赤泥洗液制备高纯氧化铝研究及应用研究进展

1、赤泥洗液制备高纯氧化铝研究及应用研究进展摘要：高纯氧化铝具有独特的特性，这使得它广泛应用在各种现代设备上，如在磁、光子、电子、传感设 备等。改良拜耳法是将赤泥洗液经过除硅、铁等杂质的铝酸钠溶液，通过控制铝酸钠溶液的分解条件，使 结晶过程中氢氧化铝向种子析出的速度极为缓慢，抑制异常晶核的形成，减少氢氧化铝中na、si等杂质的 夹杂，然后使用净化剂洗涤，得到高纯水合氧化铝，煨烧后得到高纯氧化铝。关键词：赤泥洗液；高纯氧化铝；改良拜耳法前言：赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，赤泥洗液是综合处理利用赤泥的产 物，是含氧化铝50-80g/l的铝酸钠溶液。我国是氧化铝生产大国，2012年生产氧化

2、铝4214 万吨，约占世界总产量的44%,产生的赤泥近6000万吨。2010年工信部调查我国赤泥综合 利用率不足4%,累积堆存量达到2亿吨。随着我国氧化铝产量的逐年增长和铝土矿品位的 逐渐降低，赤泥的年产生量还将不断增加，预计到2015年，赤泥累计堆存量将达到3. 5亿 吨。赤泥大量堆存，既占用土地，浪费资源，又易造成环境污染和安全隐患。为此国家发改 委、工信部相继出台“十二五”期间大宗固体废物综合利用实施方案、赤泥综合利用 指导意见等重要文件，专门针对我国赤泥综合处理或利用做出明确的规定和相关扶持政策, 由此可见，赤泥的综合利用已经与我国铝工业可持续发展及环境保护密切相关，并上升到了 国家关

3、注的层面，突显赤泥综合利用的重要性和紧迫性。高纯氧化铝是指纯度大于99.99%、粒度均匀的超细粉体材料。高纯水合氧化铝是高纯 氧化铝的前驱。高纯氧化铝由于具有无比优越的物理、热学、光学、力学性能，是制作集成 电路陶瓷基片、绿色照明用三基色荧光粉、汽车传感器、磁带添加剂、催化剂载体涂层、半 导体及液晶显示器、透明高压钠灯管、精密仪表及航空光学器件等的重要基础材料，也是21 世纪新材料中产量大、产值最高、用途最广的尖端材料之一近年来，高纯氧化铝在喷 墨打印机用纸涂层、显示器材料、能源、汽车、半导体及电脑领域得到拓展应用，尤其是全 球led快速发展以及国家照明工程的实施，其需求量激增，产量迅速增长。

4、据资料显示， 全球每年髙纯水合氧化铝需求量约为7500 tm,产地主要集中在日本及欧美地区。改良拜耳法，是将铝酸钠溶液通过深度脱硅、除铁等净化工序得到高纯铝酸钠溶液， 通过控制铝酸钠溶液的分解条件，使结晶过程中氢氧化铝向种子析出的速度极为缓慢，抑制 异常品核的形成，减少氢氧化铝屮na、si等杂质的夹杂，得到高纯水合氧化铝，再经锻 烧、研磨等工序制得高纯氧化铝。改良拜耳法中净化铝酸钠溶液是影响产品最终杂质含量的 关键步骤。唐海红等采用领盐作为净化剂除去溶液中si、fe、p、ti、v和有机物等杂 质。但是，溶液屮的残余锁离子即使用碳酸钠脱除含量依然较高，在分解过程中伴随氢氧 化铝析出，造成氢氧化铝

5、中顿含量偏高。改良拜耳法最关键的工序是钠离子的脱除，在氢氧 化铝水热转相过程中添加兴浩新材研发的脱钠剂且在焙烧过程中加入矿化剂脱钠，脱钠效果 良好，能达到生产高纯氧化铝的要求。原料來源广，成本低，过程无污染。1实验部分1.1赤泥洗液除杂赤泥洗液里而含杂质si、悬浮物、有机物较多，除杂第一步分析赤泥洗液屮的杂质含 根据杂质含量加石灰乳（添加量是理论值得1. 2倍）脱硅，在80-90°c搅拌反应2小时，然后经板框式压滤机过滤，第二步加絮凝剂除悬浮物，在70-80°c搅拌1小时，经叶滤机过 滤，第三步将第二步滤液加铝酸顿深度除杂，b渲与溶液中的s0广，co/, sio/等离子生

