CN113120932A - 一种制备高纯纳米氧化铝的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备高纯纳米氧化铝的系统，涉及氧化铝制备技术领域，其中，制备高纯纳米氧化铝的系统包括：电解液循环系统、铝空气电池组和氧化铝回收系统，所述电解液循环系统与所述铝空气电池组连通，所述电解液循环系统与所述氧化铝回收系统连通。本发明的有益效果是在得到高纯纳米氧化铝同时得到稳定输出的电力，每千克铝可以放出4～4.5kWh电力；制备流程简短，过程环保清洁；每千克高纯铝可生产2千克高纯氧化铝。

Description

一种制备高纯纳米氧化铝的系统和方法

技术领域

本发明涉及氧化铝制备技术领域，更具体的说是涉及一种制备高纯纳米氧化铝的系统和方法。

背景技术

高纯氧化铝是指最低纯度为99.99％的氧化铝，分子式Al₂O₃，是难溶于水的白色固体，无臭、无味、质极硬、易吸潮而不解潮(灼烧过的不吸湿)，其为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，几乎不溶于水及非极性有机溶剂。

对于现有技术中工艺中，都是通过铝空气电池放电制备高纯纳米氧化铝，但是，目前的装置和方法均存在制备高纯氧化铝效率低以及存在电化学污染的问题。

因此，如何提供一种能够提高高纯氧化铝制备效率以及降低电化学污染的制备高纯纳米氧化铝的系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明第一个目的在于提出一种制备高纯纳米氧化铝的系统，包括：电解液循环系统、铝空气电池组和氧化铝回收系统，所述电解液循环系统与所述铝空气电池组连通，所述电解液循环系统与所述氧化铝回收系统连通。

进一步地，所述铝空气电池组包括多个铝空气单体电池，多个所述铝空气单体电池串联或并联。

进一步地，每个所述铝空气单体电池包括壳体、电解液、阳极电极、阴极电极、阳极极耳、阴极极耳、进液口、出液口、进气口和排气口，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体可拆卸连接，所述阳极极耳、进气口和排气口位于所述上壳体的上方，所述进液口、阴极极耳分别位于所述下壳体的两侧，所述出液口位于所述下壳体的底部。

更进一步地，所述电解液循环系统包括储液箱、液泵、蓄电池、分液器和电解液废液箱，所述分液器与所述铝空气电池组中首端的所述铝空气单体电池的所述进液口通过进液管线连通，进液管线上设有所述液泵，所述铝空气电池组中末端的所述铝空气单体电池的出液口与所述电解液废液箱通过出液管线连通，出液管线与所述电解液废液箱之间设有滤网，所述电解液废液箱与所述液泵连通，所述蓄电池分别与所述液泵和所述铝空气电池组电性连接。

进一步地，该制备高纯纳米氧化铝的系统还包括气体净化装置，所述气体净化装置与所述铝空气电池组中首端的所述铝空气单体电池的所述进气口连通。

进一步地，该制备高纯纳米氧化铝的系统还还包括电控系统，所述出液口设有电磁阀，所述电控系统分别与所述电磁阀和所述液泵电性连接。

进一步地，该制备高纯纳米氧化铝的系统还还包括热交换装置，所述热交换装置设于所述铝空气电池组的底部，辅助所述铝空气电池组散热。

为达到上述目的，本发明第二个目的在于提出一种制备高纯纳米氧化铝的方法，利用上述所述的氧化铝回收系统，包括将氧化铝回收系统所回收沉淀物的处理和将氧化铝回收系统所回收反应剩余电解液处理；

其中，

氧化铝回收系统所回收沉淀物的处理包括以下步骤：

用浓硫酸溶解沉淀物，结晶得到硫酸铝，然后将制备的硫酸铝配成0.2mol/L的溶液；

配制2.0mol/L的碳酸铵溶液，并向2.0mol/L的碳酸铵溶液中加入一定量分散剂，然后将制备的0.2mol/L的硫酸铝溶液缓慢加入其中，加入完毕后搅拌，然后陈化、抽滤；在抽滤过程中，沉淀物先用蒸馏水洗涤数次，再用无水乙醇洗涤数次，得到碳酸铝铵滤饼，将所述碳酸铝铵滤饼放入烘箱中干燥；

