多尺度结构可控化学品氧化铝的绿色制备基础

Chemical alumina with unique properties has extensive application prospects in petrochemical, electronic, precision ceramic and military industries as well as other fields. However, the multi-size chemical alumina such as nano, mesoporous and micron spherical alumina are produced in a rigorously controlled process. Some kinds of chemical alumina are prepared from several expensive materials, and the processes generate worthless by-products. .This project will focus on the green preparation of high-value added multi-size and structure-controlled chemical alumina using cheap sodium aluminate as material through precisely controlled reaction crystallization with sodium bicarbonate in aqueous solution. The whole process is green without the by-product of cheap inorganic salts because the sodium carbonate generated in the reaction can be cycled for the preparation of sodium aluminate and sodium bicarbonate. The comprehensive study on the reaction crystallization mechanism of sodium aluminate and sodium bicarbonate will be carried on, and we will delve into the principles of primary and secondary nucleation, the characteristics of crystallization kinetics as well as the multiple-processes coupling mechanism; Through the multi-size and structure-controlled intermediate product of aluminum hydroxide, the green preparation of the chemical alumina with well controlled size and structure will be eventually achieved using sodium aluminate as material. At the same time, the new process will be introduced into the sintering alumina production process, and the controlling conditions for producing high value-added multi-size and structure-controlled chemical alumina directly from the refined sodium aluminate liquor will be obtained, which will promote the clean production and product structure upgrade of chemical alumina in our country.

化学品氧化铝具有独特的性质，在石油化工、电子、精密陶瓷与军工等领域具有广阔的应用前景。但是，如纳米、介孔与微米级球形等多尺度氧化铝的生产对过程的控制要求很高，目前由几种价格较高的特定原料制备，成本高，且有副产物生成。本项目以廉价铝酸钠为原料，通过对铝酸钠与碳酸氢钠的溶液反应结晶过程的精确调控，制备高附加值的多尺度结构可控化学氧化铝。该反应过程为绿色过程，其碳酸钠产物可循环用于制备铝酸钠与碳酸氢钠，无廉价无机盐副产品。本项目全面研究铝酸钠与碳酸氢钠反应结晶过程的影响机制，深入探究初级与二次成核规律、结晶动力学特征，以及多过程耦合机制；通过氢氧化铝中间产品的多尺度和结构调控，最终实现以铝酸钠为原料的多尺度结构可控化学品氧化铝的绿色制备。同时进一步将该新过程嵌入到烧结法氧化铝生产流程，获得直接从其铝酸钠精液生产高附加值多尺度化学品氧化铝的控制条件，促进我国化学品氧化铝的清洁生产与产品结构升级。

本项目通过对铝酸钠与碳酸氢钠的溶液反应结晶过程的精确调控，研究了以廉价铝酸钠为原料，制备球形拜尔石与介孔氧化铝的工艺、动力学与机理，铝酸钠-碳酸钠体系的相图与碳酸钠蒸发结晶进行介质循环的工艺与结晶动力学。构建的该反应体系为绿色过程，其碳酸钠产物可循环用于制备铝酸钠与碳酸氢钠，无廉价无机盐副产品。同时，初步开展了以硫酸铝铵为原料的高纯纳米氧化铝的结晶动力学研究。在两年的时间内，已完成了原计划4年的主要研究内容。.由铝酸钠与碳酸氢钠的溶液反应成功在MSMPR反应器中制备了单峰粒度分布的均匀球形拜耳石，其粒度可通过反应温度、搅拌转速、溶液中碳酸钠与氢氧化钠的摩尔比以及反应加料速度调节。同时，发现铝酸钠与碳酸氢钠的溶液反应体系中，拜耳石的结晶过程中熟化行为较弱，生长与聚合占主导作用。在此基础上，进行了该结晶反应动力学的研究，并建立了动力学模型。.为了研究从铝酸钠溶液体系中蒸发结晶碳酸钠，实现介质循环，构建了NaOH−Al(OH)3−Na2CO3− H2O体系在393 K的相图，系统研究了其不同的结晶区域。结果表明，随着氢氧化钠溶度的升高，氧化铝的溶解度增大，但碳酸钠的溶解度降低。且碳酸钠的溶解度受溶液中氧化铝浓度与温度的影响较小。.采用(FBRM)在线装置研究了铝酸钠溶液蒸发时碳酸钠的结晶动力学。结果表明，随着蒸发过程的进行，碳酸钠首先结晶析出，此后有水合铝酸钠成核，两者具有不同的形貌。同时发现，溶液中钙离子在析出的碳酸钠颗粒中富集，且可抑制碳酸钠的成核。.介孔氧化铝通常由有机醇铝盐在醇等非水媒介中合成，较无机体系昂贵。本课题首次用碳酸氢钠中和铝酸钠溶液，以CTAB作为模板剂，成功合成了介孔氧化铝。反应的副产品碳酸钠一部分可与二氧化碳反应生产碳酸氢钠，同时整个过程可整合至烧结法氧化铝生产系统中，即，另一部分碳酸钠通过烧结法与铝土矿反应制备另一反应原料铝酸钠溶液，实现过程的清洁生产。制得的介孔氧化铝经表征，具有水热稳定、短程有序、形貌与孔径可控等特性。此新过程对介孔氧化铝的规模化制备，降低生产成本有重要的意义。