陳媛媛,韓中艷,陳 秋,梅 菊
(六盤水師范學(xué)院,貴州 六盤水 553004)
氫氧化鋁粉體平均粒徑很小,表面積大,多數(shù)粉體易發(fā)生團聚,很難均勻分散,其在工程工藝中應(yīng)用廣泛,在物理和化學(xué)的運用方面具有多種優(yōu)異性質(zhì)[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展和社會的需求,很多產(chǎn)品朝著精細(xì)化的要求而發(fā)展,粉體制備的研究和開發(fā)在技術(shù)和方法上得到了新的研究進展[2-4]。氫氧化鋁粉體是一種無毒無味的白色粉末,不易揮發(fā),晶格結(jié)構(gòu)為八面體的配合物,結(jié)晶屬于單斜晶系,化學(xué)穩(wěn)定性好,為典型的兩性化合物,不溶于水,其在中性介質(zhì)中,電離常數(shù)很小,存在堿式電離常數(shù)大于酸式電離常數(shù)的關(guān)系,所以氫氧化鋁通常略顯堿性[5]。氫氧化鋁粉體有許多優(yōu)良的物理化學(xué)性能,具有阻燃、消煙和做填料等多重功能,并且屬于環(huán)保型無機阻燃劑,因為不會產(chǎn)生二次污染,能協(xié)同多種物質(zhì)產(chǎn)生阻燃效應(yīng)。氫氧化鋁粉體是一種用途廣泛的化工產(chǎn)品[6],在很多行業(yè)中成為重要的環(huán)保型阻燃劑,如化工生產(chǎn)、塑料橡膠、造紙業(yè)、涂布顏料、航天電子、醫(yī)學(xué)藥品等方面。
水浴鍋中,稱取一定量氫氧化鈉溶于蒸餾水中,待氫氧化鈉全部溶解后,再稱取氫氧化鋁溶于氫氧化鈉溶液中,苛性比(NaOH和Al(OH)3物質(zhì)的量比)不宜過大,加熱煮沸,冷卻,稀釋過濾,將溶液密封備用;經(jīng)測定所配制的偏鋁酸鈉溶液中鋁元素濃度為1.54mol/L。
量取100ml配制的偏鋁酸鈉溶液100ml于塑料燒杯中,塑料燒杯在水浴鍋中保持恒溫;將CO2通入到偏鋁酸鈉溶液中,通過控制CO2的通氣速率、分解溫度和pH值進行碳分反應(yīng)。反應(yīng)所產(chǎn)生的白色沉淀通過過濾、干燥、粉碎后,即得到氫氧化鋁粉末。
將塑料燒杯置于超聲波清洗器中,通入CO2,通過控制CO2的通氣速率、分解溫度、pH值和超聲波功率進行碳分反應(yīng)。相同的操作步驟。將所得的沉淀通過過濾、干燥、粉碎后,即得到氫氧化鋁粉末。
本次實驗用了兩種測定方法,XRD(X-射線衍射)和激光粒度分析。X-射線衍射對粉體進行物相分析,激光粒度分析儀測定粉體粒度。
向偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w,溶液中因形成碳酸化的偏鋁酸鈉[7],苛性比降低,通過反應(yīng)氫氧化鋁以晶體形式析出,其反應(yīng)原理如下:
式(1)是CO2氣體通入偏鋁酸鈉溶液中,氣液轉(zhuǎn)化的一個過程;式(2)是酸性氣體二氧化碳與游離的氫氧化鈉的中和反應(yīng);式(3)是碳分法的本質(zhì)反應(yīng),二氧化碳?xì)怏w通入偏鋁酸鈉溶液中,隨著反應(yīng)的進行,有大量白色沉淀析出,白色沉淀為氫氧化鋁,該過程按“表面成核”機制進行;式(4)為偏鋁酸鈉的水解反應(yīng);式(5)是碳分過程中的副反應(yīng)。
圖1 粉體XRD圖
圖1為偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生的白色粉體的XRD圖,由圖可知在此反應(yīng)過程中產(chǎn)生了Al(OH)3粉體,除了氫氧化鋁外,還含有少量的NaAlCO3(OH)2。
取1.54 mol/L的偏鋁酸鈉溶液100 mL在燒杯中,在水浴鍋中溫度為50℃條件下通入CO2氣體、二氧化碳的通氣 速 率 分 別0.1L/min、0.2L/min、0.3L/min、0.4L/min、0.5L/min,控制溶液pH值為12后停止實驗,過濾、干燥、粉碎,測定粉體粒徑。相同的實驗過程,選擇超聲波清洗器代替水浴鍋,超聲波清洗器功率選擇300W。結(jié)果如圖2所示。