6、成难溶的顿盐沉淀，同时这些沉淀能吸附溶液中的fe、p、ti、v和有机物等,而且它们易于 分离，使溶液得到净化，然后经加有超细孔径的滤布的叶滤机过滤，第四步将第三步的滤液 加入草酸脱钙脱锁，在40-50°c搅拌反应1.5小时，口然沉淀取上层清液，得到高纯铝酸钠 溶液。ca (0h) 2 + na2sio3 = casioj + naohba2+ so 产=basoica (oh) 2+ h2c2o1 二c2c2o1 j+ 2ii2oba (oh) 2+ h2c2o4 =bac2o4 + 2h20赤泥洗液反应后过遽滤液)絮凝剂过滤、fl虑可铝酸顿过滤滤液高纯铝酸钠溶液赤泥洗液除杂流程图1

7、2生成氢氧化铝拜耳法是工业生产氧化铝的主流方法,但由于没能有效净化铝酸钠屮的杂质而导致产出 的氧化铝纯度较低c改良拜耳法在传统工艺的基础上，对净化铝酸钠以及对结晶后获得的氧 化铝脱钠进行改良。通过控制结晶温度、搅拌速度等条件，控制氢氧化铝结晶析出的速度, 避免异常晶核的形成同时减少杂质以夹杂的形式进入氢氧化铝内。氢氧化铝经焙烧转型后获 得纯度较高的氧化铝。将高纯铝酸钠溶液浓缩到氧化铝含量达到120-200g/l,加入氢氧化 铝晶种，控制温度在80-95°c范围内，搅拌速度控制在150-400转每分钟。控制单一变量进 行试验，分析不同条件下生成的氢氧化铝的杂质，选出氢氧化铝杂质含量最低

8、的生成条件(氧 化铝浓度、搅拌速度、反应温度)。naal(0h)4 + nh20 浓缩 al (0h) 3. nthq + naoh表1不同条件下生成的氢氧化铝杂质含量检测结果样品名称样品1杂质含量/(g/血)fe si na k ca mg ti0.2<0. 13<0. 1<0. 1<0. 1<0. 1样品20.3<0. 14<0. 1<0. 1<0. 1<0. 1样品30.7<0. 16<0. 1<0. 1<0. 1<0. 1样品40. 5<0. 14<0. 1<0. 1<0.

9、 1<0. 1样品50.4<0. 14<0. 1<0. 1<0. 1<0. 1样品60. 1<0. 13<0. 1<0. 1<0. 1<0. 1样品70.6<0. 15<0. 1<0. 1<0. 1<0. 1说明：以上分析结果用荧光分析法测定。1.3洗涤笫一次洗涤：将生成含杂质低的氢氧化铝进行洗涤，采用逆流洗涤和搅洗的方式，多次 洗涤，洗涤液中添加兴浩新材研发的配伍型离子交换剂。洗涤条件：洗涤时间30分钟；洗 涤温度90-95°c；洗涤氧化铝浓度10% o洗涤完成后收集滤饼，经气流粉碎机粉

10、碎干燥。第 二次洗涤：林云波等在250580°c下培烧氢氧化铝后，用洗涤剂洗涤脱钠，最终钠 含量小于0. 04%。将焙烧后的产品继续采用逆流洗涤和搅洗的方式，多次洗涤，洗涤完成 后收集滤饼，经气流粉碎机粉碎干燥。第三次脱钠：李翠兰等研究了在氧化铝中添加氟 化钠以及硼酸等矿化剂，在12001300°c下锻烧后对钠的脱除效果，该方法能脱除大部 分的钠。末次洗液个氢氧化铝一次洗涤im. 滤饼、二次洗涤滤饼三次洗涤合格滤饼7/w" /二次洗液纯水+配伍型离子交换逆流洗涤示意简图表2洗涤后的氢氧化铝杂质含量检测结杲样品名称杂质含量/ (mg/kg)fesinakcamgti

11、样品6100163000422<1第一次洗涤3117531322<1第二次洗涤221693322<1第三次脱钠111817322<1锻烧182522533<1粉碎192522533<1说明：以上分析结果用微波消解一苹取光度法测定。1 4减少外来杂质进入除了冷却水管、真空管外，所有管道内部衬聚四氟乙烯，法兰和连接处密封也使用四氟 垫片，以减少输送过程中杂质污染。凡是与物料直接接触的设备，接触面要做好防杂质进入 物料的措施。投料和装卸过程屮做好防护工作，避免工人身上和空气屮的杂质进入物料屮。1.5小结实验结果：通过改良的拜耳法并且加上多道工序对赤泥洗液除杂，能满

12、足高纯氧化铝的 生产要求。2高纯氧化铝的应用2.1单晶蓝宝石单晶蓝宝石广泛应用于光学窗口和整流罩以及卫星空间技术、高强度激光的窗口材 料、光纤传感器等。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体 成为实际应用的半导体ga n/ai2o3发光二极管(led)、大规模集成电路sot和sos及超 导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。作为蓝宝石原料的高纯氧化铝不仅具有高纯度 而且含水量非常低，在超过2 000 °c高温熔化时，水的存在可氧化钳wo此外，高纯 a -a1a不会互相粘接造成容器堵塞。随着单晶技术的不断改善，对高纯氧化铝的体积密度 有了更高的要求，高体积密度不但可

