CN104030330A

CN104030330A - 一种诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法

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Publication number: CN104030330A
Application number: CN201410265492.7A
Authority: CN
Inventors: 王志; 王鸿奇; 曹建尉
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2014-06-14
Filing date: 2014-06-14
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-06-14
Also published as: CN104030330B

Abstract

本发明属于高纯氧化铝材料领域，提供一种诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法。该方法采用高纯铝与电子级有机碱、高纯水反应生成的含铝复盐，通过添加晶种诱导结晶，含铝复盐分解得到氢氧化铝和有机碱，将得到的氢氧化铝经过过滤，洗涤，干燥制备出纯度高、晶型一致的高纯氢氧化铝晶体，有机碱可循环利用。该方法流程短、原料易得、产品质量高、成本低、无污染。所得氢氧化铝粉体的纯度为≥99.999％，Fe、Si、Na等杂质含量均小于3ppmw。产品高纯氢氧化铝特别适用于高纯氧化铝，LED蓝宝石、发光材料等领域。

Description

一种诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法

技术领域

本发明属化工产品制备领域，具体涉及一种通过诱导结晶技术制备晶型一致的高纯氢氧化铝的制备方法。更具体地，本发明涉及一种采用高纯铝箔与电子级有机碱和高纯水反应生成含铝复盐，通过晶种诱导结晶作用，含铝复盐分解生成氢氧化铝晶体和有机碱，将得到的氢氧化铝经过过滤，洗涤，干燥制备出晶型一致的高纯氢氧化铝晶体，有机碱循环利用的方法。

背景技术

结晶是一种从液态(溶液或熔融物)或气态原料中析出晶体物质，属于热、质传递过程的单元操作。结晶过程宏观上是一个从气、液或固相到固相的复杂相变过程，微观上是一个将很多原子、离子、分子或分子集团排列到一个规则的三维周期性阵列中的过程，是一个复杂的多相态体系间传质的结果。根据液固平衡的特点，结晶操作不仅能够从溶液中取得固体溶质，而且能够从杂质相当多的溶液或者多组元的混合物中分离出高纯或超纯的晶体。晶体的形态，大小以及纯度等性质不但在晶体生长学中有重要的作用，而且还决定着产物晶体的应用。但是晶体生长是一个复杂的过程，容易受到很多因素的影响。为了得到特定的晶体，可以采用人为因素来控制晶体的生长过程，即诱导结晶。诱导结晶是通过分析结晶机理，控制影响结晶过程的因素，形成特定的物理化学环境，调控成核和晶体生长两个重要步骤，强化和控制结晶过程方法的统称。诱导结晶技术主要用于材料纯化与功能化并成为主要发展方向之一。

高纯氢氧化铝具有广泛的应用。氢氧化铝具有阻燃、消烟、填充等功能可以用作阻燃剂。高纯氢氧化铝可以制备高纯氧化铝，进而制备蓝宝石等。氢氧化铝晶体的纯度、晶型对其应用领域具有决定性作用。

目前制备高纯氢氧化铝的主要工艺是醇盐水解法，包括活性醇铝法和胆碱法等。

(一)醇铝法是日本住友专利技术，分两步进行，首先铝和异丙醇等有机醇反应生成醇铝盐，醇铝盐经过精馏去除过量有机醇后成为高纯醇铝盐，最后水解得到氢氧化铝。其缺点是：工艺路线长，醇和铝的反应必须在无水条件下进行，在水存在的条件下，会大大抑制铝和醇的反应。此外需要精馏回收有机醇，膜过滤杂质等工序，设备投资大。

(二)胆碱法是铝和胆碱反应生成复盐，在过饱和条件下，铝的胆碱复盐水解生成氢氧化铝并放出氢气。中国专利CN02108991.4和中国专利200510028367.5都公开了此方法。但是高纯胆碱需要通过氯化胆碱离子交换分离精制获得，胆碱纯度难保证，因此高纯胆碱的获得决定了产品质量和成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有高纯氢氧化铝生产方法工艺过程中所存在的上述不足，提供一种通过诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，既能制备出纯度高，晶型一致的高纯氢氧化铝，又能缩短工艺流程，降低成本，绿色环保。

本发明提出的一种诱导结晶制备高纯氢氧化铝的新方法是通过以下技术方案加以实现的：

一种诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，采用高纯铝箔与电子级有机碱和高纯水反应生成含铝复盐，通过晶种诱导结晶作用，含铝复盐分解生成氢氧化铝晶体和有机碱，将得到的氢氧化铝经过过滤，洗涤，干燥制备出晶型一致的高纯氢氧化铝晶体，有机碱循环利用，包括如下步骤：

