專利名稱：一種高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝。
背景技術(shù)：
納米氧化鋁作為一種新型的高功能精細(xì)無機(jī)材料，由于其具有高硬度、高耐熱及耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于催化、陶瓷、刀具、航天航空以及功能材料等領(lǐng)域。目前見報(bào)道的高純納米氧化鋁的制備方法主要有溶膠—凝膠法、液相沉淀法、微乳膠法、醇鋁水解法、硫酸鋁銨熱分解法、臨界液體干燥法、電化學(xué)法等。這些方法都是要先把溶液中的鋁離子先沉淀，制得氧化鋁前驅(qū)體，然后經(jīng)過清洗、干燥、高溫煅燒等工藝獲得納米氧化鋁產(chǎn)品，因此這些制備方法都可歸納為沉淀法。沉淀法制備氧化鋁粉體具有成本低，設(shè)備制造簡(jiǎn)單、工藝流程短，易于大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是由于溶液中含有其它雜質(zhì)離子，難于制得高純度的納米氧化鋁粉體；氧化鋁前驅(qū)體在干燥過程中容易團(tuán)聚，影響產(chǎn)品的粒徑分布均勻性；此外，由于沉淀法需要先制得氧化鋁前驅(qū)體沉淀，因此前驅(qū)體的粒徑大小和粒徑分布的影響因素非常多，造成工藝不穩(wěn)定，因此沉淀法制得的納米氧化鋁粉體產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝，該工藝克服了傳統(tǒng)沉淀法產(chǎn)品純度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，可控制納米氧化鋁的粒徑大小和粒徑分布，同時(shí)在尾氣處理中回收三氯化鋁，返回氣化器，提高了三氯化鋁的轉(zhuǎn)化率。
本發(fā)明提供的一種高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝是三氯化鋁經(jīng)高溫氣化后連續(xù)通過預(yù)混器，與氫氣和氧氣充分混合后進(jìn)入反應(yīng)室，三氯化鋁利用氫氣和氧氣在反應(yīng)室中燃燒產(chǎn)生的高溫和水分進(jìn)行高溫水解縮合反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過聚集、氣固分離、脫氯工序，制得納米氧化鋁粉體。
本發(fā)明的反應(yīng)原理如下(1)
(2)(3)總反應(yīng) 傳統(tǒng)的沉淀法是利用沉淀劑把鋁鹽(硫酸鋁、硝酸鋁等可溶性鋁鹽)中的鋁離子沉淀出來制備氧化鋁的前驅(qū)體，再把前驅(qū)體清洗，去除其他離子，然后干燥，最后在800℃以上煅燒，制備納米氧化鋁。其缺點(diǎn)是氧化鋁前驅(qū)體的粒徑不易控制，且粒徑分布不均勻，容易造成前驅(qū)體團(tuán)聚增長，而且前驅(qū)體在干燥過程中也容易產(chǎn)生團(tuán)聚，最終影響納米氧化鋁粉體的粒徑及粒徑分布。
本發(fā)明采用氣相法高溫水解縮合制備納米氧化鋁，由于三氯化鋁在178℃即升華，因此適合于氣相法制備氧化鋁。三氯化鋁經(jīng)過氣化后與氫氣和氧氣按比例混合后在反應(yīng)室進(jìn)行高溫水解縮合反應(yīng)，由于反應(yīng)室內(nèi)溫度非常高(1000～2000℃)，水解反應(yīng)所產(chǎn)生的氧化鋁前驅(qū)體(Al(OH)3)立即縮合形成氧化鋁原生粒子，因此避免了沉淀法中的氧化鋁前驅(qū)體繼續(xù)增長以及前驅(qū)體在干燥過程中的團(tuán)聚現(xiàn)象。而且由于在氣態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)，能夠保證前驅(qū)體粒徑分布的均勻性，從而保證納米氧化鋁粒徑分布的均勻性。
本發(fā)明中對(duì)納米氧化鋁粉體的粒徑大小的控制可通過如下途徑實(shí)現(xiàn)(1)在反應(yīng)室和聚集器的設(shè)計(jì)尺寸一定時(shí)，保持原料的摩爾配比在三氯化鋁∶氫氣∶氧氣＝1∶(1.5～2.5)∶(0.75～2)的范圍內(nèi)，即控制反應(yīng)室內(nèi)氧化鋁前驅(qū)體粒子的濃度的高低，可以保證原生粒子粒徑的大小。由于納米氧化鋁的前驅(qū)體生成后在高溫下立即轉(zhuǎn)化為納米氧化鋁原生粒子，因?yàn)樵诜磻?yīng)室內(nèi)主要是納米氧化鋁原生粒子的生成和粒子增長過程，在高溫下，納米氧化鋁原生粒子碰撞后容易相互結(jié)合，控制前驅(qū)體粒子的濃度就可以控制納米氧化鋁原生粒子相互碰撞的次數(shù)，從而控制納米氧化鋁的原生粒徑大小及其分布。