最后煅烧干燥后的碳酸铝铵滤饼得到单分散α-Al₂O₃；

氧化铝回收系统所回收反应剩余电解液处理包括以下步骤：

首先,在所述反应剩余电解液中加入过量氧化钙，去除硅杂质；随后加入适量硫化钠，去除锌离子；再加入草酸钠并搅拌，过滤除去沉淀物，最终得到除杂后的铝酸钾溶液；

随后，在磁力搅拌反应釜内，将除杂后的铝酸钾溶液升至指定温度，加入晶种混合搅拌，通入CO₂，N₂的混合气体，以增加溶液过饱和度，促进溶液分解成氢氧化铝和碳酸钾两种产品；分解至终点后停止通气，并采用真空抽滤的方式进行固液分离；将沉淀物用去离子水洗涤后进行干燥得到氢氧化铝滤饼；

使用浓盐酸或浓硫酸溶解氢氧化铝滤饼，得到Al³⁺盐溶液；把Al³⁺盐溶液滴入NH₄HCO₃溶液中发生反应并生成碳酸铝铵；对碳酸铝铵进行沉淀后，进行真空干燥或烘干，干燥后的碳酸铝铵在高温下热解，最终生成氧化铝颗粒。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种制备高纯纳米氧化铝的系统和方法，在得到高纯纳米氧化铝同时得到稳定输出的电力，每千克铝可以放出4～4.5kWh电力；制备流程简短，过程环保清洁；每千克高纯铝可生产2千克高纯氧化铝。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的制备高纯纳米氧化铝的系统制备沉淀物和反应剩余电解液的结构示意图；

图2为本发明提供的电解液循环系统的结构示意图；

图3为本发明提供的铝空气单体电池的结构示意图；

图4为本发明提供的由沉淀物和反应剩余电解液制备高纯氧化铝的工艺流程图。

其中：1为气体净化装置；2为铝空气电池组；21为铝空气单体电池；211为阳极极耳；212为进气孔；213为排气孔；214为阴极极耳；215为进液口；216为出液口；3为膜分离装置；4为废气排放装置；5为液泵；6为热交换装置；7为储液箱；8为氧化铝回收系统；9为电控系统；10为蓄电池；11为分液器；12为滤网；13为电解液废液箱；14为反应剩余电解液反应装置；15为沉淀物反应装置；16为磁力搅拌反应釜；17为真空抽滤装置；18为烘箱；19为工业煅烧炉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-3，本发明实施例公开了一种制备高纯纳米氧化铝的系统，包括电解液循环系统、铝空气电池组2、氧化铝回收系统8、气体净化装置1、电控系统9和热交换装置6。

其中，铝空气电池组2包括多个铝空气单体电池21，多个铝空气单体电池21串联或并联形成铝空气电池组2，在本实施例中，铝空气电池组2由多个铝空气单体电池21串联形成，每个铝空气单体电池21包括壳体、电解液、阳极电极、阴极电极、阳极极耳、阴极极耳、进液口、出液口、进气口和排气口，壳体包括上壳体和下壳体，上壳体与下壳体可拆卸连接，阳极极耳、进气口和排气口位于上壳体的上方，进液口、阴极极耳分别位于下壳体的两侧，出液口位于下壳体的底部，电解液为高纯度NaOH或高纯度的KOH与高纯水配制出高纯度的碱性电解液NaOH溶液或碱性电解液KOH溶液，在本实施例中，电解液优选KOH溶液。

电解液循环系统包括储液箱7、液泵5、蓄电池10、分液器11、电解液废液箱13，分液器11与铝空气电池组2中的所有铝空气单体电池21的进液口逐个通过进液管线连通，进液管线上设有液泵5，铝空气电池组2中所有的铝空气单体电池21的出液口与电解液废液箱13通过出液管线连通，出液管线与电解液废液箱13之间设有滤网12，电解液废液箱13与液泵5连通，蓄电池10分别与液泵5和铝空气电池组2电性连接，其中，铝空气电池组2中的所有铝空气单体电池21的排气口汇集并连接有膜分离装置3，膜分离装置3连接有废气排放装置4。

气体净化装置1与铝空气电池组2中首端的铝空气单体电池21的进气口连通，电控系统9分别与电磁阀和液泵5电性连接，热交换装置6设于铝空气电池组2的底部，用于给铝空气电池组2散热。

在上述实施例中，蓄电池10为铅酸蓄电池，打开铝空气电池组2开关后，首先由铅酸蓄电池10为液泵5供电，将储液箱7中电解液经分液器11均分，注入到各铝空气单体电池21中。打开各铝空气单体电池21的出液口216一段时间，使得电解液废液箱13中存有一定量液体，以便后续进行电解液循环操作。