(1)将高纯铝箔加入到电子级有机碱、高纯水的混合溶液中，使混合后有机碱浓度为0.1mol/L～3mol/L，搅拌反应；

(2)将高纯氢氧化铝晶种分阶段加入到(1)混合反应体系中；

(3)将(2)反应完的多相体系进行固液分离，得到固体粉末和混合溶液；

(4)用高纯水洗涤(3)所得的固体粉末，然后对固体进行干燥处理。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中高纯铝箔的纯度为99.999％以上，铝箔厚度≤40μm。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中电子级有机碱为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵中的一种或几种的混合物。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中高纯氢氧化铝晶种的添加量为产品氢氧化铝重量的10％～100％。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中第(2)步骤反应体系温度为50～95℃，反应时间为1～8小时。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中电子级有机碱浓度为0.1mol/L～3mol/L，且循环利用。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中氢氧化铝过滤为离心分离或真空过滤。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中氢氧化铝干燥温度为100～250℃。

按所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其中高纯水电阻率为≥15MΩ·cm.。

本发明针对现有技术的不足，通过采用高纯铝箔与电子级有机碱和高纯水反应生成含铝复盐，通过晶种诱导结晶作用，含铝复盐分解生成氢氧化铝晶体和有机碱，将得到的氢氧化铝经过过滤，洗涤，干燥制备出晶型一致的高纯氢氧化铝晶体。

本发明的新方法的基本原理如下：

水解反应：Al+ROH+3H₂O→R[Al(OH)₄]+1.5H₂

诱导结晶：

本发明的新方法的工艺流程特点如下：

1、流程短：相比醇铝法，本工艺由高纯铝和水直接反应，母液循环使用，大大缩短了工艺流程，而且母液不需精馏提纯。

2、原料易得：与胆碱法相比，本项目采用的高纯特效有机碱易获得，能够在市场上方便采购，而且纯度高，所有金属离子小于10ppb，保证了产品质量。

3、成本低：本工艺实现了铝和水直接反应生成高纯氢氧化铝，设备操作条件温和，由于催化剂循环使用，消耗量很少，所以总体成本低于醇铝法和胆碱法。

4、无污染：工艺中主要原料是水和铝，产物是氢氧化铝和氢气，产生的大量氢气可以回收利用。没有任何废渣、废水、废气排放。

与现有技术相比，本发明提供的诱导结晶制备高纯氢氧化铝工艺具有如下优益性：

(1)通过诱导结晶，产品纯度高(99.999％)，Fe、Si、Na等元素含量均小于3ppm。并且，晶型均为α氢氧化铝。

(2)成本低，生成工艺过程要求低，操作条件温和。

(3)有机碱可以循环使用，消耗量很少，生产成本低。

(4)流程短：相比醇铝法，本工艺由铝和水直接反应，母液循环使用，大大缩短了工艺流程，而且母液不需精馏提纯。

(5)无污染：工艺中主要原料是水和铝，产物是氢氧化铝和氢气，产生的大量氢气可以回收利用。没有任何废渣、废水、废气排放。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为氢氧化铝晶种的SEM照片；

图3为氢氧化铝晶种的XRD物相分析；

图4为诱导结晶产物的SEM照片；

图5为诱导结晶产物的XRD物相分析。

具体实施方式

下面结合附图，通过本发明实施例进一步来说明本发明的突出优点和创新点，但并不以此来限定本发明。

实施例1

取300mL的有机碱于聚四氟乙烯反应器中，浓度为3mol/L，并且设置搅拌器转速为240rpm，反应温度为70℃，加入5g铝箔进行水解反应，同时加入三水铝石晶种进行诱导结晶，晶种添加量为1.45g，反应结晶时间1小时。用高速离心机将生成的Al(OH)₃与反应试剂分离，并用高纯水洗涤固体粉末至洗液为中性，放入温度为100℃的干燥箱内进行干燥。产品氢氧化铝质量为14.4g，晶型为α-Al(OH)₃，其杂质含量结果见表1。

