步骤(6)中，氢氧化钠溶液的质量浓度3～25％，用量按氢氧化钠溶液与还原渣的液固比为1～10mL/g。
上述的步骤(7)中，碱浸的主要反应式为：
2Al+2NaOH+6H2O＝2NaAl(OH)4+3H2 (9)和
Si+2NaOH+ H2O＝Na2SiO3 +2H2 (10)。
上述的步骤(8)中，盐酸的质量浓度3～25％，用量按盐酸与一次固相中固体成分的液固比为1～10mL/g。
上述的步骤(8)中，酸浸的主要反应式为：
2Fe+6HCl＝2FeCl3+3H2 (11)。
上述的高纯氧化铝的纯度≥99.999％。
工业氧化铝的主要杂质为氧化钠、氧化硅和氧化铁，另外含有少量的氧化钾、氧化锂、氧化镁、氧化钙等其他金属氧化物；本发明采用真空铝热还原的方法使工业氧化铝中的杂质还原为金属，通过真空蒸馏的方式去除钠、镁、钙、钾、锂等饱和蒸气压较高的金属，通过碱液浸出去除硅等可与碱反应的杂质和多余的金属铝，通过酸浸去除铁等可与酸反应的杂质，同时所采用的粘结剂，磷酸二氢铝，经高温分解后生成氧化铝和可挥发的物质，不会对氧化铝的纯度产生影响，从而实现工业氧化铝的净化提纯，该工艺设备简单、成本低、可操作性强，可制备99.999％以上的高纯氧化铝。
附图说明
图1为本发明实施例中的高纯氧化铝的制备方法流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的氧化铝粉为市购产品。
本发明实施例中采用的磷酸二氢铝为市购工业级产品。
本发明实施例中采用球磨机进行磨细。
本发明实施例中采用的氢氧化钠溶液和盐酸为市购工业级产品。
本发明实施例中采用的真空还原炉为工业皮江法炼镁用真空还原设备。
本发明实施例中水洗时采用的水为去离子水。
本发明实施例中，氧化铝粉为工业氧化铝粉，粒径0.075～0.15mm。
本发明实施例中，步骤(4)的真空条件为真空度0.1～100Pa。
本发明实施例中，金属铝粉纯度≥99％。
实施例1
流程如图1所示；
(1)工业氧化铝磨细至粒径≤0.075mm，制成氧化铝粉料；
(2)将氧化铝粉料与金属铝粉混合制成混合粉料；其中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的0.5％；金属铝粉的粒径≤0.075mm；
(3)向混合粉料中加入粘结剂并混合均匀，然后压制成球团；制团压力20MPa；粘结剂为磷酸二氢铝溶液，浓度为60％，用量为混合粉料总质量的3％；
(4)在真空条件下，将球团在100℃烘干10h，制成干球团；
(5)将干球团置于带有结晶器的真空还原炉内，在真空度≤10Pa条件下，加热至800℃保温10h，进行真空铝热还原反应；真空铝热还原反应过程中，金属钠、金属钙、金属镁、金属锂和金属钾被蒸馏出来并进入结晶器结晶，磷酸二氢铝分解形成的P2O5进入结晶器结晶，剩余物料为还原渣；
(6)将还原渣随炉冷却至室温，取出后磨细至粒径≤0.075mm，然后置于氢氧化钠溶液中碱浸，使还原渣中未反应的金属铝和还原生成的单质硅与氢氧化钠反应，生成铝酸钠和硅酸钠；氢氧化钠溶液的质量浓度3％，用量按氢氧化钠溶液与还原渣的液固比为10mL/g；
(7)将碱浸后的物料过滤并水洗至洗液为中性，获得一次固相；其中硅酸钠和铝酸钠进入滤液；
(8)将一次固相置于盐酸中酸浸，一次固相中的金属铁与HCl反应生成氯化铁；盐酸的质量浓度25％，用量按盐酸与一次固相中固体成分的液固比为1mL/g；将酸浸后的物料过滤并水洗至洗液为中性，获得二次固相，其中氯化铁进入滤液；二次固相经烘干去除水分，制成高纯氧化铝，纯度≥99.999％。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)混合粉料中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的1％；
(2)制成球团时压力50MPa；磷酸二氢铝溶液浓度50％，用量为混合粉料总质量的4％；
(3)在氩气气氛条件下，将球团在150℃烘干8h；
(4)真空铝热还原反应温度900℃，时间8h；
(5)碱浸时氢氧化钠溶液的质量浓度8％，用量按液固比为8mL/g；
(6)酸浸时盐酸的质量浓度22％，用量按液固比为2mL/g。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)混合粉料中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的1.5％；
(2)制成球团时压力80MPa；磷酸二氢铝溶液浓度40％，用量为混合粉料总质量的5％；
(3)采用氧化铝粉覆盖的方式，将球团在180℃烘干6h；
(4)真空铝热还原反应温度1000℃，时间6h；
(5)碱浸时氢氧化钠溶液的质量浓度12％，用量按液固比为6mL/g；