(2)控制反應(yīng)室的冷卻速度和聚集器的冷卻速度。反應(yīng)室內(nèi)溫度在1000～2000℃，這是納米氧化鋁原生粒子形成的場(chǎng)所，控制反應(yīng)室的冷卻速度，保證粒子在離開火焰區(qū)之后溫度迅速降至1000℃以下，可以控制納米氧化鋁原生粒徑的大小。在聚集器的前段(溫度較高，基本在600℃以上)，主要是納米氧化鋁原生粒子相互聚集形成穩(wěn)定的二次聚集體，在聚集器的后段是二次聚集體再次聚集形成附聚體的過程。納米氧化鋁需要經(jīng)過聚集之后才能進(jìn)行氣固分離，二次聚集體的大小和分布將影響納米氧化鋁粉體的最終性能，而附聚體不穩(wěn)定，在使用時(shí)可以分散成二次聚集體。因此可以控制反應(yīng)室的冷卻速度，保證反應(yīng)室底部進(jìn)入聚集器之前的溫度低于950℃，控制聚集器入口溫度在950～550℃之間，出口溫度在600～300℃之間。減少納米氧化鋁原生粒子相互碰撞的次數(shù)，可以減小納米氧化鋁二次聚集體的粒徑大小。
(3)通過設(shè)計(jì)高效的浮選塔，浮選塔中可以設(shè)置不同的粒度分級(jí)器，根據(jù)需要獲得粒徑分布均勻的納米氧化鋁粉體。
由于氣相法制備納米氧化鋁的過程中需要進(jìn)行氣固分離，氣體產(chǎn)物中還含有部分三氯化鋁氣體隨著尾氣排出，因此需要對(duì)三氯化鋁進(jìn)行回收。本發(fā)明是通過對(duì)脫氯塔和浮選塔中排出的尾氣進(jìn)行干燥、降溫沉降進(jìn)行三氯化鋁的回收，回收產(chǎn)品返回氣化器循環(huán)使用，而尾氣氯化氫經(jīng)過吸收后用于制備鹽酸。
本發(fā)明工藝克服了傳統(tǒng)沉淀法產(chǎn)品純度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，可控制納米氧化鋁的粒徑大小和粒徑分布，同時(shí)在尾氣處理中回收三氯化鋁，返回氣化器，提高了三氯化鋁的轉(zhuǎn)化率。
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


附圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的工藝流程是三氯化鋁在料倉1中通過輸送泵連續(xù)輸送至氣化器2，控制氣化器的溫度在三氯化鋁的氣化溫度之上，首選180～300℃，氣化后的三氯化鋁以氮?dú)鉃檩d體輸送至預(yù)混器3，同時(shí)氫氣和空氣(以空氣代替氧氣)按比例進(jìn)入預(yù)混器，與三氯化鋁氣體混合均勻后進(jìn)入反應(yīng)室4，在反應(yīng)室內(nèi)點(diǎn)燃?xì)錃夂脱鯕?，三氯化鋁利用氫氣和氧氣燃燒生成的水分和高溫進(jìn)行高溫水解縮合反應(yīng)，反應(yīng)室設(shè)有冷卻夾套，可以對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行冷卻。從反應(yīng)室出來的納米氧化鋁原生粒子和反應(yīng)副產(chǎn)物HCl一起進(jìn)入聚集器5，聚集器各段分別設(shè)有冷卻夾套，可有效控制聚集器各段的溫度經(jīng)過聚集后的納米氧化鋁粉體與HCl副產(chǎn)物一起進(jìn)入分離器6，進(jìn)行氣固分離，氣固分離可以采用常規(guī)的氣固分離方法，首選旋風(fēng)氣固分離。分離后的固體(納米氧化鋁)向下流動(dòng)，進(jìn)入脫氯塔7，而氣體(HCl)向上流動(dòng)進(jìn)入三氯化鋁回收設(shè)備11。經(jīng)過氣固分離后，大部分HCl已經(jīng)被分離，但是殘留和吸附少量HCl，因此需要在脫氯塔中進(jìn)一步去除，在脫氯塔底部設(shè)有氮?dú)馊肟?，氮?dú)庾缘撞肯蛏狭鲃?dòng)，納米氧化鋁因重力作用向下流動(dòng)，保持脫氯塔的溫度在200～550℃，吸附的HCl在高溫下進(jìn)行解脫附，被氮?dú)鈳ё撸瑥拿撀人捻敳砍鰜磉M(jìn)入三氯化鋁回收裝置。通過脫氯的納米氧化鋁粉體進(jìn)入浮選塔8，在浮選塔8中設(shè)有一粒度分級(jí)器，可以根據(jù)需要選擇不同粒徑的粒度分級(jí)器。在浮選塔底部自下向上通入氮?dú)?，滿足粒徑要求的粒子向上流動(dòng)，過大的粒子則沉降在浮選塔底部，通過排渣口排出，滿足要求的納米氧化鋁則進(jìn)入料倉10。從分離塔、脫氯塔和浮選塔的尾氣經(jīng)三氯化鋁回收裝置之后，進(jìn)入尾氣吸收裝置12，經(jīng)吸收后制得鹽酸。
