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如何去除高纯氧化铝里面的这几种杂质?

发布时间:2021/02/23 行业新闻 标签:耐火砖浏览次数:145

在高纯氧化铝中,杂质元素大多以K₂O、Na₂O、CaO、SiO₂、MgO、Fe₂O₃、CuO等氧化物的形式存在。由于高纯氧化铝的物理化学性质会因杂质元素的存在受到严重影响,如:三氧化二铁会导致发光材料的发光性能降低,二氧化硅会导致氧化铝烧结性能的变差等,从而使高纯氧化铝在应用领域中大大受限。所以制备高纯氧化铝的工艺研究越来越受各国家科研工作者的重视。任忠胜通过微细过滤和深层过滤的方法,有效地降低了Fe、Ca、Mg等杂质的含量。

1、Fe杂质的去除

Fe杂质大多以二价或者三价的氧化物形式存在于主体产品中,各科研者对不同物质中Fe杂质的去除均有一定研究,如:铝土矿、铝酸盐-碱性溶液等。

铝土矿是在热带或亚热带气候下形成的,广泛地存在于玄武岩、石灰岩等各种岩石和片岩中,包含的常见的杂质为铁酸盐、针铁矿、石英、硅线石、刚玉、二氧化钛等。优质的铝土矿Al₂O₃含量最小为40%,SiO₂含量最大为15%;低质的铝土矿杂质主要是石英、三氧化二铁和氧化钙。A Aziz等在采用硫酸浸出法回收铝土矿中氧化铝的过程中,选用纯度为68%的乙醇(C₂H5-OH)几乎完全除下了Fe杂质,但是乙醇价格昂贵,为了使该工艺更加经济,可以通过冷凝回收法对乙醇进行二次利用。

脱除铝酸盐。碱性溶液中Fe杂质最常用的纯化方法是添加亚硫酸钠的氧化钙来处理,之前也有人采用氨基亚甲基萃取体系替代苯酚的衍生物来萃取Fe杂质。GuseinovER选用萃取剂2-羟基-5-烷基(C8-C9)苄基二乙醇胺成功地从铝酸盐-碱性溶液中萃取了Fe杂质,而且该技术在实际的氧化铝生产车间已经得到了测试。

由于Fe含量较高的硫酸铝铵制备的氧化铝纯度较低,不能满足高纯产品的要求且对其应用有极大的限制,所以必须除去原料中的Fe。现阶段比较常用的方法包括:沉淀法、有机伯胺萃取法和重结晶法。沉淀法可以通过加入助剂MnO₂、KMnO4、K₃[Fe(CN)6]或K4Fe(CN)6·3H₂O来实现,它的优点是成本低,操作简便;缺点是铝离子损失量大,过程中加入助剂引入了新的杂质。有机伯胺萃取法操作麻烦,萃取剂用量大且成本高,反萃取复杂,所以难以在工业上应用。

重结晶法设备简单,操作容易,成本低。陆建刚采用该法获得了符合国家质量标准的硫酸铝铵。刘萍对该方法的提纯进行了改进如下:为了提高过滤效果,将过滤介质滤布改为高分子PE微孔管;为了使晶体取出更方便,将长方形槽改为带手柄的半圆形槽;为了促进杂质分离添加了助剂。综合考虑,本课题最终选择多次重结晶的方法对原料进行提纯。

2、Si杂质的去除

Si杂质由于不活泼,较难除去。祁光霞等在恒温130℃下,将粉煤灰与氢氧化钠溶液混合反应1 h,对粉煤灰进行预脱Si,脱Si效率达30.0%。孙应龙等通过正交试验研究了氢氧化钠质量分数、灰碱比、反应时间和反应温度对脱Si效率影响,结果时间、碱液浓度、灰碱比、反应温度对脱Si效率的影响依次增强,并且在最佳条件下脱Si效率达38.6%。董菲等综合利用了预脱Si和碱石灰烧结法的核心技术,并提出了有关脱Si工艺装备适用情况的宝贵建议。