(6)酸浸时盐酸的质量浓度18％，用量按液固比为4mL/g。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)混合粉料中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的2％；
(2)制成球团时压力120MPa；磷酸二氢铝溶液浓度30％，用量为混合粉料总质量的6％；
(3)将球团在220℃烘干4h；
(4)真空铝热还原反应温度1100℃，时间4h；
(5)碱浸时氢氧化钠溶液的质量浓度18％，用量按液固比为4mL/g；
(6)酸浸时盐酸的质量浓度10％，用量按液固比为6mL/g。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)混合粉料中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的2.5％；
(2)制成球团时压力150MPa；磷酸二氢铝溶液浓度20％，用量为混合粉料总质量的8％；
(3)在氩气气氛条件下，将球团在250℃烘干2h；
(4)真空铝热还原反应温度1200℃，时间2h；
(5)碱浸时氢氧化钠溶液的质量浓度22％，用量按液固比为2mL/g；
(6)酸浸时盐酸的质量浓度6％，用量按液固比为8mL/g。
实施例6
方法同实施例1，不同点在于：
(1)混合粉料中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的3％；
(2)制成球团时压力200MPa；磷酸二氢铝溶液浓度10％，用量为混合粉料总质量的10％；
(3)采用氧化铝粉覆盖的方式，将球团在300℃烘干1h；
(4)真空铝热还原反应温度1300℃，时间1h；
(5)碱浸时氢氧化钠溶液的质量浓度25％，用量按液固比为1mL/g；
(6)酸浸时盐酸的质量浓度3％，用量按液固比为10mL/g。

Claims (9)

1.一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)工业氧化铝经磨细至粒径≤0.075mm制成氧化铝粉料；
(2)将氧化铝粉料与金属铝粉混合制成混合粉料；其中金属铝粉为氧化铝粉料总质量的0.5～3％；金属铝粉的粒径≤0.075mm；
(3)向混合粉料中加入粘结剂并混合均匀，然后压制成球团；
(4)在真空条件或氩气气氛条件下，或采用氧化铝粉覆盖的方式，将球团在100～300℃烘干1～10h，制成干球团；
(5)将干球团置于带有结晶器的真空还原炉内，在真空度≤10Pa条件下，加热至800～1300℃保温1～10h，进行真空铝热还原反应；真空铝热还原反应过程中，金属钠、金属钙、金属镁、金属锂和金属钾被蒸馏出来并进入结晶器结晶，磷酸二氢铝分解形成的P2O5进入结晶器结晶，剩余物料为还原渣；
(6)将还原渣随炉冷却至室温，取出后磨细至粒径≤0.075mm，然后置于氢氧化钠溶液中碱浸，使还原渣中未反应的金属铝和还原生成的单质硅与氢氧化钠反应，生成铝酸钠和硅酸钠；
(7)将碱浸后的物料过滤并水洗至洗液为中性，获得一次固相；其中硅酸钠和铝酸钠进入滤液；
(8)将一次固相置于盐酸中酸浸，一次固相中的金属铁与HCl反应生成氯化铁；将酸浸后的物料过滤并水洗至洗液为中性，获得二次固相，其中氯化铁进入滤液；二次固相经烘干去除水分，制成高纯氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于所述的金属铝粉纯度≥99％。
3.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于所述的粘结剂为磷酸二氢铝溶液，浓度为10～60％，用量为混合粉料总质量的3～10％。
4.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于步骤(3)中，压制成球团时的制团压力20～200MPa。
5.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于步骤(4)中，氧化铝粉为工业氧化铝粉，粒径0.075～0.15mm。
6.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于步骤(4)中，真空条件为真空度0.1～100Pa。
7.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于步骤(6)中，氢氧化钠溶液的质量浓度3～25％，用量按氢氧化钠溶液与还原渣的液固比为1～10mL/g。
8.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于步骤(8)中，盐酸的质量浓度3～25％，用量按盐酸与一次固相中固体成分的液固比为1～10mL/g。
9.根据权利要求1所述的一种高纯氧化铝的制备方法，其特征在于所述的高纯氧化铝的纯度≥99.999％。
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