数分钟后，反应速率达到最大值，随后反应速率一直维持在稳定的较高水平。这时，通过电控系统9控制各铝空气单体电池21下方出液口216处的电磁阀小幅度打开，同时液泵5工作，把废液箱中电解液经分液器11输入到各铝空气单体电池21中，此时进液与排液速率相同。此过程中液泵5可以以较低功率运行。在运行过程中，当铝空气电池组2负载较小，存在功率冗余时，可以为铅酸蓄电池10进行充电。由于经过了滤网12过滤，电解液循环过程可有效除去反应生成的杂质，也对电池单体内部空间起到冲刷作用。另外，应在铝空气单体电池21出液口216处设置氢氧根离子浓度传感器，在电解液浓度不支持电池反应快速进行时，应从储液箱7泵入新电解液进行更换。

在低温环境下，考虑到铝空气单体电池21的快速启动问题，可以在分液装置中增加加热装置，如电热丝或电热片。打开启动开关后，如果环境温度较低，即启动加热装置为电解液加热，加热后的电解液注入到各铝空气单体电池21中。在反应一段时间后，由于反应放热，在达到合适的反应温度后，加热装置停止工作。随后由反应产热即可维持铝空气电池组2额定功率运行。

综合各研究，为维持输出功率达到额定值，一般KOH电解液初始浓度应高于4mol/L。虽然在氢氧根浓度较低时，反应速率不会大幅下降，但输出功率的变化可以作为更换极板的提示。在反应过程中，电解液应适量，若电解液量过高，会导致冗余重量过高，铝空气电池组2的整机功率密度下降。

在上述实施例中，氧化铝回收系统8对铝空气电池组2放电过程中产生的沉淀物和反应剩余电解液进行收集，其中沉淀物的主要成分为氢氧化铝，反应剩余电解液主要成分为铝酸钾。

参见图4，另一方面，本实施例还公开了一种制备高纯纳米氧化铝的方法，该方法包括对沉淀物的处理和反应剩余电解液的处理。

其中，

将氧化铝回收系统8所回收沉淀物的处理包括以下步骤：

首先，用浓硫酸溶解沉淀物反应装置15中的沉淀物，结晶得到硫酸铝，然后将制备的硫酸铝配成0.2mol/L的溶液；

配制2.0mol/L的碳酸铵溶液，并向2.0mol/L的碳酸铵溶液中加入一定量分散剂，然后将制备的0.2mol/L的硫酸铝溶液缓慢加入其中，加入完毕后，通过磁力搅拌反应釜16进行搅拌，搅拌1h，然后陈化，在利用真空抽滤装置17进行抽滤；在抽滤过程中，沉淀先用蒸馏水洗涤数次，后用无水乙醇洗涤数次，将抽滤得到的滤饼放入烘箱18中干燥，得到碳酸铝铵前驱体；

最后经工业煅烧炉19进行煅烧，煅烧得到单分散α-Al₂O₃，其中，煅烧包括分布煅烧，首先在约300℃条件下进行低温煅烧60-90分钟，再以每分钟20℃升温速率升温到1200℃进行高温煅烧90-120分钟，即可得到单分散α-Al₂O₃。

将氧化铝回收系统8所回收反应剩余电解液处理包括以下步骤：

在反应剩余电解液反应装置14中进行处理，首先在主要成分为铝酸钾的反应剩余电解液溶液中加入过量氧化钙，氧化钙与铝酸钾溶液反应生成氢氧化钙，氢氧化钙与铝酸钾反应可生成水合铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·6H₂O)，溶液中的SiO₂(OH)₂ ^2-离子在水合铝酸钙表层反应，生成水化石榴石沉淀，溶液中的硅杂质即被除去；除去硅杂质后，在溶液中加入适量硫化钠，硫离子与溶液中的锌离子发生反应，生成硫化锌沉淀，从而除去锌离子；再向溶液中加入草酸钠并搅拌，过滤除去草酸镁、钙盐沉淀；最终得到除杂后的铝酸钾溶液。

随后，将除杂后的铝酸钾溶液在磁力搅拌反应釜16内进行搅拌，升至指定温度，加入晶种混合搅拌，以一定流速通入CO₂，N₂的混合气体，以增加溶液过饱和度，促进溶液分解成氢氧化铝和碳酸钾两种产品；分解至终点后停止通气，并采用真空抽滤装置17进行真空抽滤进行固液分离；氢氧化铝滤饼用去离子水洗涤后进行干燥；