碳分過程中CO2的通氣速率可以控制氫氧化鋁晶體沉淀的速度,當(dāng)通氣速率越快,出現(xiàn)沉淀時間越短。CO2通氣速率太快或者太慢都不利于氫氧化鋁的結(jié)晶,CO2的通氣速率控制得當(dāng)氫氧化鋁的析出會以初期析出的微粒為晶核并且能夠在表面繼續(xù)結(jié)晶生長。研究發(fā)現(xiàn),要使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑最佳應(yīng)控制CO2的通氣速率為100L/h~200L/h。
圖2 CO2流量對粉體粒徑的影響
在濃度為1.54mol/L的偏鋁酸鈉溶液100mL中通入CO2,通過實驗得出,如圖2所示,通氣速率為0.1L/min時產(chǎn)生的氫氧化鋁粉體粒徑為12.940um,通氣速率為0.2L/min時沉淀的氫氧化鋁粉體粒徑為19.914um,二者相差6.940um,但通氣速率為0.2L/min時沉淀產(chǎn)生的速率比通氣速率為0.1L/min時沉淀產(chǎn)生速率快,二者時間相差約6min,因此要使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品粒徑最佳應(yīng)控制CO2的通氣速率為0.2L/min。
對比圖2中相同CO2通氣速率對氫氧化鋁粉體粒徑的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在相同通氣速率下,超聲波場中沉淀析出的Al(OH)3粉體具有更小的顆粒,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是超聲波空化效應(yīng)和機械效應(yīng)對偏鋁酸鈉溶液的震蕩作用使得溶液中氫氧化鋁成核難度增大,粉體成核分散度增強,產(chǎn)生的顆粒更小。
圖3 溫度對粉體粒徑的影響
在CO2的通氣速率為0.2L/min反應(yīng)條件下,分別在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃溫度下進行實驗,其他實驗條件同CO2通氣量實驗,得到粒度不同的氫氧化鋁產(chǎn)品。
如圖3所示,35℃得到的產(chǎn)品粒度最細(xì),粒徑為11.591 um,所以最佳碳分分解溫度為30℃。這是因為低溫會加速二次成核,得到粒度較細(xì)的氫氧化鋁;溫度升高會減少的二次成核的發(fā)生,晶體生長速度增強。在超聲波場中,當(dāng)分解溫度為30℃時,產(chǎn)品粒徑最細(xì),粒徑為7.585 um,所以超聲波輔助沉Al(OH)3的最佳碳分溫度是30℃。較低的溫度有利于獲得粒徑更小的粉體。
根據(jù)實驗結(jié)果圖4可以看出,隨著pH值的增大,粉體粒徑增大,由于反應(yīng)時間越短,二氧化碳通入量越少,體系呈堿性,pH值的越大,粉體粒徑越大。終點pH值對Al(OH)3粉體粒徑的影響單因素實驗中,碳分終點pH值為9時,Al(OH)3粉體粒徑最細(xì),粒徑為7.509 um,所以最佳終點pH值為9。
圖4 終點pH對粉體粒徑的影響
通過最佳通氣速率、最佳碳分分解溫度和最佳終點pH值的確定,在最優(yōu)值條件下,改變超聲波功率比較粉體粒徑,確定最佳碳分超聲功率。
實驗結(jié)果如圖5所示:當(dāng)超聲波功率為270W時,粉體粒徑最小,超聲時間為25min,粒徑為9.147um,由此可以得出,最佳超聲功率為270W。
根據(jù)上述單因素實驗,得出了超聲波場碳分制備氫氧化鋁粉體的最佳實驗條件:最佳通氣速率0.2L/min、碳分溫度30℃、終點pH值為9、超聲波功率270W。在最佳實驗條件下,氫氧化鋁粉體粒徑為6.537um。
以偏鋁酸鈉溶液和CO2氣體為原料,以常規(guī)無攪拌和超聲波攪拌碳分法制備氫氧化鋁,研究了不同因素、不同反應(yīng)條件對產(chǎn)物粉體粒徑的影響,確定了最佳工藝條件,主要內(nèi)容包括以下幾個方面。
(1)相同條件下,超聲波場較常規(guī)無攪拌條件獲得的粉體粒徑更小。
(2)超聲波輔助碳分制備氫氧化鋁粉體的最佳實驗條件為:通氣速率0.2L/min、分解溫度30℃、終點pH值為9、超聲波功率270W,所得氫氧化鋁粉體粒徑為6.537um。