表1诱导结晶产物纯度分析

杂质	Fe	Si	Na	Mg	Ni	Ti	Zn	Cu	C
										ppm	2	2	1	0.2	0.1	0.1	0.2	-----	-----

实施例2

取10mL有机碱(3mol/L)和290mL高纯水于聚四氟乙烯反应器中，搅拌转速为240rpm，反应温度为95℃，加入5g铝箔进行水解反应，同时加入三水铝石晶种进行诱导结晶，晶种添加量为14.4g，反应结晶时间8小时。反应结束后，用真空泵进行抽滤，并用高纯水洗涤晶体至洗液为中性，然后置于250℃的干燥箱内进行干燥。产品氢氧化铝质量为15.0g，晶型为α-Al(OH)₃，其杂质含量结果见表2。

表2诱导结晶产物纯度分析

晶型	杂质	Fe	Si	Na	Mg	Ni	Ti	Zn	Cu	C	其他Other
												α-Al(OH)₃	ppm	1	1	0.5	0.1	0.1	0.1	0.1	-----	-----	1

实施例3

取100mL有机碱(3mol/L)和200mL高纯水于聚四氟乙烯反应器中，搅拌转速为240rpm，反应温度为90℃，加入5g铝箔进行水解反应，同时加入三水铝石晶种进行诱导结晶，晶种添加量为14.4g，反应结晶时间4小时。反应结束后，用真空泵进行抽滤，并用高纯水洗涤晶体至洗液为中性，然后置于250℃的干燥箱内进行干燥。产品氢氧化铝质量为14.5g，晶型为α-Al(OH)₃，其杂质含量结果见表3。

表3诱导结晶产物纯度分析

晶型	杂质	Fe	Si	Na	Mg	Ni	Ti	Zn	Cu	C	其他Other
												α-Al(OH)₃	ppm	2	2	1	0.5	0.1	0.1	0.2	-----	-----	1

实施例4

取50mL有机碱(3mol/L)和200mL高纯水于聚四氟乙烯反应器中，搅拌转速为240rpm，反应温度为80℃，加入5g铝箔进行水解反应，同时加入三水铝石晶种进行诱导结晶，晶种添加量为7.222g，反应结晶时间3小时。反应结束后，用真空泵进行抽滤，并用高纯水洗涤晶体至洗液为中性，然后置于250℃的干燥箱内进行干燥。产品氢氧化铝质量为14.8g，晶型为α-Al(OH)₃，其杂质含量结果见表4。

表4诱导结晶产物纯度分析

晶型	杂质	Fe	Si	Na	Mg	Ni	Ti	Zn	Cu	C	其他Other
												α-Al(OH)₃	ppm	1.5	2	1	0.5	0.1	0.1	0.2	-----	-----	1

实施例5

取50mL有机碱(3mol/L)和200mL高纯水于聚四氟乙烯反应器中，搅拌转速为240rpm，反应温度为50℃，加入5g铝箔进行水解反应，同时加入三水铝石晶种进行诱导结晶，晶种添加量为7.2g，反应结晶时间5小时。反应结束后，用真空泵进行抽滤，并用高纯水洗涤晶体至洗液为中性，然后置于250℃的干燥箱内进行干燥。产品氢氧化铝质量为14.8g，晶型为α-Al(OH)₃，其杂质含量结果见表5。

表5诱导结晶产物纯度分析

晶型	杂质	Fe	Si	Na	Mg	Ni	Ti	Zn	Cu	C	其他Other
												α-Al(OH)₃	ppm	1	2	1	0.5	0.1	0.1	0.2	-----	-----	1

Claims

1.一种诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于：

采用高纯铝箔与电子级有机碱和高纯水反应生成含铝复盐，通过晶种诱导结晶作用，含铝复盐分解生成氢氧化铝晶体和有机碱，将得到的氢氧化铝经过过滤，洗涤，干燥制备出晶型一致的高纯氢氧化铝晶体，有机碱循环利用，包括如下步骤：

(2)将高纯氢氧化铝晶种分阶段加入到(1)混合反应体系中；

2.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述的高纯铝箔的纯度为99.999％以上，铝箔厚度≤40μm。

3.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述电子级有机碱为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵中的一种或几种的混合物。

4.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述高纯氢氧化铝晶种的添加量为产品氢氧化铝重量的10％～100％。

5.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述第(2)步骤反应体系温度为50～95℃，反应时间为1～8小时。

6.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述电子级有机碱浓度为0.1mol/L～3mol/L，且循环利用。

7.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述氢氧化铝过滤为离心分离或真空过滤。

8.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述氢氧化铝干燥温度为100～250℃。

9.按权利要求1所述的诱导结晶制备高纯氢氧化铝的方法，其特征在于所述高纯水电阻率为≥15MΩ·cm.。