實(shí)施例1將三氯化鋁、氫氣、空氣分別按5.5m3/h、9.0m3/h、23.0m3/h(標(biāo)準(zhǔn)體積)的流量輸入預(yù)混器，按上述工藝進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)室底部(聚集器入口)溫度為950℃，聚集器前半段溫度為950～600℃，后半段溫度為600～300℃。脫氯塔溫度為350～500℃。獲得的納米氧化鋁指標(biāo)如下氧化鋁含量(％)99.85(原子吸收分光光度計(jì)法)原生粒子平均粒徑(nm) 30(電鏡統(tǒng)計(jì)法)氯含量(％)0.012(電位滴定法)實(shí)施例2將三氯化鋁、氫氣、空氣分別按5.5m3/h、10m3/h、28m3/h(標(biāo)準(zhǔn)體積)的流量輸入預(yù)混器，按上述工藝進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)室底部(聚集器入口)溫度為800℃，聚集器前半段溫度為800～550℃，后半段溫度為550～300℃。脫氯塔溫度為350～500℃。獲得的納米氧化鋁指標(biāo)如下氧化鋁含量(％)99.90(原子吸收分光光度計(jì)法)原生粒子平均粒徑(nm) 12(電鏡統(tǒng)計(jì)法)氯含量(％)0.018(電位滴定法)。
權(quán)利要求
1.一種高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝，其特征在于三氯化鋁經(jīng)高溫氣化后連續(xù)通過預(yù)混器，與氫氣和氧氣充分混合后進(jìn)入反應(yīng)室，三氯化鋁利用氫氣和氧氣在反應(yīng)室中燃燒產(chǎn)生的高溫和水分進(jìn)行高溫水解縮合反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過聚集、氣固分離、脫氯工序，制得納米氧化鋁粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝，其特征在于通過控制三氯化鋁的氣化速度和氫氣及氧氣的流量，保持原料的摩爾配比在三氯化鋁∶氫氣∶氧氣＝1∶(1.5～2.5)∶(0.75～2)的范圍內(nèi)，可制得特定原生粒徑的納米氧化鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝，其特征在于通過控制反應(yīng)室的冷卻速度，保證粒子離開火焰區(qū)之后溫度降至1000℃以下，以及控制聚集器入口溫度在950～550℃之間，出口溫度在600～300℃之間，可制得不同粒徑的納米氧化鋁粉體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝，其特征在于反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過氣固分離后，尾氣經(jīng)過處理后回收三氯化鋁循環(huán)使用，副產(chǎn)物氣體氯化氫經(jīng)過吸收后用于制備鹽酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高純納米氧化鋁的連續(xù)化制備工藝，該工藝將三氯化鋁經(jīng)高溫氣化后連續(xù)通過預(yù)混器，與氫氣和氧氣充分混合后進(jìn)入反應(yīng)室，三氯化鋁利用氫氣和氧氣在反應(yīng)室中燃燒產(chǎn)生的高溫和水分進(jìn)行高溫水解縮合反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過聚集、氣固分離和脫氯、浮選等工序得到高純納米氧化鋁。通過控制反應(yīng)原料配比，反應(yīng)室的冷卻速度以及控制聚集器的長度和溫度，可獲得不同粒徑的納米氧化鋁粉體。通過尾氣處理，三氯化鋁循環(huán)使用，氯化氫通過吸收制備鹽酸，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。
文檔編號(hào)C01F7/02GK1810646SQ20061003369
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2006年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月20日
發(fā)明者王躍林, 段先健, 龍成坤, 鄒君輝 申請(qǐng)人:廣州吉必時(shí)科技實(shí)業(yè)有限公司