13、以改善颗粒密度还可以提高产量。2. 2汽车传感器空燃比传感器是用来检查发动机燃烧过程空气与燃料比的仪器。空燃比传感器由部分 稳定氧化错和氧化铝基质及加热器组成，氧化铝覆盖于氧化错传感元件表面的钳膜上，防 止废气中的杂质腐蚀钳膜。通过必要的烧结使氧化错和氧化铝基质两种不同的材料结合成 一个整体，两种材料烧结收缩比和热膨胀系数必须相同。此外，在实际应用过程中，由于 热膨胀系数的迥并导致两种材料接触界血发生破裂现象，因此，氧化铅元件和氧化铝基质必 须具有高密度和细品粒度，尽量缩小两种材料热膨胀系数的差异。为了满足这种要求，改 善氧化铝的低温烧结性能显得非常必要。2. 3半导体材料« -a1

14、a具有高的耐腐蚀性、电绝缘性、化学耐久性、耐热性，抗辐射能力强，介电常 数高，表面平整均匀，可用于制造半导体和大规模集成电路的衬底材料及液晶显示器材 料。控制氧化铝烧结体中气泡残留量和杂质含量，可获得无气孔、高抗弯曲度和抗腐蚀性 的氧化铝陶瓷。此外，在铝、線、絡、锌和鉛金属及合金上等离子体喷涂用的涂层氧化铝 需求量日益增加。对等离子喷涂材料用氧化铝的纯度、流动性及颗粒形貌、粒径分布 等都有特殊要求，以满足英工艺制备条件。2. 4橡胶增强剂高纯纳米氧化铝作为补强填充剂可用于橡胶行业何，能够改善橡胶导热性、耐热性及 各项力学性能。通过优化粒径及分布状态可提高橡胶弹性体材料的导热性和各项物理性能,

15、能够显著增强橡胶的拉伸强度、耐热性、抗老化性和耐磨性。2. 5锂电池利用高纯纳米氧化铝的绝缘、隔热、耐高温特性，可用于电池负极的涂层。随着锂离 子充电电池容量的不断提高，其内部蓄枳能量越来越大，内部温度会提高，若温度过高会 使负极隔膜被融化而造成短路。在隔膜上涂一层纳米氧化铝涂层，可避免电极之间短路，提 高锂电池使用安全性。对钻酸锂、猛酸锂、钛酸锂和磷酸铁锂等材料进行表面包覆，纳米 厚度的a1o包覆层即可大幅减小界面阻抗，额外提供电子传输隧道，有效阻止电解液对电 极的侵蚀，此外还能容纳粒子在i用脱嵌过程屮的体积变化，防止电极结构的损坏。2.6公司对高纯氧化铝应用的调研我公司目前在探索高纯氧化铝

16、在单晶蓝宝石、半导体材料、锂电池的应用，高纯氧化铝 是重要的无机材料原料，随着其应用领域和范围的不断扩大，对产品质量的要求tl益严格。 中国高纯度氧化铝粉体在微量杂质元素的控制方面实现了突破，但还存在粉体批次稳定性 相对较差和粉体粒度分布宽及团聚等问题，因此，如何提高中国高纯氧化铝产品质量及装备 水平并占领高端市场是而临的主要问题，而提高产品质量的关键是在确保纯度的前提下如 何控制粒度大小获得粒度分布均匀的产品。因此，应对现有工艺进行改良和升级，提高产品 质量；其次，应开发“绿色”环境友好新工艺且生产成本低、易于产业化的技术。参考文献：1 朱永璋，蒋明学,冯秀梅，等火花放电法制备高纯氧化铝粉末

17、j.有色金属，2011, 63 (2): 110-113.2 orbite aluminae. high -purity alumina eb/ol .http : /www. or -bitealuminae com/en/products/purity-alumina/ 2012-08一01.3 张美鸽.高纯氧化铝制备技术的进展j 功能材料，1993, 24 (2) : 87-192.4 唐海红，赵志英，焦淑红，等.高纯超细氧化铝的制备j.有色金属：冶炼部分，2003 (3): 42-43.5 林云波，赵云雁，滕晓峰，等.制备低钠微晶a 一 a 1203的工艺研究j.现代技术 陶瓷，2004, 102 ( 4) : 14-16.6 李翠兰.低钠熾烧氧化铝相变影响因素剖析j.世界有色金属，2013 ( 1) : 34 367 范志刚，刘建军，肖昊苏，等.蓝宝石单