对得到的氢氧化铝滤饼使用浓盐酸或浓硫酸溶解，溶解得到铝盐；把Al³⁺盐溶液滴入NH₄HCO₃溶液中发生反应并生成碳酸铝铵；对碳酸铝铵进行沉淀后，在烘箱18中烘干，干燥后的碳酸铝铵在工业煅烧炉19进行高温下煅烧、热解，最终可生成不发生团聚，分布均匀，晶粒细化，粒径达到50nm左右的氧化铝颗粒。

对生成的氧化铝进行砂磨，细化粒度，对砂磨后的氧化铝进行干燥，即得到纳米氧化铝成品。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，包括：电解液循环系统、铝空气电池组和氧化铝回收系统，所述电解液循环系统与所述铝空气电池组连通，所述电解液循环系统与所述氧化铝回收系统连通。

2.根据权利要求1所述的一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，所述铝空气电池组包括多个铝空气单体电池，多个所述铝空气单体电池串联或并联。

3.根据权利要求2所述的一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，每个所述铝空气单体电池包括壳体、电解液、阳极电极、阴极电极、阳极极耳、阴极极耳、进液口、出液口、进气口和排气口，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体与所述下壳体可拆卸连接，所述阳极极耳、进气口和排气口位于所述上壳体的上方，所述进液口、阴极极耳分别位于所述下壳体的两侧，所述出液口位于所述下壳体的底部。

4.根据权利要求3所述的一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，所述电解液循环系统包括储液箱、液泵、蓄电池、分液器和电解液废液箱，所述分液器与所述铝空气电池组中首端的所述铝空气单体电池的所述进液口通过进液管线连通，进液管线上设有所述液泵，所述铝空气电池组中末端的所述铝空气单体电池的出液口与所述电解液废液箱通过出液管线连通，出液管线与所述电解液废液箱之间设有滤网，所述电解液废液箱与所述液泵连通，所述蓄电池分别与所述液泵和所述铝空气电池组电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，还包括气体净化装置，所述气体净化装置与所述铝空气电池组中首端的所述铝空气单体电池的所述进气口连通。

6.根据权利要求4所述的一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，还包括电控系统，所述出液口设有电磁阀，所述电控系统分别与所述电磁阀和所述液泵电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种制备高纯纳米氧化铝的系统，其特征在于，还包括热交换装置，所述热交换装置设于所述铝空气电池组的底部，用于辅助所述铝空气电池组散热。

8.一种制备高纯纳米氧化铝的方法，利用上述权利权要求1-7任一项中所述的氧化铝回收系统，其特征在于，包括将氧化铝回收系统所回收沉淀物的处理和将氧化铝回收系统所回收反应剩余电解液处理；

其中，

氧化铝回收系统所回收沉淀物的处理包括以下步骤：

用浓硫酸溶解沉淀物，结晶得到硫酸铝，然后将制备的硫酸铝配成0.2mol/L的溶液；

配制2.0mol/L的碳酸铵溶液，并向2.0mol/L的碳酸铵溶液中加入一定量分散剂，然后将制备的0.2mol/L的硫酸铝溶液缓慢加入其中，加入完毕后搅拌，然后陈化、抽滤；在抽滤过程中，沉淀物先用蒸馏水洗涤数次，再用无水乙醇洗涤数次，得到碳酸铝铵滤饼，将碳酸铝铵滤饼放入烘箱中干燥；

最后煅烧干燥后的碳酸铝铵滤饼得到单分散α-Al₂O₃；

氧化铝回收系统所回收反应剩余电解液处理包括以下步骤：

首先,在所述反应剩余电解液中加入过量氧化钙，去除硅杂质；随后加入适量硫化钠，去除锌离子；再加入草酸钠并搅拌，过滤除去沉淀物，最终得到除杂后的铝酸钾溶液；

随后，在磁力搅拌反应釜内，将除杂后的铝酸钾溶液升至指定温度，加入晶种混合搅拌，通入CO₂，N₂的混合气体，以增加溶液过饱和度，促进溶液分解成氢氧化铝和碳酸钾两种产品；分解至终点后停止通气，并采用真空抽滤的方式进行固液分离；将沉淀物用去离子水洗涤后进行干燥得到氢氧化铝滤饼；

使用浓盐酸或浓硫酸溶解氢氧化铝滤饼，得到Al³⁺盐溶液；把Al³⁺盐溶液滴入NH₄HCO₃溶液中发生反应并生成碳酸铝铵；对碳酸铝铵进行沉淀后，进行真空干燥或烘干，干燥后的碳酸铝铵在高温下热解，最终生成氧化铝颗粒。

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