和晓才认为焙烧后样品中的杂质Si、Fe会暴露出来,再利用超声波对其进行反复酸洗、水洗,最终制备的氢氧化铝Si、Fe含量均小于0.001%。并且建议采用活性炭柱或微孔钛过滤膜将原料进行过滤以除杂。赖浚等对高纯氧化铝制备过程中的铝酸钠溶液杂质Si、Fe的脱除进行了研究,用氧化钙作脱硅剂,使之与水反应生成氢氧化钙,氢氧化钙再和铝酸钠反应生成铝酸三钙,硅酸根离子再和铝酸三钙反应生成难溶的水化石榴石,最终以沉淀形式析出,脱Si率可达到98%。另外,电厂采用氢氧化铝吸附法、反渗透法、微泡浮选法、电凝聚法等进行Si杂质的脱除。

以上方法中,有的会引入Na、Ca等杂质元素,有的适用于微量Si的脱除,不适于痕量Si的深度脱除,所以研究一种有效除去痕量Si的方法十分必要。

3、Ca杂质的去除

Ca杂质主要可通过萃取剂萃取、化学沉淀、盐析结晶、离子交换、螯合剂螯合等种方法被脱除。

萃取剂萃取首先可以利用硫酸钙的难溶性,使Ca₂+以CaSO4的形式沉淀析出,再结合其他方法(如:溶剂萃取、等)进行二次脱除。萃取剂P₂O4,又名磷酸二院基醋、D2EHPA,价格便宜,是一种酸性萃取剂,对金属离子的萃取顺序由大到小依次为:Fe3+、Zn2+、Cu2+、CO2+、M92+、Mn2+、Ca2+。谢红艳采用P₂O4对含钙镁锰的混合液进行萃取,钙离子明显下降,但不能达到高纯的要求。赵红涛等对磷石膏中的Ca杂质行了深度脱除,经过研究磷石膏中的可溶性杂质及不可溶性杂质均可被有机溶剂磷酸三丁酯有效地萃取,最终获得纯度大于99%的硫酸钙颗粒。

李军旗等利用草酸盐使钙离子以沉淀形式析出,钙离子脱除率较理想。

戴志峰等利用离子交换树脂的高效选择性将碳酸氢锂体系中的钙镁离子有效地脱除。

原油中Ca主要以螯合脱Ca的方法进行脱Ca,王清等对几种脱钙剂的脱Ca效果进行了比较性研究并分析了原因,其中HEDP的脱Ca效果优于EDTA,是最佳的脱钙剂。HEDP又名羟基乙叉二磷酸,可与Ca2+形成六圆环的螯合物,具有很好的阻垢效果,与聚羧酸型阻垢分散剂配合使用效果更佳,通常使用浓度1~10 mg/L。

4、Na杂质的去除

制备氧化铝常用的脱除钠杂质的方法有:洗涤法、水热处理法和添加硼酸法等。路文采用洗脱法对硫酸铝铵晶体进行脱钠,他认为将硫酸铝铵晶体加热至150-200℃,晶体中会出现鼓泡现象,从而有利于钠杂质的洗脱。李加宏比较研究了在氧化铝制备过程中水热处理脱钠法与添加硼酸脱钠法,由于水热法所得的氧化铝纯度高于添加硼酸法,最终选择采用水热法脱钠。和晓才在煅烧氢氧化铝的过程中,添加适量硼酸,使其与钠杂质反应生成偏硼酸钠,再对氧化铝进行酸洗干燥处理,最后得到了钠含量小于0.001%的氧化铝。

另外,高纯的氢氧化钾(KOH)广泛地用于各种工业领域(例如:钾化合物、药物和合成树脂的制造,半导体加工,电子领域等),特别是在电子领域其具有很高的经济价值。它的制备原料是工业级的氯化钾,因含有钠离子杂质而大大影响其性能。一般情况下,通过重结晶的方法来除去钠离子。Yoon H等提出了一种氧化钠锰和六氰合铁酸钾的电化学系统,它可以选择性地去除原料氯化钾中约36%的钠离子,非常利于高纯氢氧化钾的工业生产,而且这种电化学电池系统使用不仅适用于海水淡化,而且也适用于资源回收。

这为杂质离子的除杂提供了一条新思路,可以将选择离子分离系统应用于其他杂质离子的去除过程,如果选择性去除钠离子杂质,可以使用己知选择性插入和脱嵌钠离子的钠离子电池材料。